交流電磁場檢測(ACFM)在薄壁不銹鋼焊縫中的應用

劉子淇,楊會敏,嚴 宇

(核工業(yè)工程研究設計有限公司,北京 101300)

在核設施建造過程中,由于射線照相法檢出的缺陷圖像較為直觀,且容易檢出存在局部厚度差的缺陷,核設施現(xiàn)場采用的主要體積檢測技術為傳統(tǒng)膠片射線技術,但小徑管射線檢測存在固有的局限性,即需要專用時間窗口和作業(yè)場所,焊接施工和檢測無法并行進行,輻射安全風險較大等[1-2]。為提高現(xiàn)場檢測效率,降低輻射安全風險,需要采用先進可靠的檢測技術來解決上述難題,提升檢測效率的同時保障工程質量。

交流電磁場檢測(ACFM)技術可檢測各種導電材料表面、近表面缺陷以及薄壁材料的內部缺陷[3]。該技術經過近40年的發(fā)展,具有檢測效率高、重復性好、無輻射、無需耦合、可交叉施工等優(yōu)點[6],已得到世界多個權威組織認可,應用越來越廣泛[4-5]。

文章通過理論計算研究了該技術應用于薄壁不銹鋼焊縫檢測的可行性;運用仿真計算驗證探頭設計時的最佳激勵頻率,提高了傳統(tǒng)ACFM 檢測技術的檢測精度和穩(wěn)定性;利用不同種類、不同尺寸的模擬試塊對ACFM 檢測技術的缺陷檢出能力進行了驗證。

1 基本原理

ACFM 在電磁場數(shù)值有限元分析領域有精確的理論計算模型。但麥克斯韋方程組作為控制方程時計算中未知量過多[7],文章引入矢量磁位A和標量電勢φ作為控制方程中的未知函數(shù)來進行求解,并引入了輔助計算函數(shù)。為了保證解的適定性,先求出矢量磁位A和標量電勢φ,然后代入麥克斯韋方程組計算缺陷處電場和磁場值。

缺陷的存在會使得電磁場產生擾動,故為了方便計算可以將表示磁場分布的矢量磁位A分為兩部分。

式中:A o為檢測電流感應的矢量勢函數(shù);A P為缺陷引起的電場擾動感應的矢量勢函數(shù);x,y,z表示坐標軸三個方向。

根據電磁感應,矢量勢函數(shù)A o和A P都滿足Laplace方程。A o滿足無缺陷狀態(tài)的邊界條件

A P滿足含缺陷狀態(tài)的邊界條件

式中:k2=2i/δ2;δ為電流趨膚層厚度;c為缺陷寬度。

趨膚層厚度δ為[8]

式中:μr為材料相對磁導率;μ0 為真空磁導率;μ為材料的磁導率,μ=μrμ0;σ為電導率;f為電流頻率;ω為電流的角頻率。

2 仿真研究

文章采用COMSOL Multiphysics仿真軟件對薄壁不銹鋼焊縫進行仿真研究。仿真模型如圖1所示,主要包括管道主體、管道環(huán)焊縫、焊縫缺陷、磁芯、激勵線圈和外圍空氣(空氣域在圖1中做隱藏處理),缺陷位于焊縫中部位置,檢測方向沿管道周向。

圖1 ACFM 管道環(huán)焊縫缺陷檢測三維仿真模型

2.1 特征分析

為模擬現(xiàn)場實際工況焊縫,仿真時坡口寬度與余高均與現(xiàn)場保持一致,即內表面焊縫寬度為4 mm,外表面焊縫寬度為10 mm,焊縫余高為2 mm。激勵線圈纏繞在U 形磁芯上,該磁芯尺寸為22 mm×5.75 mm×15 mm(長×寬×高),厚度為4 mm,磁芯的兩磁腿橫跨在焊縫缺陷正上方,沿管裂紋長度方向周向掃查。

在激勵線圈中加載幅值為10 V,頻率為1 000 Hz的正弦交流電,管體及焊縫會產生感應電流,其分布情況如圖2所示,可見,在激勵區(qū)域,電流出現(xiàn)兩個明顯峰值,且恰好在裂紋兩端集聚。

圖2 裂紋附近感應電流分布情況

進一步分析,可以得出以下結論。

(1) 當焊縫區(qū)域不存在缺陷時,均勻電流會經由焊縫一側通過焊縫表面到達另一側,即雖然焊縫的材料與母材材料不一致,但感應電流依然會均勻分布在整體結構的表面,不會因為材料不同而出現(xiàn)大的變化。

(2) 當焊縫區(qū)域存在缺陷時,均勻電流會受到缺陷的擾動而發(fā)生偏轉和聚集,即在缺陷的兩端電流密度增加,擾動和聚集增加,在缺陷的中間位置,電流密度減小。這與ACFM 的基本原理相符合,因而可以通過檢測感應電磁場信號反演裂紋的尺寸信息。

為研究焊縫區(qū)域信號特征,提取x方向及z方向磁場強度特征信號如圖3所示。從圖3中可以看出,Bx信號在缺陷兩端凸起,中間缺陷部分下凹;Bz信號在缺陷兩側出現(xiàn)兩個相反方向的極值。仿真結果符合交流電磁場檢測規(guī)律,證明了仿真模型的正確性。

圖3 裂紋空間磁場強度特征信號

2.2 探頭設計仿真優(yōu)化

為確保檢測時ACFM 檢測深度滿足要求,并提高缺陷檢測精度,研究了不同頻率下ACFM 的檢測精度,即在0.1 k Hz至60 k Hz之間改變激勵頻率,提取得到的不同頻率下的空間Bx磁場分布如圖4所示。由圖4可見,隨著頻率的增加,Bx信號的基值逐漸增加,且增速逐漸減慢,Bx畸變率變化在1 000 Hz左右達到最大,且由復合集膚效應公式(4)可知,頻率為1 000 Hz時可穿透4.58 mm,滿足檢測需求,因此選定1 k Hz作為激勵頻率。

圖4 不同頻率下的空間Bx 磁場分布曲線

2.3 不同角度裂紋信號及孔狀信號特征分析

為研究不同角度裂紋信號及孔狀信號特征,建立不同角度裂紋和孔狀缺陷(見圖5),對長為5.0 mm,寬為0.2,0.4 mm,角度分別為0°,30°,45°,60°和90°的裂紋(定義和感應電流垂直的方向為0°)和0.4 mm直徑的孔進行仿真分析,得到檢測結果如圖6和圖7所示。

2.4 小缺陷的缺陷檢出率分析

由以上分析可知,對于面積型缺陷,ACFM 較靈敏。為研究ACFM 檢測技術對于小缺陷的檢出率(POD),仿真時每種尺寸氣孔缺陷仿真200次,仿真以埋深最大位置缺陷為樣本,模擬了所有存在的缺陷類型,考慮了余高、提離、焊瘤等影響因素,以盡可能貼合真實工況,所得到的POD 數(shù)據具備普適性,代表了理論置信度缺陷POD,仿真結果如圖8所示。

圖8 小缺陷POD仿真結果

每一次檢測可看作一次隨機試驗,檢測結果只有兩個:檢出和未檢出。

基于統(tǒng)計學理論,取置信水平為95%,算出每個尺寸氣孔的檢測概率置信下限值PL與對應尺寸氣孔點作圖,結果如圖9所示。

采用對直徑分別為0.3,0.4,0.6,0.75 mm 的氣孔進行檢測,小氣孔的檢測次數(shù)為350次,大氣孔的檢測次數(shù)為200次,結果統(tǒng)計如表1所示。

表1 不同氣孔的POD仿真結果

POD仿真分析數(shù)據表明:在95%置信度下,0.4 mm 氣孔缺陷檢出率不低于90%;ACFM 檢測技術滿足工程應用的需求。

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

在驗證試驗中,采用的設備為LKACFM-X1型交流電磁場檢測儀,檢測探頭頻率設置為1 k Hz。由于小徑管外徑較小,為保證探頭垂直緊貼焊縫,設計半包式探頭緊貼焊縫,以實現(xiàn)在焊縫上的平穩(wěn)掃查。試驗裝置及探頭如圖10所示。

圖10 試驗裝置及探頭

3.2 模擬試塊

模擬試塊包括自然缺陷試塊和小氣孔試塊。模擬試塊的設計涵蓋了全部典型缺陷,如裂紋、未熔合、未焊透、夾鎢、氣孔等,具有充分的代表性,其中面積型缺陷長為5 mm,深為0.3 mm,寬為0.2 mm,孔狀缺陷直徑約為0.4 mm。模擬試塊中的模擬自然缺陷僅用來驗證檢出能力,不用于定量閾值。為與現(xiàn)場工藝保持一致,此次模擬試塊分別制作了手工焊試塊及自動焊試塊。模擬試塊缺陷設置信息如表2所示。

表2 模擬試塊缺陷設置信息

3.3 檢測結果

根據ACFM 檢測工藝對自動焊模擬試塊進行檢測后,基于NB/T 20003.3—2010《核電廠核島機械設備無損檢測第3部分:射線檢測》對模擬試塊進行了對比驗證。

對于自動焊試塊,預制缺陷共36處,射線(RT)檢出32處,未檢出氣孔缺陷4處,ACFM 檢出34處(含RT檢出的32處),未檢出氣孔缺陷2處,而面積型缺陷均100%檢出,缺陷檢測對比結果如表3所示。

表3 工藝管道自動焊模擬試塊檢測結果

根據ACFM 檢測工藝對手工焊模擬試塊進行檢測后,基于NB/T 20003.3—2010對模擬試塊進行了對比驗證。

對于手工焊試塊,預制缺陷共132處,RT檢出95處,未檢出氣孔缺陷37處,ACFM 檢出131處(含RT檢出的95處),未檢出氣孔缺陷1處,而面積型缺陷均100%檢出,ACFM 誤報10處,其檢測結果如表4所示。

表4 工藝管道手工焊模擬試塊檢測結果

射線檢測時,小徑管焊縫上直徑約0.4 mm 的圓形缺陷存在漏檢現(xiàn)象,主要原因為采用了雙壁雙影透照工藝,透照厚度比和影像畸變較大,且缺陷尺寸設置過小,接近射線檢測靈敏度極限。ACFM 漏檢的原因為檢測時檢測速度不一致,使得兩處缺陷在檢測時被識別為一處缺陷。ACFM 出現(xiàn)多檢信號的原因主要為內表面不平整(如較深的焊紋)和缺陷信號無法區(qū)分。

4 結論

為研究ACFM 檢測技術在薄壁不銹鋼管道焊縫檢測中的可行性,文章開展了理論分析、仿真研究、模擬驗證等工作,確定了ACFM 檢測技術在薄壁不銹鋼焊縫檢測應用中的可行性,并得出以下結論。

(1) 交流電磁場檢測技術對氣孔、夾渣及未熔合等缺陷均具有較好的檢測能力,在進行技術優(yōu)化后,對危害性較大的面積型缺陷可100%檢出。

(2)POD仿真分析數(shù)據表明在95%置信度下,?0.4 mm 氣孔缺陷檢出率不低于90%,經試驗驗證可檢出直徑約為0.4 mm 的體積型缺陷。

(3) 經與傳統(tǒng)RT 檢測技術進行對比驗證可知,ACFM 檢測技術具有不低于RT檢測的能力。