陳 晨，孫宏達(dá)，文青山，宋 凱

(1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院 順德檢測(cè)院，廣東佛山 528300；2.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

0 引言

蒸壓釜屬大型壓力容器，廣泛用于建筑、化工、醫(yī)藥、橡膠和玻璃制品等采用壓力蒸壓生產(chǎn)工藝的行業(yè)中[1]。蒸壓釜工況為高溫高壓，使用過(guò)程中承受溫差與壓力循環(huán)交變載荷，因此極易導(dǎo)致法蘭釜齒根部應(yīng)力集中、產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而引發(fā)釜齒失效，造成嚴(yán)重爆炸事故[2]。某特種設(shè)備檢驗(yàn)所曾對(duì)一管樁廠(chǎng)2臺(tái)投用不久的蒸壓釜進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)90%的法蘭釜齒存在不同程度的裂紋，因此對(duì)蒸壓釜法蘭釜齒進(jìn)行定期檢測(cè)顯得十分重要[3]。蒸壓釜屬于鐵磁性材質(zhì)，在實(shí)際檢測(cè)中，通常使用磁粉和宏觀(guān)檢測(cè)方法，該類(lèi)方法雖能檢出蒸壓釜大部分缺陷，但由于蒸壓釜法蘭釜齒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面覆蓋異物，通常面臨對(duì)工件表面要求高、檢測(cè)周期長(zhǎng)、速度慢及檢測(cè)精度不高等問(wèn)題，導(dǎo)致釜齒根部裂紋檢出困難。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)(Alternating Current Field Measurement，簡(jiǎn)稱(chēng)ACFM)是近幾年在渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[4-7]，該技術(shù)最早由英國(guó)倫敦大學(xué)的研究人員提出，隨后英國(guó)TSC公司研制了相應(yīng)的儀器并用于實(shí)際檢測(cè)。Mirshekar-Syahkal等[8-9]提出了一種高靈敏度ACFM傳感器，通過(guò)施加交流信號(hào)于菱形線(xiàn)圈上，單個(gè)探頭可作為差分探頭使用，具有更高的檢測(cè)靈敏度，為ACFM傳感器的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。Nicholson等[10]利用 COMSOL Multiphysics軟件對(duì)ACFM檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。吳江等[11]基于A(yíng)CFM檢測(cè)原理，研究了激勵(lì)頻率對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，數(shù)值分析結(jié)果認(rèn)為，對(duì)于鐵磁性材料，激勵(lì)頻率與裂紋深度方向檢測(cè)靈敏度成正比；對(duì)于非鐵磁性材料，激勵(lì)頻率與裂紋深度方向檢測(cè)靈敏度為非線(xiàn)性關(guān)系。宋凱等[12]通過(guò)對(duì)ACFM掃查方向進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)探頭掃查方向與U形磁軛兩腳連線(xiàn)平行時(shí)，對(duì)于縱向裂紋，可根據(jù)Bz曲線(xiàn)極性相反的峰值評(píng)價(jià)缺陷長(zhǎng)度；根據(jù)Bx曲線(xiàn)的極小值評(píng)價(jià)缺陷深度。冷建成等[13]將交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到儲(chǔ)油罐角焊縫的檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法檢測(cè)靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)焊縫裂紋的定性定量評(píng)估。潘曉明等[14]研究了ACFM檢測(cè)信號(hào)與在役管道焊縫缺陷之間的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)ACFM具有檢測(cè)速度快、能定量評(píng)估缺陷且對(duì)油漆等非金屬涂層不敏感等優(yōu)勢(shì)。李偉等[15]通過(guò)搭建ACFM檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同深度的水下結(jié)構(gòu)物人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)，提高了實(shí)驗(yàn)室條件下的檢測(cè)精度。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)ACFM的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)室研究階段，還未就蒸壓釜釜齒裂紋的檢測(cè)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究。

本文以蒸壓釜釜齒裂紋的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用為背景，研制基于A(yíng)CFM的釜齒裂紋檢測(cè)系統(tǒng)和針對(duì)釜齒裂紋檢測(cè)的專(zhuān)用傳感器，研究釜齒裂紋角度對(duì)缺陷檢測(cè)信號(hào)的影響，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及磁粉復(fù)檢，進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 ACFM檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ACFM檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要由計(jì)算機(jī)、ACFM檢測(cè)儀和ACFM傳感器組成。ACFM檢測(cè)儀設(shè)計(jì)主要包括激勵(lì)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、AD采集模塊以及上位機(jī)數(shù)據(jù)分析模塊。激勵(lì)模塊產(chǎn)生功率足夠大的正弦信號(hào)作用于A(yíng)CFM傳感器；信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理;AD采集模塊將提取的缺陷信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

圖1 ACFM檢測(cè)系統(tǒng)框圖

1.1 傳感器設(shè)計(jì)

蒸壓釜在運(yùn)行過(guò)程中受工作環(huán)境影響，混凝土胚料或磚料會(huì)從蒸養(yǎng)車(chē)落到釜齒表面，導(dǎo)致釜齒表面覆蓋異物，從而呈現(xiàn)出凹凸不平的形貌，因此需克服由于檢測(cè)面凹凸不平對(duì)檢測(cè)信號(hào)帶來(lái)的影響。ACFM檢測(cè)傳感器見(jiàn)圖2，激勵(lì)線(xiàn)圈纏繞在U形鐵氧體構(gòu)成傳感器激勵(lì)部分，檢測(cè)部分由Bx和Bz圓形線(xiàn)圈構(gòu)成，Bx線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)平行于工件表面放置，用于表征缺陷深度信息；Bz線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)垂直于工件表面放置，用于表征缺陷長(zhǎng)度信息。傳感器線(xiàn)圈參數(shù)見(jiàn)表1，可實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，且有效地抑制提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。

圖2 ACFM檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)示意

表1 傳感器線(xiàn)圈參數(shù)

被檢測(cè)對(duì)象為蒸壓釜法蘭釜齒，如圖3所示。針對(duì)法蘭釜齒自然裂紋發(fā)生位置以及裂紋走向統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，自然裂紋均處于蒸壓釜法蘭釜齒的R角以及與R角相鄰的側(cè)立面且靠近R角區(qū)域，深度方向沿R角向內(nèi)，長(zhǎng)度方向沿著R角方向。為保證傳感器在進(jìn)行掃查時(shí)能夠有效貼合法蘭釜齒檢測(cè)面，傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為L(zhǎng)形，檢測(cè)部位設(shè)計(jì)為R角結(jié)構(gòu)，R角半徑為4.1 mm，傳感器檢測(cè)部位長(zhǎng)5 mm，寬度5 mm，如圖4(a)所示。U形磁軛兩腿根部設(shè)計(jì)成R角結(jié)構(gòu)，Bx檢測(cè)線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)平行于傳感器外殼R角走向，Bz線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)垂直于傳感器外殼R角走向，使得傳感器整體結(jié)構(gòu)能夠有效貼合法蘭釜齒R角區(qū)域，如圖4(b)所示。

(a)蒸壓釜法蘭釜齒

(b)缺陷分布示意

(a)ACFM檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)示意 (b)實(shí)際貼合效果

1.2 激勵(lì)模塊

激勵(lì)模塊包含信號(hào)發(fā)生和功率放大兩部分。系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)直接控制AD9959高速數(shù)字合成芯片產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)SPI通訊方式將相位、頻率、幅度控制字寫(xiě)入AD9959寄存器進(jìn)行輸出控制。功率放大模塊采用芯片為OPA549，通過(guò)調(diào)節(jié)外部電阻大小，使其滿(mǎn)足激勵(lì)線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)功率，電路輸出端并聯(lián)電阻和電容串聯(lián)接地電路，便于調(diào)節(jié)輸出阻尼，使輸出特性更加平穩(wěn)。

1.3 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊包括前置放大電路、相敏檢波電路和后置放大電路三部分。前置放大電路將含有缺陷信息的微弱信號(hào)經(jīng)磁-電轉(zhuǎn)化后送入鎖相放大器進(jìn)行信號(hào)提取。前置放大電路采用低功耗、高精度儀表放大器AD620，設(shè)計(jì)采用雙電源供電模式。由于單端輸入電路簡(jiǎn)單但信號(hào)容易受到干擾，采用偽差分輸入方式，既保留了單端輸入簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；又具有一定共模抑制能力。

相敏檢波電路是從噪聲信號(hào)中提取缺陷信號(hào)的關(guān)鍵，它可以檢測(cè)出與參考信號(hào)頻率相同的分量。被測(cè)信號(hào)中所包含的各種信號(hào)分量只有與參考信號(hào)相同頻率的信號(hào)才會(huì)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，因而才能夠通過(guò)低通濾波器，其他頻率的分量因?yàn)轭l率不是零而被低通濾波器濾除，該電路可從100 dB的噪聲中提取微弱信號(hào)，能夠動(dòng)態(tài)測(cè)量檢測(cè)信號(hào)幅值和相位。后置放大電路用于將相敏檢波電路輸出的直流信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大后送入A/D采集裝置，后置放大電路采用兩片AD603級(jí)聯(lián)放大，因此1 V增益控制電壓便可覆蓋增益范圍的40 dB，能夠很好地將相敏檢波后的標(biāo)量信號(hào)進(jìn)一步放大。

1.4 信號(hào)采集模塊與上位機(jī)設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊采用USB-6366型高速同步采集卡，其具有16位分辨率，采樣速率可達(dá)2 MS/s。上位機(jī)基于labvVIEW編制，由參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信號(hào)顯示模塊、閾值報(bào)警模塊和存儲(chǔ)分析模塊等5個(gè)模塊構(gòu)成。上位機(jī)運(yùn)行工作流程如圖5所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)被檢工件的材料屬性以及傳感器參數(shù)，由參數(shù)設(shè)置模塊調(diào)整檢測(cè)參數(shù)，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行平滑濾波及后置放大后送入信號(hào)顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)曲線(xiàn)并讀取當(dāng)前測(cè)量結(jié)果，閾值報(bào)警模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)需求調(diào)用存儲(chǔ)分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存或分析。

上位機(jī)采集界面見(jiàn)圖6。信號(hào)顯示模塊可再分為Bx顯示模塊、Bz顯示模塊和蝶形圖顯示模塊。Bx顯示模塊反映X方向磁場(chǎng)變化，表征缺陷深度；Bz顯示模塊反映Z方向磁場(chǎng)變化，表征缺陷長(zhǎng)度；蝶形圖顯示模塊由Bx和Bz顯示模塊合成，根據(jù)蝶形圖中信號(hào)特征進(jìn)行缺陷識(shí)別，可減小誤判率。整機(jī)ACFM缺陷檢測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖7。

圖5 ACFM檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程

圖6 上位機(jī)采集界面

圖7 ACFM缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)研究

2.1 蒸壓釜人工缺陷檢測(cè)

蒸壓釜人工試塊材料為16 Mn鋼，試塊規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為250 mm×30 mm×26 mm，R角半徑為5 mm。如圖8所示，共有7處人工缺陷，尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為3 mm×0.13 mm×1 mm，與水平方向夾角依次為0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°。

(a)1#試塊 (b)2#試塊

使用ACFM檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)上述缺陷進(jìn)行檢測(cè)，如圖9所示，0°,15°,30°,45°,60°,75°，90°缺陷信號(hào)幅值分別為375,342,256,205,296,322，350 mV。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，當(dāng)缺陷角度為0°，15°，30°時(shí)，檢測(cè)信號(hào)幅值隨著角度的增大而減??；當(dāng)缺陷角度為60°，75°，90°時(shí)，檢測(cè)信號(hào)幅值隨著角度的增大而增大；當(dāng)缺陷角度為45°時(shí)，檢測(cè)信號(hào)表現(xiàn)為拐點(diǎn)，信號(hào)幅值最小?？梢?jiàn)缺陷角度對(duì)傳感器的靈敏度有一定影響，且0°缺陷檢測(cè)效果最好。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)釜齒結(jié)構(gòu)采用圖4所示傳感器，以獲得最佳檢測(cè)效果。

圖9 不同角度缺陷對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

2.2 蒸壓釜自然缺陷檢測(cè)

利用研制的ACFM檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置激勵(lì)頻率為5 kHz，采用ACFM檢測(cè)傳感器對(duì)實(shí)際蒸壓釜法蘭釜齒R角區(qū)域以及與R角相鄰的立面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，傳感器缺陷信號(hào)表現(xiàn)為垂直向上的突變信號(hào)。為了驗(yàn)證檢測(cè)的可靠性，針對(duì)圖10中的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行磁粉檢測(cè)，結(jié)果如圖11所示。

圖10 蒸壓釜法蘭釜齒自然缺陷檢測(cè)結(jié)果

(a)1#區(qū)域

(b)2#區(qū)域

由圖11可知，蒸壓釜法蘭釜齒在圖10相應(yīng)缺陷信號(hào)處均明顯有不同規(guī)格的裂紋，經(jīng)過(guò)人工缺陷及自然缺陷的檢測(cè)，該系統(tǒng)具有很好的檢測(cè)靈敏度和可靠性。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)中還應(yīng)該注意，在掃查時(shí)粗掃確定缺陷大概位置，然后采用小區(qū)域前后重復(fù)掃查對(duì)缺陷進(jìn)行定位，且將傳感器旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行掃查，從而確定缺陷具體位置及走向，防止漏檢；檢測(cè)速度不應(yīng)過(guò)快或過(guò)慢，以10 mm/s的速度勻速掃查為佳；對(duì)于表面凹凸程度比較大的釜齒，檢測(cè)距離不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，而應(yīng)采用分段檢測(cè)，分段長(zhǎng)度根據(jù)表面實(shí)際情況確定。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)檢測(cè)釜齒結(jié)構(gòu)的ACFM傳感器，檢測(cè)部位尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為5 mm×5 mm×5 mm，U形鐵氧體兩腳部位采用R角形式，半徑為4.1 mm，該傳感器可有效貼合法蘭釜齒檢測(cè)面且獲得最佳檢測(cè)效果。

(2)研制的ACFM檢測(cè)系統(tǒng)，采用直接數(shù)字合成技術(shù)激發(fā)系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)并提供給功率放大器模塊，前置放大電路采用偽差分輸入方式，輸入模式方便且具有較高的共模抑制能力；信號(hào)調(diào)理模塊采用鎖相放大器電路，能夠動(dòng)態(tài)測(cè)量檢測(cè)信號(hào)幅值和相位；上位機(jī)軟件具有多種信號(hào)處理方法。

(3)ACFM檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為3 mm×0.13 mm×1 mm的裂紋進(jìn)行快速精準(zhǔn)檢測(cè)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，具有較好的推廣價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。