王宇欣，高宇，馬迎兵，楊會敏，袁新安，郭利峰

1.中國核電工程有限公司，北京 100840

2.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公公司，北京 101300

3.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580

0 前 言

傳統(tǒng)的焊縫檢測方法為超聲檢測（UT）和射線檢測（RT）。受晶粒度和表面盲區(qū)影響，UT不適用于薄壁不銹鋼焊縫［2］。RT需要專用時間窗口和隔離區(qū)域，在同一時空域內(nèi)不允許其他RT班組或工種交叉作業(yè)，且輻射安全風(fēng)險很大。因此，面對大工程需求，在保證質(zhì)量和安全的前提下，亟待采用先進、高效、可靠的體積檢測技術(shù)來實現(xiàn)交叉施工，提高重點工程無損檢測效率和建造經(jīng)濟性、保障建造周期。交流電磁場檢測（Alternating current field measurement，ACFM）是一種新興的表面和近表面電磁無損檢測技術(shù)，對不銹鋼等順磁性材料可檢缺陷埋深5～7 mm，具有無需標(biāo)定、非接觸、提離不敏感、無輻射及危廢等特點［3-4］，具備解決核工程項目體積檢測“瓶頸”的能力。中國核電工程有限公司牽頭聯(lián)合中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司、中國石油大學(xué)（華東）開展了ACFM科研，進行了應(yīng)用調(diào)研、系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)與集成、仿真與工藝研究、模擬驗證、缺陷檢出率分析和現(xiàn)場驗證等工作，組織了技術(shù)有效性第三方評估和人員資格考試，最終得到國家監(jiān)管部門的批復(fù)和工程應(yīng)用。

本研究主要對上述科研中的模擬驗證部分的工作進行介紹。針對工程應(yīng)用對象，設(shè)計了含不同類型、尺寸和位置缺陷的模擬試塊，分別進行ACFM和RT盲測，并對結(jié)果進行對比分析，以驗證ACFM技術(shù)有效性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和檢測工藝中全部要素的符合性。

1 試驗方法和設(shè)備

1.1 ACFM技術(shù)

ACFM技術(shù)是80年代由倫敦大學(xué)機械工程系基于交流電壓降法檢測（ACPD）的原理，用表面磁場模型代替ACPD中的表面電場模型而提出的［5］。其原理如圖1所示，是利用激勵線圈在工件中感應(yīng)出均勻的交變電流，感應(yīng)電流在缺陷和腐蝕等位置產(chǎn)生擾動，基于電場擾動引起空間磁場畸變原理，利用傳感器測量空間磁場畸變信號，從而實現(xiàn)缺陷的檢測與評估。

圖1 ACFM原理Fig.1 ACFM principle

ACFM與傳統(tǒng)的渦流（ET）［6］、射線（RT）、超聲（UT）［7］等體積檢測技術(shù)對比如表1所示。隨著ACFM技術(shù)的發(fā)展，受到了國內(nèi)外電磁無損檢測專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。Lewis等［4］研究了工件外部磁場與表面磁場的耦合，基于激勵表面電流場均勻分布場，提出了ACFM通用理論模型。Noroozi等［8］提出用模糊算法來確定任意剖面裂紋缺陷的方向。陳國明、李偉等［9-10］在缺陷反演與評估、信號處理、儀器研制等方面做了大量研究工作，研制了適用于水下和陸上的國產(chǎn)化檢測設(shè)備和軟件。

表1 ACFM與傳統(tǒng)檢測技術(shù)對比Table 1 Comparison with traditional NDT and ACFM

ACFM憑借其獨有優(yōu)勢和良好實用性已得到世界多個權(quán)威組織認可，包括中國、法國、美國、挪威、英國和德國船級社，并制定了ASME、ASNT、COFREND、ABS、API等多項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)，中國潛水打撈行業(yè)制定了T/CDSA 305.22—2017《水下鋼結(jié)構(gòu)交流電磁場裂紋檢測規(guī)程》、中國石油大學(xué)（華東）制定了山東省地方標(biāo)準(zhǔn)《金屬結(jié)構(gòu)交流電磁場檢測技術(shù)規(guī)程》，中國船級社出版了指導(dǎo)性文件《在役導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)檢測指南》，中國核工業(yè)集團有限公司制定了Q/CNNC JE 100—2022《核設(shè)施薄壁奧氏體不銹鋼焊縫交流電磁場檢測》，國家容標(biāo)委、航天行業(yè)、電力行業(yè)目前也在進行ACFM標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

1.2 試驗設(shè)備

檢測系統(tǒng)選用濟寧魯科檢測器材有限公司生產(chǎn)的LKACFM-X1型ACFM檢測儀，預(yù)置了基于科研成果定型生產(chǎn)的LKACFM-SW-03型軟件V1.0版本，以及薄壁不銹鋼專用的LKACFM-PRO-01型高靈敏度陣列式探頭，見圖2。

MASSARO鞋履坊與Christian Lacroix、John Calliano、Gianfranco Ferre、Olivier Lapidus、Thierry Mugler、Azzedine Alaia 等知名品牌合作，同時亦為其他顧客度身設(shè)計鞋子。Mademoiselle Chanel在新店開幕當(dāng)日所穿的緇黑緞質(zhì)鞋頭粉米黃涼鞋便是MASSARO的得意杰作。

圖2 ACFM系統(tǒng)Fig.2 ACFM system

由于需檢測焊縫全厚度中0.3 mm的微缺陷，圖2b中的探頭由激勵線圈、磁芯、磁場傳感器和信號處理模塊組成，采用了三個獨特的推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過圖2c中的軟件系統(tǒng)，對Bx信號進行傅里葉變換、梯度處理和降噪濾波等處理，最終超過梯度圖中所設(shè)置閾值的顯示，即為不合格。

1.3 模擬試塊設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用調(diào)研中5萬道焊口的RT結(jié)果統(tǒng)計，設(shè)計了含不同類型、尺寸和位置缺陷的模擬試塊，設(shè)計和加工原則如下：

（1）試塊采用與產(chǎn)品相同的材質(zhì)、規(guī)格、焊工、焊接方法和自動化水平；試塊的余高應(yīng)具有代表性。

（2）預(yù)埋缺陷類型應(yīng)包括裂紋，以及調(diào)研中全部典型缺陷（未熔合、未焊透、氣孔和夾鎢）。

（3）用刻槽，模擬相同長度和深度、最大埋深的裂紋和未熔合等面積型缺陷；用刻半球孔，模擬相同直徑/高度、最大埋深氣孔和夾渣等體積型缺陷。

（4）缺陷尺寸不應(yīng)超過設(shè)計文件允許的缺陷最大值；缺陷布置應(yīng)具有代表性。

（5）試塊加工孔尺寸允許偏差均為±0.05 mm，其余尺寸允許偏差均為±0.1 mm；除加工缺陷外，試塊上不允許有任何可檢出缺陷。

（6）模擬試塊應(yīng)由具有中國國家認證委員會（CNAS）或中國計量認證（CMS）資格的機構(gòu)出具合格證書和報告。

模擬試塊的管道兩側(cè)長度至少為150 mm，便于進行掃查方式的工藝試驗研究，加工圖見圖3。模擬試塊中的缺陷僅用來評價檢出能力，不用于定量閾值。

圖3 部分模擬試塊加工圖Fig.3 Simulation test block machining diagram

如圖3所示，共制作5種規(guī)格的工藝管模擬試塊39件，其中：自動焊試塊10件，預(yù)制缺陷36處；手工焊試塊29件，預(yù)制缺陷132處。制作了3 種規(guī)格的風(fēng)管模擬試塊6件：每件試塊預(yù)制缺陷7處，共42處。從缺陷制作方式上，分為預(yù)埋缺陷、加工缺陷和自然缺陷；還單獨設(shè)計了密集小孔缺陷、橫向裂紋等模擬試塊用于極限能力驗證。

1.4 檢測工藝

ACFM工藝按Q/CNNC JE100—2022《核設(shè)施薄壁不銹鋼焊縫交流電磁場檢測》執(zhí)行。通過前期仿真研究，標(biāo)準(zhǔn)試塊選用1號孔，探頭頻率為1 kHz，低頻可提高電磁信號的穿透深度。

RT工藝按照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》以及項目用技術(shù)條件1812AT4001《工藝管道安裝、試驗和驗收技術(shù)條件》和1812AT5001《暖通設(shè)備及管道施工質(zhì)量驗收技術(shù)條件》執(zhí)行，其中工藝管采用X射線源、AB級、C3類及以上膠片系統(tǒng)，采用雙壁雙影橢圓外透照工藝進行檢測。

檢測前按照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》的規(guī)定進行了PT檢測，除外表面預(yù)制缺陷外，無其余缺陷或顯示。

2 結(jié)果與討論

ACFM和RT采用雙盲檢測的形式進行，ACFM時間共計3.5 h，RT時間共計14 h，初步評估ACFM效率是RT的3倍以上。

2.1 自動焊工藝管模擬試塊

自動焊工藝管模擬試塊缺陷制作方式、位置和實測尺寸，以及ACFM和RT雙檢結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

表2 自動焊工藝管模擬試塊Table 2 Simulation test block of Auto-welded pipeline

從表2可以看出，10件自動焊工藝管模擬試塊：預(yù)制缺陷36處，RT檢出32處；ACFM檢出34處（含RT檢出的32處），其中面積型缺陷均100%檢出，ACFM檢測結(jié)果沒有誤報。

自動焊焊縫內(nèi)外表面形狀規(guī)則，焊紋規(guī)整、起伏較小。RT漏檢的4處主要為外表面0.3 mm左右的半球孔，這是由于小徑管焊縫RT透照厚度比和影像畸變較大，若非對準(zhǔn)半球孔處，很難檢出。ACFM漏檢的2處為17.1 mm小徑管中2處小缺陷距離較近，且手動掃查各位置檢測速度不均一，故儀器識別為一處大缺陷。ACFM技術(shù)對于順磁性材料內(nèi)部1 mm以下的微小缺陷只能實現(xiàn)檢出和定位，目前還無法定量和定性。

2.2 手工焊工藝管模擬試塊

對29件手工焊試塊進行檢測，結(jié)果見表3。從表3可以看出，29件工藝管手工焊模擬試塊：預(yù)制缺陷132處，RT檢出95處；ACFM檢出141處（含RT檢出的95處），其中面積型缺陷均100%檢出，ACFM誤報10處。對ACFM和RT不一致的模擬試塊和缺陷情況進行詳細分析，見表4。

表3 手工焊工藝管模擬試塊Table 3 Simulation test block of Manual-welded pipeline

表4 檢測結(jié)果差異分析Table 4 Analysis of the Difference of Results

從表4可以看出，RT檢測定性能力強、能夠綜合判斷缺陷分布情況，但其對小徑管焊縫0.3 mm左右的圓形缺陷存在漏檢，主要原因為小徑管焊縫RT時需采取雙壁雙影橢圓透照工藝，管子各部分的實際透照厚度變化幅度特別大：中心部分的透照厚度等于管子壁厚的兩倍；理論最大值為射線與管子內(nèi)壁相切方向上的透照厚度；再往外，透照厚度迅速減小到零。透照厚度的大幅度變化必然導(dǎo)致焊縫影像黑度的大幅度變化，黑度跨度大不利于底片的評定。而且，源側(cè)焊縫和片側(cè)焊縫相對膠片的距離變化較大，影像各處幾何不清晰度和散射比不一，影像質(zhì)量和缺陷檢出靈敏度不足。從ACFM-20-1等密集小孔缺陷模擬試塊也可看出，0.3 mm的尺度已經(jīng)接近常規(guī)RT手段檢測靈敏度的極限。

ACFM出現(xiàn)多檢信號的原因主要是對焊縫表面狀態(tài)較敏感，特別是無法區(qū)分內(nèi)表面不平整（小范圍凸凹度過大）和缺陷信號，如圖4所示。

圖4 ACFM-20-3模擬試塊Fig.4 Simulated test block of ACFM-20-3

2.3 風(fēng)管模擬試塊

風(fēng)管模擬試塊缺陷設(shè)計和實測尺寸以及ACFM和RT雙檢結(jié)果統(tǒng)計見表5。由于風(fēng)管焊縫缺陷允許度較寬，模擬試塊缺陷制作尺寸較大，無論是RT還是ACFM檢測結(jié)果均為100%檢出。

表5 風(fēng)管模擬試塊Table 5 Simulation test block of Ventilation pipe

2.4 打磨驗證試驗

在2.2節(jié)試驗中發(fā)現(xiàn)ACFM對表面狀態(tài)較敏感，適度打磨可降低焊縫表面凸凹起伏。為驗證打磨是否會降低缺陷的閾值顯示造成漏檢，本文設(shè)計了試驗：第一步對模擬試塊進行ACFM檢測；第二步對其焊縫表面輕微打磨，打磨后第二次ACFM檢測；第三步對其焊縫表面磨平，打磨后第三次檢測，如圖5所示。

圖5 模擬試塊表面狀態(tài)Fig.5 Simulated test block surface

三次ACFM檢測結(jié)果如表6所示。可以看出，無論是輕微打磨還是磨平，內(nèi)表面預(yù)制缺陷處的最高顯示梯度值均超過閾值線（90），缺陷均能正常檢出。同時可以看出，打磨后大部分缺陷處ACFM最高顯示梯度值略有增加，這是由于打磨造成了壁厚減薄，使得缺陷距離探頭更近、缺陷深度在壁厚方向上的占比更大。因此，適當(dāng)打磨不影響缺陷檢出。

表6 打磨驗證試驗Table 6 Simulation Verification of grinding

3 結(jié)論和展望

本文針對國家某重點工程項目需求，開發(fā)了低頻高靈敏度陣列探頭和梯度信號處理算法，實現(xiàn)了壁厚≤3.5 mm奧氏體不銹鋼焊縫的體積檢測，并通過設(shè)計了含不同類型、尺寸和位置缺陷的模擬試塊，開展了ACFM和RT盲測驗證工作，主要結(jié)論如下：

（1）研發(fā)的ACFM檢測系統(tǒng)和工藝穩(wěn)定、可靠，可實現(xiàn)焊縫中超標(biāo)缺陷的快速、有效篩查，效率是RT的3倍以上；對于工藝管、和風(fēng)管模擬試塊中預(yù)制的210處超標(biāo)缺陷，RT檢出169處，ACFM檢出217處（含RT檢出的169處），其中面積型缺陷均100%檢出；ACFM技術(shù)具有不低于RT的檢出能力，ACFM缺陷誤報率能滿足工程需求。

（2）RT技術(shù)：定性能力強、能夠綜合判斷缺陷分布情況；對于0.3 mm當(dāng)量的體積型缺陷，接近其雙壁雙影橢圓透照檢測技術(shù)能力的極限。

（3）ACFM技術(shù)：對焊縫表面狀態(tài)較敏感，適當(dāng)打磨不影響缺陷檢出；在缺陷距離較近情況下，ACFM可實現(xiàn)檢出，但無法區(qū)分和定性。

高靈敏度ACFM檢測的研究和工程應(yīng)用，填補了技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域空白，為薄壁非鐵磁性材料焊縫內(nèi)部缺陷檢測提供了新思路。