水下结构件的ACFM检测图谱

2014-10-27张大伟黄江中赵翠华

无损检测 2014年7期

王喆，张大伟，黄江中，陈勇，刘凯，许威，赵翠华

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

交流电磁场检测（ACFM）是一种能够精确测量金属表面裂纹的电磁场无损检测技术，它利用正交信号源激励线圈产生的旋转磁场来检测裂纹。ACFM技术具有非接触、不需标定、检测速度快和适应性好等特点，在海洋平台结构件的检测中有良好的应用前景。

ACFM检测受外界影响因素较大，对信号的判别要求较高。其他信号对缺陷信号的影响将使缺陷的辨认变得更加困难，这些信号将与缺陷信号混在一起使得磁场发生改变。对一名ACFM操作者来说，定量的认识由诸如几何效应等无关信号所产生的影响非常重要。有些信号还可以由视觉探视识别来帮助进行定量确认。为了在实际检测时帮助识别缺陷，笔者采用ACFM设备进行了大量的现场检验，并对检测图谱进行了分析和总结，在ACFM检测图谱的识别上取得了一些有益的经验。

1 技术原理

ACFM检测时在工件中通以交变电流，若金属中有裂缝出现，金属表面磁场便会产生变异，仪器探头迅速将检出的信号传输到计算机作分析，经软件运算后，可将裂缝的准确位置、长度及深度显示出来［1］。ACFM的原理图如图1所示。

2 检测设备

图1 ACFM检测原理示意图

使用英国的TSC技术软件咨询公司U31型检测设备，该设备由一个借助控制管缆连接到水上单元的水下单元组成，比早期的U11和U21小巧轻便得多，对单一探头来说，它可以支持多达16通道的简单油漆刷风格的阵列式分布的探头。ACFM数据显示界面如图2所示，显示三个信号：以时间为基轴的Bx、Bz轨迹曲线及用极坐标表示Bx、Bz相对关系的蝴蝶图。

图2 ACFM数据显示界面

3 图谱分析

由缺陷引起的显示为相关显示，由工件结构等非缺陷引起的显示为非相关显示。

3.1 非相关显示的鉴别

3.1.1 受检构件表面状况对信号的影响

水下结构件表面覆盖着较多的海生物，检测图像受到表面粗糙度的影响，即使潜水员清理之后，也会有一些硬质海生物残留，影响表面的平整度。应掌握识别由表面粗糙度引起的图谱非相关显示，利用Bx、By、Butterfly数据的相互关系进行鉴别。如图3为典型导管架节点焊缝检测图像的非相关显示。

3.1.2 边缘效应的影响

在工件边缘位置垂直于焊缝方向的正表面电流密度会变小，探头离开边缘时工件表面电流密度增大，Bx会有增大趋势，由于相当于探头离开了一个较大的裂纹，所以C方向Bz有增大趋势；靠近边缘时，垂直焊缝方向的表面电流密度减小，Bx有减小趋势，C方向Bz会有增大趋势。对于标准探头而言，边缘效应会产生如图4所示的非相关显示信号。

图3 结构表面粗糙度对检测图像的非相关显示

图4 边缘效应对ACFM检测图像的非相关显示

3.1.3 提离效应的影响

探头小幅的提离不会影响探头的操作，但较大的提离动作会减弱信号。如果在Bx、Bz信号同时出现多个疑似裂纹信号，可能是在扫描中时断时续地接触到焊缝的余高造成了提离效应，但也有可能是同时出现了多条复杂裂纹。此时操作员应通知检测人员在扫描的邻近区域存在其他焊缝或扫描焊缝表面有较大的凸凹现象。检测人员应根据扫描焊趾所发出噪声等级的渐进变化进行判断。

3.1.4 构件几何形状的影响

当探头扫描紧凑型结构的构件时，Bx信号将呈现持续增长的状态，比如管线接头处或导管架K节点。如图5所示。

图5 紧凑型的构件对ACFM检测图像的非相关显示

3.1.5 材料磁性的影响

剩磁会影响材料的磁性从而影响到交流电磁场检测图像。对于钢结构，剩磁会在几个小时内消失，但是最近使用过磁粉检测仪或者其他磁性设备的区域应该进行退磁处理。

3.1.6 异种材料的影响

当扫描穿过异种材料的区域或垂直方向焊缝的区域通常会产生类似横向裂纹信号。应通过平行于焊缝的不同位置扫描来进行确认。如图6所示，至少应该做这样三次的平行扫描。扫描1为类似裂纹显示；扫描2为类似裂纹显示；扫描3为非裂纹显示；扫描4为类似裂纹显示。

图6 异种材料区域的非相关显示排除

3.2 相关显示的分类

相关显示的Bx，Bz波幅应包含典型的由裂纹引起的变化信息，并出现蝴蝶图。

3.2.1 平行扫描方向的裂纹相关显示

平行于扫描方向的裂纹产生典型的裂纹图谱显示，Bx出现谷值、Bz出现峰谷值及标准的蝴蝶图，如图7所示。

图7 平行扫描方向的裂纹相关显示

3.2.2 与扫描方向有一定角度的裂纹相关显示

如果裂纹方向与扫描方向成一定角度，探头只经过靠近裂纹的一端，距离扫描位置较近的裂纹一端，电流变化与常规裂纹相同，生成一半正常的图谱，距离扫描位置较远的一端裂纹，由于对电流的影响减弱，图谱信号减弱，如图8所示。

图8 与扫描方向有一定角度的裂纹相关显示

3.2.3 其他结构件影响的裂纹相关显示

受其他构件影响的裂纹，裂纹信号会叠加到结构几何形状影响效应中，如图9所示。此时，计算裂纹深度，Bx背景值应取裂纹两端的背景值之间的数值。

图9 其他结构件影响的裂纹相关显示

3.2.4 垂直扫描方向的裂纹相关显示

当裂纹垂直于焊缝方向，由于其平行于电场且垂直于磁场，会产生垂直焊缝方向的电流高密度集中，Bx出现波峰，xy面环向电流方向相反，C方向扫描，Bz先出现波峰后出现波谷；而普通纵向裂纹C方向扫描Bz先出现波谷后出现波峰。C方向扫描，Butterfly图谱为逆时针方向，如图10所示。材料变化会产生相同的信号，根据图10进行评估判断。

图10 垂直扫描方向的裂纹相关显示

3.2.5 线性接触点和多个裂纹相关显示

如果接触点出现在裂纹面中，裂纹的主环路中会出现蝶形信号回路，并会在延展区中突出显示。同时，如果多个裂纹出现在邻近的扫描区域中，会产生多个环路，但Bx信号会返回环路之间的背景中。“线性接触”通常发生在两条裂纹相邻时，此时两条裂纹对应的蝴蝶图会相互交叠，最终融为一体。这在图像显示上显示为一个明显的“桥节点”，这个点直至两条裂纹融合为一条大裂纹后才消失，如图11所示。