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ACFM交流電磁場檢測技術簡介
2021-01-06 08:07:00

ACFM(Alternating current field measurement)交流電磁場檢測技術是一種新型的無損檢測和診斷技術,用于檢測金屬構件表面和近表面的裂紋缺陷,可以測量裂紋的長度和計算裂紋深度,具有非接觸測量、受工件表面影響小的特點。該檢測技術在海上設施的水下無損檢測中愈來愈廣泛的應用。

背景

在海洋石油和天然氣裝置的水下結構和海上平臺設備的檢測中,由于被檢對象和環境的特殊性,使得常規檢測方法出現漏判、誤判的概率大大增加,造成巨大的經濟損失和環境污染,例:在 1977 到 1998 年間,加拿大發生了 20 起天然氣管道事故,其中 9 起泄漏,11 起破裂,均是由應力腐蝕裂紋 (SCC-StressCorrosionCrack) 引起。并且,隨著在役管道結構的繼續老化,發生事故的潛在可能性加大。ACFM 技術就是在這種情況下產生,它由交變電壓降 ((ACPD-Alternating Current Potential Drop) 技術發展而來,結合了 ACPD 技術的無需校準測量和渦流檢測的無接觸的優點,是精確測量表面裂紋的無損檢測方法之一。

在二十世紀八十年代后期,ACFM 技術首先被用于水下結構關鍵部位焊縫質量的檢驗以及有表面涂層的金屬結構的檢驗,1997 年巴西國家石油公司將 ACFM 技術用于海上石油平臺的結構檢驗。隨著對其不用去除涂層而實現表面疲勞裂紋檢測的價值的認可及該技術進一步發展和成熟,開始被廣泛地應用到石化、核工業、鋼鐵和鐵路工業、土木結構比如橋梁檢測、航空航天等領域中。

基本原理

ACFM 技術的理論基礎是電磁感應原理,一個通交變電流的特殊線圈(激勵線圈)靠近導體時,交變電流在周圍的空間中產生交變磁場,被測工件(導體)表面的感應電流由于集膚效應聚集于工件的表面。當工件中無缺陷時,感應電流線彼此平行,工件表面由于勻強磁場存在;若工件中油缺陷存在,由于電阻率的變化,勢必對電流分布產生影響,電流線在缺陷附近就會產生偏轉,工件表面的磁場就會發生畸變。這個磁場的變化強弱,就能反映出裂紋的尺寸。缺陷對電流及磁場的影響如圖 1-4 所示。在工件表面產生的電磁場中,ACFM 技術是檢測感應磁場來檢測裂紋,因為磁場滲透率強于電場,衰減慢于電場;其原理法拉第電動勢原理:通電線圈(檢測線圈)切割磁場產生電動勢,檢測此電動勢即可檢測感應磁場。



建立被測工件上的感應電流流向模型,并將磁場分量分成三個分量 Bx(平行于工件表面并垂直于電流方向)、By(平行于電流方向)和 Bz(垂直于工件表面)進行分析,如圖 1 所示。當無缺陷時,感應電流順著 Y 軸均勻流動, X 向磁場分量(Bx)均勻無擾動,而另外兩個方向的磁場分量(By 和 Bz)為 0。故遠離裂紋處,電流場是均勻的,電流相互平行。當電流流至裂紋處,由于材質的不均勻性和分界面處電流的連續性原理,電流線會向裂紋兩端和裂紋底面偏轉,使裂紋中心處電流線變疏,電流密度下降,兩端的電流線匯聚,從而導致工件表面磁場的變化。

在 ACFM 的測量中,一般要測量出如下兩個相互正交的磁場變化量:

1、垂直于工件表面的磁感應強度 Bz,如圖 1 所示,由于裂紋面上的電阻較大,使電流向裂紋兩端和底面偏轉。在裂紋的右半邊,電流的總體趨勢是順時針方向,產生指向工件表面的磁力線;在裂紋左半邊,電流的總體趨勢是逆時針方向,產生指向工件底面的磁力線,規定前者為正,后者為負,如圖 1,這樣就可以通過 Bz 測量出裂紋長度。

2、平行于工件表面和裂紋走向的磁感應強度 Bx:如圖 1 所示,由于電流向裂紋兩端和底面偏轉,使劉靜裂紋面的電流強度下降,在裂紋中部,電流線最疏,Bx 最小,Bx 的極小值對應裂紋最深處,從而可以測出裂紋的深度。

Bx、Bz 和裂紋之間的關系如圖 5、圖 6 所示。



ACFM 技術是以可視化的方式向人們展示缺陷的存在,使人們對數據有更直觀的理解。

ACFM 目前有三種可視化的方式:時基掃描圖、蝶形圖 (如圖 7 所示) 和等值線彩色圖。蝶形圖是以 Bz 為橫坐標,Bx 為縱坐標畫出來的圖形。Bx 曲線的兩個峰值點就是蝶形圖中縱坐標左右兩個極值點,而 Bz 曲線的最小值點也是蝶形圖中縱坐標的極小值點,因而 Bz 曲線和 Bx 曲線中包含的信息在蝶形圖中都能反映出來,結合交流電磁場檢測的基本原理,可以準確的實現缺陷的判斷和定性分析。有缺陷時,蝶形圖上會出現一個明顯的環,稱為缺陷環,當探頭的掃描速度發生波動時,只會使缺陷環的一側出現纏繞的線條,但缺陷環還是比較明顯的,這樣就降低了誤判和漏判的幾率。,根據探頭靠近裂紋的方向,探頭的運動方向可以是順時針或逆時針(C 向或 A 向),蝶形圖相應的可以沿順時針或逆時針方向繪制,方向可以幫助區分裂紋和非相關信號。

等值線彩色圖是適用于陣列型探頭。將微探頭檢測到的數據以對應的顏色在屏幕上顯示出來,此時圖形中的分辨率與陣列的密度有關。

如果掃描方向與裂紋成一定的角度,很可能會產生如圖 8 所示的信號。Bz 方向信號會減弱,為探頭傳感器只經過 Bz 波峰的邊緣。裂紋延伸至末端的附連物或鼠洞(rat hole)就會出現這種信號。

根據上述原理,ACFM 對于垂直于掃描方向的裂紋是無法檢測出來的,也檢測不出來裂紋的垂直于掃描方面的位置,位置裂紋方向的情況下,須將探頭旋轉 90 掃描。




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