宋 凱,康宜華,孫燕華,巴魯軍

(1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430074;

2.南昌航空大學(xué)測試與光電工程學(xué)院,江西南昌 330063;

3.中石化勝利油田公司渤海管具公司,山東東營 257000）

0 引 言

交變磁場測量技術(shù) (Alternative Current Field Measurement,簡寫為 ACFM)[1]和交流漏磁檢測技術(shù) (Alterna tive Current Magnetic Flux Leakage,簡寫為 AC-M FL)[2]是近些年興起的兩種無損檢測方法,兩種方法都具有檢測靈敏度高、探頭微型化和易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn),因而受到了學(xué)者們的關(guān)注.目前英國的 TSC等幾家公司開發(fā)了 ACFM的檢測設(shè)備,已經(jīng)應(yīng)用于水下構(gòu)件的無損檢測,而FOERSTER公司開發(fā)了旋轉(zhuǎn)探頭法交流漏磁探傷儀,在實(shí)際檢測中也有大量應(yīng)用.但有趣的是,兩種方法的探頭都有基于 U型磁軛式的,如 David A[3](ACFM法,1996年)和 George R[4](ACFM法,2002年)的專利,在 U型磁軛上繞制激勵線圈構(gòu)建垂直于兩腳連線方向的平行渦流場,有較高的檢測靈敏度,李偉[5]也對 U型探頭進(jìn)行了仿真和試驗(yàn).對于 AC-M FL法,眾多文獻(xiàn)都使用 U型探頭,如 Gotoh Y[6-8]開展了大量仿真和試驗(yàn)研究.Lim Z S[9]使用 U型探頭對鋼棒進(jìn)行了檢測,激勵頻率為 1 k Hz～10 k Hz,能同時檢測橫、縱向裂紋,但未解釋其原因.2008年 John P[10]的專利也明確其方法為 AC-M FL法.由此可見,兩種方法無論在名稱、探頭和信號處理方式上都表現(xiàn)出相似性,甚至很多參數(shù)都相近,但原理卻大相徑庭.盡管從原理上似乎可以區(qū)分兩者,但這種U型探頭何時表現(xiàn)為 ACFM法,何時表現(xiàn)為 ACM FL法,如何判定或區(qū)分它們,實(shí)際上非常令人困惑,這些問題在目前的文獻(xiàn)中未有完整的研究.

本文基于有限元仿真對 U型磁軛式探頭開展了研究,分析了探頭的磁場特性和檢測信號的特征,并提出了一種能區(qū)分這兩種檢測技術(shù)的方法,為剖析其檢測原理提供了理論依據(jù).

1 檢測基本原理

ACFM法是從交流電位差技術(shù)(ACPD法)發(fā)展而來的.通過導(dǎo)體的電流由于試件表面出現(xiàn)裂紋或缺陷將被擾動,測量不同點(diǎn)之間的電位擾動就是交流電位差技術(shù),而測量相應(yīng)近表面磁場的擾動就稱為ACFM技術(shù).ACFM法的檢測原理如圖1(a)所示,探頭的激勵系統(tǒng)使用矩形線圈或 U型磁軛,磁軛上繞制線圈,如圖1(b)所示,強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生均勻的電流場,缺陷干擾了均勻的電流流動,受擾動的電流因此而產(chǎn)生了畸變的磁場.掃描時探頭的兩腳連線與裂紋走向平行,掃描方向也與裂紋平行.信號檢測特征如圖1(a)所示,其垂直分量的雙峰間距表征缺陷的長度信息,水平分量的極小值則與缺陷的深度信息有關(guān).

圖1 ACFM法檢測原理和探頭Fig.1 Probeand inspectingm echanism of ACFM

AC-M FL法是一種基于漏磁場檢測的方法,直流漏磁檢測(DC-M FL)也可以看成是前者在磁化場頻率為零時(恒定磁場)的情況.當(dāng)用交流磁化器對構(gòu)件磁化時,交變的電流產(chǎn)生交變的磁化場.沒有缺陷存在時,磁力線全部束縛在管壁的趨膚層內(nèi),使其飽和,當(dāng)缺陷存在時,形成交流漏磁場,頻率與交流激勵頻率相同.檢測探頭如圖2(a)所示,檢測線圈或霍爾傳感器位于兩腳之間,可檢測垂直分量和水平分量表征缺陷檢測,結(jié)果如圖2(b)所示.

圖2 AC-M FL法探頭和檢測結(jié)果特征Fig.2 Probe and inspecting results of AC-M FLm ethod

由圖1和圖2可以看出,兩者在探頭上都采用 U型磁軛作為激勵器,但 ACFM法強(qiáng)調(diào)渦流場的畸變,AC-MFL法強(qiáng)調(diào)磁場的泄露.

2 機(jī)理辨析

兩種方法名稱上很相似,勵磁系統(tǒng)相似甚至完全一致,檢測探頭也完全一致,均通過檢測線圈或霍爾傳感器獲取磁場的畸變而引起信號,這一畸變磁場為包含了缺陷信息的調(diào)制磁場,激勵信號為載波,在這一角度上二者是完全相同的,因此有必要加以區(qū)分.為剖析兩種檢測方法的內(nèi)秉特性,從仿真方面進(jìn)行了研究.

圖3 漏磁檢測模型及仿真結(jié)果Fig.3 FEA model and results of magnetic flux leakage testing

2.1 辨析的困難

由于 AC-M FL法和直流漏磁檢測具有相同的理論基礎(chǔ),認(rèn)為是缺陷處的漏磁場引起信號,那么它就應(yīng)該與直流漏磁檢測具有相同的信號特征,只不過是激勵的方式不同而已.為有利于對比研究,首先分析直流線圈的漏磁檢測結(jié)果,實(shí)現(xiàn)對材料縱向磁化,檢測橫向裂紋.

計(jì)算模型如圖3所示,包括勵磁線圈、鋼帶和空氣,鋼帶含有橫向裂紋,裂紋走向與線圈軸線垂直.因此根據(jù)勵磁線圈和鋼帶為對稱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),僅分析實(shí)體模型的 1/2部分.鋼帶厚度為 2mm,寬度為18mm,長度為 30 mm.橫向裂紋為 0.2mm寬(y方向),6.25 mm長(x方向),0.1mm深(z方向).圖3為有限元分析的結(jié)果.垂直分量 Bz形成雙峰值,水平分量 By為單峰值,這是漏磁檢測技術(shù)檢測橫向裂紋的典型信號特征.

對 ACFM法進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn),探頭能以平行于裂紋走向方向掃查對裂紋實(shí)施檢測,即檢測縱向裂紋,也可垂直裂紋檢測走向掃查,即檢測橫向裂紋.檢測橫向裂紋時,TSC公司在其 ACFM金屬裂紋檢測儀工作手冊中已經(jīng)指出,水平分量 By不是下降而是上升,Bz仍和縱向淺裂紋顯示的一樣呈現(xiàn)雙峰值現(xiàn)象,從而蝶形圖上升而不是下降,如圖4所示,值得注意的是,這也正是漏磁檢測法的檢測特征,Bz具有雙峰值,By具有極大值,同圖3(b),3(c)基本一致.由于兩種方法具有相同的檢測特征,使得它們無法被區(qū)分,因此對其機(jī)理的剖析遇到了困難.

2.2 一種有效區(qū)分的方法

原理上,兩種方法均通過檢測線圈或霍爾傳感器獲取了信號,缺陷信息蘊(yùn)含其中.ACFM法采集的畸變磁場是由于缺陷干擾了均勻流動的渦流,感應(yīng)電流因遇缺陷偏轉(zhuǎn)感應(yīng)的再生磁場;AC-M FL法是缺陷處的直接泄露場為傳感器所采集,缺陷信息調(diào)制在載波上,但并非是電流的擾動引起,即初級磁場,而 ACFM法采集的是感應(yīng)的次級磁場.AC-M FL法的磁力線垂直于缺陷,具有最大的檢測靈敏度;ACFM法在工件中的感應(yīng)電流與缺陷垂直時,具有最大的檢測靈敏度.但 2.1的分析中對兩種方法無法有效區(qū)別,研究 ACFM法的信號檢測特征時可發(fā)現(xiàn),其探頭掃描路徑為平行于裂紋的走向時,表現(xiàn)出圖1所示的信號特征.為有利于對比,AC-M FL法的磁軛式探頭也采用兩腳連線和掃描方向均與裂紋走向平行的方式,進(jìn)一步按照其磁場的特性轉(zhuǎn)換成直流漏磁的磁化方式,即為線圈軸向磁化檢測鋼板的縱向裂紋,為能檢出缺陷,采用了比傳統(tǒng)漏磁檢測法更大的磁化強(qiáng)度.模型參數(shù)同圖3一致,僅裂紋為縱向裂紋,與線圈的軸向一致,參數(shù)仍為 0.2 mm寬(x方向),6.25 mm長 (y方向),0.1 mm深(z方向).為模擬實(shí)際檢測的運(yùn)行狀態(tài),仿真采用動態(tài)仿真,即鋼板移動,線圈不動,提取線圈中心處距工件表面 0.5 mm距離的數(shù)據(jù),仿真結(jié)果如圖5(a),5(b)所示,可以看出,施加強(qiáng)縱向磁化后,縱向裂紋也能被檢出.其垂直分量仍表現(xiàn)為雙峰值,分別對應(yīng)裂紋的兩側(cè)尖端,水平分量在探頭進(jìn)入和離開裂紋端部時有個明顯的峰值,在裂紋中部緩慢下降,形成局部極小值,而在裂紋尖端的兩側(cè),信號急劇下降,達(dá)到極小值.

由圖5(b)可以看出,裂紋處的磁場為背景磁場和泄露磁場的疊加,當(dāng)無泄露磁場時,其磁場就表現(xiàn)為背景磁場,因此無論橫、縱向裂紋,By信號的特征都是在無缺陷時是一定值,有缺陷處磁場值因泄露磁場而數(shù)值增大.考慮到施加電流方向的問題,把激勵的方向反向,則結(jié)果如圖5(c)所示,在缺陷處的磁場數(shù)值的絕對值同樣增大,符合漏磁場作用的結(jié)果特征.盡管 AC-M FL法采用了 U型磁軛式探頭,由于它與直流漏磁檢測法具有一致的檢測機(jī)理,因此上述檢測特征也同樣適用.

圖4 ACFM法橫向裂紋的檢測結(jié)果Fig.4 Inspecting results of ACFM method ob tained w hen scaaning over transverse crack

圖5 縱向裂紋仿真結(jié)果Fig.5 FEA results of steel strip with longitudinal crack

綜合圖1的 ACFM法和圖5的 AC-M FL法的信號特征,至此辨析了這兩種檢測方法,能區(qū)分兩種方法的有效途徑是,當(dāng)探頭檢測縱向裂紋時(檢測橫向裂紋無法區(qū)分):如果缺陷處水平分量磁場的幅值大于無缺陷處的幅值,則為 AC-M FL法;如果缺陷處水平分量磁場的幅值小于無缺陷處的幅值,則為ACFM法.

2.3 U型磁軛式探頭的信號特征

為更有效地說明問題,對 U型磁軛式探頭模型進(jìn)行了仿真,考慮了鋼板中的渦流效應(yīng).有限元模型如圖6所示,探頭參數(shù)同 AC-M FL法相仿.激勵頻率為 6 k Hz,以電流密度加載為 9×105A/m.裂紋參數(shù)為 0.8 mm寬(x方向),8 mm長(y方向),2mm深(z方向).仿真采用動態(tài)仿真,即磁軛、激勵線圈在裂紋上方沿 y方向移動,提離距離不變,在探頭的每個位置上提取磁軛中心處距工件表面一定距離的數(shù)據(jù).表1為仿真模型參數(shù).

圖6 U型磁軛式探頭有限元模型Fig.6 FEA model of U-shape inducer

表1 模型參數(shù)Tab.1 Condition of FEA m odel

其仿真結(jié)果如圖7所示(y為 0 mm處是裂紋中心,仿真結(jié)果為探頭以裂紋中心為起點(diǎn)向右移動12mm的磁場結(jié)果).由圖可以看出水平分量 By在裂紋處比無裂紋處小,在裂紋端部也有一定小幅上升,在無缺陷處維持一定的磁場,這表現(xiàn)為 ACFM法的檢測特征.圖7的 By的特征與設(shè)想的并不一致,而恰好相反.

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Relation between of flux density and the distance from the cen ter of the crack in steel strip

上述結(jié)果無法用 AC-M FL法原理解釋,但用 ACFM法原理能解釋,當(dāng)電流經(jīng)過含缺陷工件表面時,電流向缺陷兩端和底面偏轉(zhuǎn),使流經(jīng)缺陷面的電流強(qiáng)度減小,缺陷越深的地方,電流線越稀疏,感應(yīng)磁場磁通密度值也就越小,當(dāng)探頭沿著缺陷表面進(jìn)行掃描時,水平分量 By出現(xiàn)一個寬凹陷區(qū).由此說明,對于此種尺寸的探頭,施加的激勵如上所述時,表現(xiàn)的是 ACFM法,并非 AC-M FL法.對其它參數(shù)的探頭應(yīng)進(jìn)一步開展仿真和試驗(yàn)研究,探索其檢測機(jī)理.

3 結(jié) 論

ACFM法和 AC-M FL法都采用了 U型磁軛式探頭,其勵磁系統(tǒng)參數(shù)和信號處理方式多有相似之處,機(jī)理卻截然不同.本文采用了有限元仿真的方法,利用 AC-M FL法與 DC-MFL法有相同檢測機(jī)理的特點(diǎn),剖析了基于 U型磁軛式探頭的兩種無損檢測方法的檢測特征,兩者在檢測縱向裂紋時信號的水平分量 By有相反的特征,基于此,提出了一種可以有效判別的方法.對 U型磁軛式探頭的仿真表明,其信號表征為 ACFM法,并非 AC-M FL法.對其它參數(shù)的 U型磁軛式探頭將進(jìn)一步進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究,為理論分析和工程實(shí)踐提供參考.

[1] Papaelias M P,Lugg M C,Roberts C,et a l.High speed inspection of rails using ACFM techniques[J].NDT&E International,2009,42:328-335.

[2] 唐鶯,郭希玲,潘孟春,等.不同參量對缺陷交變漏磁場影響的仿真及驗(yàn)證 [J].無損檢測,2008,30(9):577-579,612.

Tang ying,Guo xiling,Panmengchun,et al.Simulation and verification o f the influence o f various param eters on the defect alternating currentmagnetic field leakage[J].Nondestructive Testing,2008,30(9):577-579,612.(in Chinese)

[3] David T,Lugg A A C.Filed measurement system fordetecting and sizing defects in a conductorvia fixed orthogonal coils:U.S.A,5574376[P].1996-11-12.

[4] George R.Sensor head for ACFM based crack detection:U.S.A,6400146[P].2002-06-04.

[5] 李偉,陳國明.U型 ACFM激勵探頭的仿真分析 [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(14):3131-3134+3162.

Liwei,Chen guom ing.Simu lation analysis of U-shape inducer for ACFM[J].Journal of System Simulation,2007,19(14):3131-3134+ 3162.(in Chinese)

[6] Gotoh Y,Sakurai K.Electromagnetic inspection method of outer side defect on smalland thick steel tubeusing both AC and DC magnetic fields[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(10):4467-4470.

[7] Gotoh Y,TakahashiN.Proposalof Detecting Method of Outer side crack by alternating flux leakage testing using 3-D non linear FEM[J].IEEE Transactions on Magnetics,2006,42(4):1415-1418.

[8] Gotoh Y,Takahashi N.Study on p rob lems in detecting p lural cracks by a lternating flux leakage testing using 3-D nonlinear eddy current analysis[J].IEEE Transactions on Magnetics,2003,39(31):1527-1530.

[9] Lim Z S Son D R.Inspection of Defects on the Ro ll Surface Using AC Magnetic Flux Leakage Method[C].15th W orld Conference on Nondestructive Testing,Roma(Italy),2000-10-15～21.

[10] John P.Magnetic flux leakage system and method:U.S.A,2008/0106260 A1[P].2008-05-08.