蔣維宇 李 偉 張宗華 袁新安 葛玖浩 趙建明 馬維平

(1. 中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580； 2. 山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院棗莊分院 山東棗莊 277100)

近年來，隨著海洋工程領(lǐng)域不斷發(fā)展，許多海上設(shè)施諸如海洋平臺(tái)、海底管道等逐漸進(jìn)入了服役壽命的中后期。由于海洋設(shè)備長期工作在嚴(yán)峻的海洋環(huán)境下[1-2]，受洋流、風(fēng)暴、高壓、大載荷等極端環(huán)境載荷的影響，結(jié)構(gòu)物表面的局部微小裂紋在腐蝕和外力作用下可快速發(fā)展并引起結(jié)構(gòu)失效，如疲勞、斷裂和腐蝕等。近年來水下井口泄漏、海洋平臺(tái)倒塌以及管道泄漏等國內(nèi)外數(shù)起嚴(yán)重災(zāi)難均與水下結(jié)構(gòu)物失效有關(guān)。據(jù)美國海洋能源管理規(guī)劃執(zhí)法局(BOEMRE)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2001—2007年，美國共發(fā)生了1 443 起大型海洋油氣事故，其中 476 起火災(zāi)事故及356 起嚴(yán)重泄漏污染事故造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境破壞[3-4]。因此，定期對(duì)海上設(shè)備進(jìn)行有效檢測(cè)和安全評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)海洋結(jié)構(gòu)物微小裂紋，并制定維修或改裝方案，對(duì)保障海洋結(jié)構(gòu)物安全服役、預(yù)防重大海洋事故、保證作業(yè)人員安全具有重大意義[5]。

由于受到海洋惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)物表面附著物堆積、信號(hào)衰減嚴(yán)重等因素干擾，水下結(jié)構(gòu)物的缺陷檢測(cè)存在檢測(cè)效率低下、操作難度系數(shù)高、檢測(cè)費(fèi)用昂貴等問題。當(dāng)前，國內(nèi)外主要水下無損檢測(cè)方法有目視檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、交流電磁場檢測(cè)等，其中前3種檢測(cè)方法均需對(duì)水下結(jié)構(gòu)物表面進(jìn)行大面積清理。此外，目視檢測(cè)主要依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)來判定缺陷損傷，時(shí)間及勞動(dòng)成本高[6]；磁粉檢測(cè)由于存在洋流干擾，導(dǎo)致磁粉難以吸附在結(jié)構(gòu)物表面而造成檢測(cè)難以實(shí)施[7-8]；超聲檢測(cè)則需要探頭與結(jié)構(gòu)物表面緊密貼合，但水下結(jié)構(gòu)物表面凹凸不平且海洋環(huán)境中存在復(fù)雜噪聲信號(hào)，導(dǎo)致超聲信號(hào)易受干擾而造成檢測(cè)困難[9-10]；而渦流檢測(cè)技術(shù)由于對(duì)提離擾動(dòng)敏感，且探頭與結(jié)構(gòu)表面提離高度有限，難以適應(yīng)水下結(jié)構(gòu)物復(fù)雜的表面工況[11-12]。

交流電磁場檢測(cè)(Alternating Current Field Measurement，ACFM)是一種新興的無損檢測(cè)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物缺陷的檢測(cè)與評(píng)估[13-14]。該技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，通過對(duì)激勵(lì)線圈加載激勵(lì)信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)探頭靠近試件表面時(shí)，將在試件表面感應(yīng)出均勻的電場；當(dāng)感應(yīng)電場遇到缺陷時(shí)，電場將從缺陷的兩端和底部繞過，從而引起缺陷周圍磁場的擾動(dòng)，最終通過提取空間畸變磁場信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析[15-16]。該技術(shù)產(chǎn)生的均勻感應(yīng)電流對(duì)提離不敏感，能夠穿透水下結(jié)構(gòu)物上的附著物及涂層對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，無需清理或僅需少量簡單清理結(jié)構(gòu)物表面附著物即可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。目前，英國天然氣公司和殼牌聯(lián)合推出了ACFM缺陷可視化項(xiàng)目，TSC公司依據(jù)ACFM理論開發(fā)出第3代水下結(jié)構(gòu)缺陷ACFM檢測(cè)U31系列儀器[17-18]。PETROBRAS石油公司采用ACFM替代MPI技術(shù)進(jìn)行了水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)，2年節(jié)省了150萬美元；澳大利亞將ACFM探頭安裝于ROV的機(jī)械手上用于深海檢測(cè)，效果良好[19]。

不銹鋼材料在海水環(huán)境中有著廣泛應(yīng)用，由于不導(dǎo)磁、電導(dǎo)率小，表面微小裂紋檢測(cè)一直是無損檢測(cè)行業(yè)的一大難題。根據(jù)Smith等[20]開展的不銹鋼裂紋檢測(cè)結(jié)果，國外交流電磁場檢測(cè)技術(shù)對(duì)不銹鋼板表面長度低于5 mm，深度小于1 mm的微小裂紋檢出率較低，很容易造成缺陷的漏檢。針對(duì)以上問題，本文基于交流電磁場檢測(cè)技術(shù)對(duì)水下不銹鋼結(jié)構(gòu)物表面微小裂紋開展研究，建立了水下ACFM探頭仿真模型，通過提取裂紋特征信號(hào)，研發(fā)了水下ACFM高靈敏度裂紋檢測(cè)探頭，并通過水下裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該探頭的裂紋檢測(cè)精度，結(jié)果表明所研發(fā)的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測(cè)探頭可有效提高不銹鋼薄板表面微小裂紋檢測(cè)能力，為水下結(jié)構(gòu)缺陷早期裂紋預(yù)警及結(jié)構(gòu)物長期安全服役提供技術(shù)支持，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 水下ACFM檢測(cè)探頭仿真模型建立

水下檢測(cè)探頭的激勵(lì)模塊以U型錳鋅鐵氧體磁芯作為基體，采用0.15 mm的銅絲緊密纏繞于磁芯上。由于海水環(huán)境的復(fù)雜性，在傳統(tǒng)理論模型基礎(chǔ)上建立ACFM檢測(cè)探頭仿真模型時(shí)，一般都要考慮海水電磁特性參數(shù)對(duì)ACFM電磁感應(yīng)交互作用的影響。電磁波在海水中的衰減幅度與電磁波頻率成正相關(guān)，水下交流電磁場技術(shù)一般選用低頻正弦信號(hào)，且探頭與結(jié)構(gòu)物之間的距離較小，因此電磁波在微小提離之間的海水介質(zhì)傳播時(shí)衰減幅度較小，可忽略海水對(duì)電磁場傳播的影響[21-22]?；谝陨显瓌t，本文采用ANSYS軟件建立水下ACFM裂紋檢測(cè)仿真模型(圖1)，模型中裂紋尺寸長度為5 mm，深度為4.5 mm，寬度為0.2 mm，具體模型參數(shù)見表1。

圖1 水下ACFM檢測(cè)仿真模型

參數(shù)數(shù)值導(dǎo)線直徑/mm0.15線圈匝數(shù)500試件材料低碳鋼加載電流/A0.1電流頻率/Hz1000海水磁導(dǎo)率/(H·m-1)4π×10-7海水電導(dǎo)率/(S·m-1)3.32

提取不同深度裂紋正上方2 mm(即提離2 mm)位置X方向磁感應(yīng)強(qiáng)度(沿著裂紋方向，記為Bx)和Z方向磁感應(yīng)強(qiáng)度(垂直于試塊方向，記為Bz)的磁畸變數(shù)值(圖2)，可以看出特征信號(hào)Bx在裂紋中心位置出現(xiàn)波谷，同時(shí)特征信號(hào)Bz在裂紋兩端出現(xiàn)方向相反的峰值，即Bx和Bz畸變規(guī)律與ACFM原理一致。在實(shí)踐中，由于水下結(jié)構(gòu)物的附著物較多，探頭經(jīng)常發(fā)生抖動(dòng)，很容易引入各類振動(dòng)信號(hào)。實(shí)際上，探頭抖動(dòng)是探頭與試件的提離發(fā)生變化，由于Bz在不同提離下的背景磁場均為0，對(duì)探頭提離具有較大抗干擾性，有利于水下缺陷的判定；而特征信號(hào)Bx背景磁場數(shù)值較大，很容易受到提離影響，且Bx磁場畸變量在背景磁場中數(shù)值較小，很容易被噪聲信號(hào)掩蓋呈現(xiàn)不規(guī)律性。因此，針對(duì)水下ACFM高靈敏度檢測(cè)探頭，將Bz作為微小裂紋判定的特征信號(hào)。

圖2 試塊裂紋上方畸變磁場特征信號(hào)

2 水下ACFM檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)

2.1 探頭整體結(jié)構(gòu)

探頭的檢測(cè)靈敏度是水下ACFM探頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響到整個(gè)探頭檢測(cè)的靈敏度和精度。本文設(shè)計(jì)的水下ACFM高靈敏度探頭主要由激勵(lì)線圈、檢測(cè)傳感器、信號(hào)初處理模塊和密封殼體等組成，如圖3所示。

圖3 本文設(shè)計(jì)的水下ACFM探頭結(jié)構(gòu)

激勵(lì)線圈采用0.15 mm漆包銅線在U型錳鋅鐵氧體磁芯的橫梁上均勻纏繞500圈，檢測(cè)傳感器設(shè)置在U型磁芯底部中心，探頭殼體內(nèi)部設(shè)有信號(hào)預(yù)處理模塊，對(duì)檢測(cè)到的微弱磁場信號(hào)進(jìn)行初步放大處理。探頭第一級(jí)密封采用水壓自緊式密封，蓋板與探頭殼體之間設(shè)有密封墊，依靠螺釘施加預(yù)緊力；隨著水壓增大，密封更加嚴(yán)密。探頭殼體槽內(nèi)設(shè)有O型密封圈，依靠其形變形成第二級(jí)密封。探頭與外界通訊采用水密封連接器。

2.2 檢測(cè)傳感器

不銹鋼薄板具有不導(dǎo)磁、電導(dǎo)率小的特性，工件表面感應(yīng)的電流場在微小裂紋周圍擾動(dòng)不明顯，引起的空間磁場畸變信號(hào)較小，導(dǎo)致傳統(tǒng)線圈式磁場傳感器難以有效獲取裂紋周圍畸變信息，造成裂紋的漏檢。基于電子自旋效應(yīng)所研制的隧道磁阻磁場傳感器是近年新興的一種低功耗、高靈敏度、小體積磁場傳感器，在磁信息讀寫、生物信息與高精度磁場檢測(cè)等方面得到越來越廣泛的關(guān)注。本文對(duì)比了傳統(tǒng)霍爾(Hall)、各向異性磁電阻(AMR)、巨磁阻(GMR)和TMR磁場傳感器在封裝尺寸、靈敏度和功耗上的各項(xiàng)參數(shù)(表2)，結(jié)果表明TMR磁場傳感器有較大的線性范圍、極低的功耗、更高的靈敏度、更小的封裝尺寸，非常適合于微弱磁場檢測(cè)。本文選擇TMR作為檢測(cè)傳感器，該傳感器采用了獨(dú)特的推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用供差分電壓輸出，當(dāng)磁場強(qiáng)度在-100～100 Oe時(shí)，傳感器輸出電壓成線性變化，具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，滿足水下ACFM磁場檢測(cè)需求。將TMR磁場傳感器焊接在電路板上，并置于U型磁芯的中間底部位置，保持磁場傳感器距離試件表面提離高度為2 mm。該磁場傳感器輸出一路差分信號(hào)，記為Bz+、Bz-。

表2 不同磁場傳感器技術(shù)參數(shù)對(duì)比

2.3 信號(hào)初處理模塊

TMR磁場傳感器檢測(cè)到的缺陷周圍畸變的磁場信號(hào)通常十分微弱，感應(yīng)磁場產(chǎn)生的電壓信號(hào)范圍在±0.1V左右，且含有較多的高頻和靜電等噪聲信號(hào)以及工頻的干擾，需要對(duì)TMR傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理。信號(hào)初處理模塊以集成運(yùn)算放大器和濾波處理電路為核心，其中選擇AD620作為磁場傳感器輸出信號(hào)的運(yùn)算放大器模塊。利用AD620對(duì)獲得的Bz信號(hào)放大100倍，借助電路中的RC低通濾波器濾出高頻噪聲信號(hào)，輸出Bz單端信號(hào)。最終設(shè)計(jì)的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測(cè)探頭如圖4所示。

圖4 水下ACFM高靈敏度裂紋檢測(cè)探頭

3 水下ACFM檢測(cè)探頭裂紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 水下ACFM檢測(cè)探頭裂紋測(cè)試系統(tǒng)

水下ACFM檢測(cè)探頭裂紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。該測(cè)試系統(tǒng)主要包括水下探頭、水下艙體和上位機(jī)，其中水下艙體內(nèi)設(shè)有激勵(lì)模塊和阿爾泰NET2801以太網(wǎng)信號(hào)采集卡，利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)的長距離傳輸，具體參數(shù)見表3。激勵(lì)模塊產(chǎn)生信號(hào)幅值為5 V、頻率為1 000 Hz的正弦波加載至U型激勵(lì)線圈上，U型激勵(lì)線圈在工件表面產(chǎn)生均勻電場。當(dāng)裂紋出現(xiàn)時(shí)，電場在裂紋深度方向和裂紋兩端發(fā)生偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)電流引起空間磁場畸變，位于探頭內(nèi)的高靈敏度TMR磁場傳感器可獲取裂紋特征信號(hào)Bz；特征信號(hào)經(jīng)過探頭內(nèi)部初處理后進(jìn)入艙體內(nèi)的采集卡，采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸至計(jì)算機(jī)。

圖5 水下ACFM檢測(cè)探頭裂紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理圖

參數(shù)數(shù)值輸入量程/ V±10采樣速率/Hz31～250輸入量程32路單端AD轉(zhuǎn)換時(shí)間/μs≤1.25工作溫度范圍/℃-40～+85程控增益1/2/4/8倍非線性誤差/ LSB±3精度0.1%轉(zhuǎn)換精度/位16 模擬輸入阻抗/ MΩ10

基于LabVIEW和MATLAB編寫的裂紋識(shí)別程序,計(jì)算機(jī)首先對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理，對(duì)獲取的正弦時(shí)域信號(hào)采用求均值方法處理得到缺陷特征信號(hào)Bz。在無缺陷時(shí)，特征信號(hào)Bz保持某一數(shù)值不變，其斜率變化為0；當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，特征信號(hào)Bz出現(xiàn)正負(fù)相反的峰值，信號(hào)幅值產(chǎn)生較大變化率，信號(hào)斜率產(chǎn)生極大峰值。本文對(duì)獲取的電壓信號(hào)bz曲線求斜率，若bz斜率大于0，則放大100倍信號(hào)畸變；若bz斜率小于0，則乘以小于1的數(shù)進(jìn)行衰減，從而衰減噪聲信號(hào)，增強(qiáng)缺陷信號(hào)的識(shí)別能力，得到缺陷識(shí)別曲線。該識(shí)別曲線數(shù)值大小僅代表bz電壓信號(hào)曲線斜率經(jīng)過放大縮小運(yùn)算后的數(shù)值，無量綱，最后與輸入大小閾值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)缺陷的實(shí)時(shí)判定。

3.2 不同長度裂紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試不銹鋼表面不同尺寸的微小裂紋，本文設(shè)計(jì)了2類缺陷試塊。第1件試塊設(shè)有不同長度裂紋(圖6)，裂紋深度為1 mm、寬度為0.2 mm，裂紋長度見表4。

利用水下ACFM高靈敏度檢測(cè)探頭以1 mm/s的速度勻速掃過裂紋，探頭內(nèi)部TMR傳感器拾取裂紋上方畸變磁場信號(hào)Bz，最終獲得電壓信號(hào)bz，并對(duì)bz求斜率(圖7)。不同長度裂紋的電壓信號(hào)bz出現(xiàn)較多畸變，僅能確定后3個(gè)較大畸變?yōu)榱鸭y信號(hào)(圖7a)。對(duì)電壓信號(hào)bz求斜率后，未出現(xiàn)缺陷位置的信號(hào)變化幅度較緩，信號(hào)斜率接近于0；當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，特征信號(hào)產(chǎn)生一定擾動(dòng)，該擾動(dòng)經(jīng)過求斜率后放大，得到信噪比較高的5個(gè)峰值(圖7b)。通過引入缺陷閾值，將缺陷識(shí)別曲線與閾值比較，能實(shí)時(shí)判定缺陷的存在，識(shí)別軟件顯示存在5個(gè)裂紋。這表明，該水下ACFM檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)表面深度1 mm、長度1.5 mm的微小短裂紋的有效識(shí)別。

圖6 水下裂紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)所用的不銹鋼裂紋試塊(不同裂紋長度)

編號(hào)裂紋長度/mm編號(hào)裂紋長度/mm10.553.021.064.031.575.042.0

圖7 不同長度裂紋上方的畸變磁場信號(hào)

3.3 不同深度裂紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)

第2件試塊設(shè)有不同深度裂紋(圖8)，裂紋長度均為5 mm，裂紋寬度0.2 mm，裂紋深度尺寸如表5所示。

圖8 水下裂紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)所用的不銹鋼裂紋試塊(不同裂紋深度)

編號(hào)裂紋深度/mm編號(hào)裂紋深度/mm14.551.524.061.033.070.542.0

針對(duì)不同深度的裂紋，利用水下ACFM高靈敏度檢測(cè)探頭按照掃查方向以1 mm/s的速度進(jìn)行掃查，得到特征信號(hào)Bz，通過傳感器最終獲得電壓信號(hào)bz，并對(duì)bz求斜率 (圖9)。不同深度裂紋的電壓信號(hào)bz出現(xiàn)7個(gè)正反峰值，對(duì)應(yīng)7個(gè)裂紋的特征信號(hào)(圖9a)，表明該水下ACFM高靈敏度裂紋檢測(cè)探頭可有效檢測(cè)實(shí)驗(yàn)所用的不銹鋼薄板試塊的所有裂紋。對(duì)bz信號(hào)求斜率后進(jìn)行放大，得到7個(gè)較大的曲線峰值，通過與閾值對(duì)比可實(shí)現(xiàn)所有裂紋的在線判定(圖9b)。由此可見，本文所設(shè)計(jì)的水下ACFM裂紋檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)表面長度5 mm、深度0.5 mm微小淺裂紋的有效識(shí)別。

圖9 不同深度裂紋上方的畸變磁場信號(hào)

4 結(jié)論

以海洋環(huán)境水下結(jié)構(gòu)物不銹鋼薄板微小裂紋檢測(cè)為研究對(duì)象，研發(fā)了基于TMR傳感器的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測(cè)探頭，并搭建水下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：利用求梯度方法能夠有效地抑制噪聲信號(hào)干擾，提高微小裂紋信號(hào)的信噪比，通過引入缺陷閾值即可實(shí)現(xiàn)裂紋的實(shí)時(shí)在線自動(dòng)判定；本文所設(shè)計(jì)的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測(cè)探頭可借助裂紋磁場特征信號(hào)實(shí)現(xiàn)不銹鋼薄板表面深度1 mm、長度1.5 mm微小短裂紋和表面長度5 mm、深度0.5 mm微小淺裂紋的有效識(shí)別。本文研究成果可為水下結(jié)構(gòu)缺陷早期裂紋預(yù)警及結(jié)構(gòu)物長期安全服役提供技術(shù)支持，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。