小接管是石化裝備中常見的結構形式，一般作為管道附件或者物料進出口的連接件使用?！稛捇b置小接管管理導則》中規(guī)定：在設備本體或管道上直接開孔，采用焊接方式連接的DN50及以下的半管接頭、支管座、支管的結構，統(tǒng)稱為小接管。但實際應用中，小接管的定義更加寬泛，管徑在DN100以下，壁厚為4~8 mm的結構都可以被稱為小接管[1]。小接管具有管徑小，壁厚薄，角焊縫結構復雜等特點，焊接難度大，焊接過程容易產生未焊透、裂紋等缺陷，且在使用過程中容易形成腐蝕、裂紋等缺陷，是承壓設備安裝及使用過程中的重點關注對象。 

目前小接管的檢測方法以常規(guī)的滲透和磁粉檢測為主，滲透檢測只能對表面開口缺陷進行檢查，無法發(fā)現(xiàn)埋藏缺陷；磁粉檢測受小接管結構影響，磁化方法比較復雜，且二者均需要對檢測表面進行處理，檢測工藝繁瑣。除滲透和磁粉檢測外，相控陣超聲檢測也被應用于小接管檢測中，吳明暢等[2]采用CIVA仿真軟件對典型規(guī)格的小口徑接管角焊縫模型進行仿真，優(yōu)化了相控陣無損檢測工藝。卜陽光等[3]對接管焊縫相控陣超聲多模全聚焦檢測技術進行了研究。除此之外，渦流檢測也被應用于小接管焊縫檢測中，但受限于檢測深度，檢測范圍較小。 

交流電磁場檢測（Alternating current field measurement，ACFM）技術是一種電磁無損檢測技術，其基于電磁感應原理，利用缺陷與正常結構處的磁信號變化，實現(xiàn)對金屬結構焊縫表面及近表面缺陷的檢測，對導電金屬材料均有良好的檢測效果，且能進行非接觸式檢測，在小接管檢測領域具有一定的應用前景。 

1.   交流電磁場檢測原理

交流電磁場檢測通過施加交流電的激勵線圈，在檢測對象表面感應出均勻交變電場。當電場經過缺陷位置會出現(xiàn)電場線的切割及變化，導致該處磁場發(fā)生變化，檢測磁場變化的位置和規(guī)律，可實現(xiàn)缺陷的檢出和測量[4]。交流電磁場檢測原理如圖1所示（圖中Bx和Bz為磁通密度B的x，z方向分量），即可通過磁場強度的變化，結合材料磁導率，探究磁通密度的變化規(guī)律，進行缺陷的識別和分析[5]。 

圖  1  交流電磁場檢測原理

2.   有限元模型的建立及仿真

電磁場在不同介質空間中的傳播模式復雜，難以快速求解。隨著計算機技術及大型有限元軟件的不斷發(fā)展,有限元分析方法(Finite element method)成為解決復雜電磁場問題應用最廣泛的手段之一[6]。 

建立有限元三維模型進行仿真分析，包括感應線圈、小接管焊縫試件和求解域3部分，如圖2所示。感應線圈采用直徑為0.15 mm的銅線，密集纏繞于U形磁芯上，匝數(shù)為500匝，線圈通入等效電流為1 A的正弦交流電，頻率可調整，磁芯尺寸（長×寬×高）為14 mm×26 mm×6 mm，材料為錳鋅鐵氧體。小接管焊縫試件由母管、插管以及焊縫組成。插管直徑為40 mm，壁厚為3 mm；母管直徑為200 mm，壁厚為12 mm。為便于計算，母管僅取與插管連接的上半部分，材料為碳鋼，插管母管連接處設置焊縫，焊縫寬度為6 mm，余高為2 mm，在焊縫周向30°及210°設置周向刻槽缺陷。求解域設置尺寸為500 mm×500 mm×400 mm的長方體。感應線圈材料為銅，求解域部分為空氣。 

圖  2  小接管焊縫示意及其仿真模型

為保證與實際情況一致，仿真時將探頭沿管周向運動，采集小接管焊縫表面空氣上磁通密度的值，并分析其規(guī)律。對仿真模型進行參數(shù)化掃描，探頭距離焊縫的提離為1 mm，將試塊左肩中心位置設置為0°，則探頭起點為－30°，移動總路徑為420°，每次移動4°。按照上述設置進行仿真計算，探頭激勵頻率分別為1 kHz，5 kHz及10 kHz。 

2.1   不同位置缺陷處的磁場信號變化

設置以下幾組小接管模型：第一組模型無缺陷；第二組模型在小接管肩部0°及180°處設置缺陷，缺陷尺寸（長×寬×深，下同）為5 mm×3 mm×1 mm；第三組模型在小接管肩部30°及210°處設置缺陷，缺陷尺寸為5 mm×3 mm×1 mm。各組模型的磁場信號變化如圖3至圖5所示，（圖中3條不同顏色的線代表3種不同激勵頻率的信號強度）。 

圖  3  無缺陷處磁場信號仿真結果（模型一）

圖  4  肩部缺陷處磁場信號仿真結果（模型二）

圖  5  偏30°缺陷處磁場信號仿真結果（模型三）

由圖3可知，第一組模型的Bx信號無明顯變化，By與Bz信號呈正弦變化趨勢，相位差約為90°，磁通密度B無明顯變化。第二組模型的Bx信號在缺陷處出現(xiàn)明顯的波峰波谷，變化量約為4 mT，By與Bz信號呈正弦變化趨勢，相位差約為90°，缺陷處存在小的正弦信號變化，磁通密度B在缺陷處出現(xiàn)明顯的波谷，1 kHz頻率的信號對缺陷響應較小。第三組模型的Bx信號在缺陷處出現(xiàn)明顯的波峰波谷，與第二組近似，By與Bz信號呈正弦變化趨勢，相位差約為90°，缺陷處存在小的正弦信號變化，磁通密度B在缺陷處出現(xiàn)明顯的波谷，1 kHz頻率的信號對缺陷響應較小。 

2.2   同一位置，不同尺寸缺陷處的磁場信號變化

設置以下幾組小接管模型：第四組模型在小接管肩部0°及180°處設置缺陷，缺陷尺寸為3.0 mm×0.5 mm×1.0 mm；第五組模型在小接管肩部30°及210°處設置缺陷，缺陷尺寸為3.0 mm×0.5 mm×1.0 mm。各組模型的磁場信號變化如圖6，7所示。 

圖  6  肩部缺陷處磁場信號仿真結果（模型四）

圖  7  偏30°缺陷處磁場信號仿真結果（模型五）

由圖6，7可知，第四組模型的磁場信號變化規(guī)律與第二組的基本一致，但信號變化量明顯降低，約為50 mT。第五組模型的磁場信號變化規(guī)律與第三組的基本一致，但信號變化量明顯降低，約為50 mT。 

2.3   不同提離位置處的磁場信號變化

在第五組的基礎上，修改探頭運動過程中與焊縫的距離，模擬探頭在焊縫凹凸不平表面上的運動，相關參數(shù)如表1所示。提離磁場信號仿真結果如圖8所示。 

圖  8  提離磁場信號仿真結果

由圖8可知，Bx，By，Bz信號均會在提離位置出現(xiàn)波動，Bx信號變化較大。1 kHz的檢測頻率下的提離對信號影響較大，5 kHz與10 kHz頻率下的提離影響較小[7]。 

2.4   小結

Bx信號在缺陷處存在正弦信號波動，By及Bz信號在缺陷處也能夠產生正弦信號波動，但相比背景值信噪比較低。1 kHz頻率下磁場對缺陷的敏感性更弱，5 kHz及10 kHz頻率對缺陷的敏感程度相差較小。在提離位置，Bx，By及Bz信號出現(xiàn)與缺陷近似的信號波動，但Bx信號存在較大差異。 

3.   小接管檢測系統(tǒng)開發(fā)

在LKACFM-X1型交流電磁場檢測儀的基礎上，依據(jù)仿真結果，設計了小接管焊縫缺陷檢測系統(tǒng)。現(xiàn)有的交流電磁場檢測探頭通過x和z兩個方向上的磁場傳感器獲得檢測部位x和z方向的磁場信號。根據(jù)仿真結果，小接管工件缺陷位置的Bx和Bz信號變化不明顯，B信號變化明顯，故對系統(tǒng)進行改造。系統(tǒng)硬件沿用原檢測儀器，主要更改探頭、信號處理及顯示軟件，探頭及儀器實物如圖9所示。 

圖  9  檢測儀器及探頭實物

探頭由激勵模塊、傳感器模塊、信號處理模塊組成。激勵模塊采用U形磁軛纏繞線圈的形式，傳感器模塊采用3個TMR傳感器，分別垂直于x、y、z方向，拾取3個方向的磁通密度。信號處理模塊首先將Bx、By以及Bz求和并獲得磁通密度B，然后對B進行放大、濾波等初步處理，傳輸?shù)缴衔粰C中。探頭及信號處理模塊框圖如圖10所示。最后，通過軟件對探頭獲得的磁通密度B進行處理，并顯示到屏幕上[8]。 

圖  10  探頭及信號處理模塊框圖

4.   試驗及結果

4.1   檢測工裝設計

在探頭模型與插管呈45°的基礎上設計工裝，工裝一端為半圓形結構，與被檢測接管管徑一致，能夠在接管上固定并穩(wěn)定旋轉；另一端為夾持機構，能夠固定探頭，并保證其與接管焊縫角度為45°，如圖11所示。 

圖  11  檢測工裝設計圖及實物

4.2   試塊設計

設計小接管缺陷試塊，其材料為低碳鋼，選用尺寸（直徑×壁厚，下同）為?273 mm×9.5 mm的管道作為基座，為便于放置，去掉管道的下半部分。選取3根?42 mm×5 mm的管道作為接管，在基座上依次焊接，接管間距為120 mm。接管試件上布置人工缺陷，試塊外觀如圖12所示，缺陷尺寸如表2所示[5]。 

圖  12  小接管缺陷試塊

4.3   缺陷檢測試驗

選用1 kHz，5 kHz頻率分別對上述試塊進行試驗，按照A、B、C管分開進行檢測，檢測結果如圖13，14所示。橫坐標為時間；縱坐標為傳感器獲得的磁通密度B（由三個方向Bx，By以及Bz綜合計算），經AD轉換后由軟件進行處理，單位為μV。 

圖  13  1 kHz頻率下的試塊檢測結果

圖  14  5 kHz頻率下的試塊檢測結果

由圖13，14可知，通過分析磁通密度B的變化，可以獲得小接管焊縫上的缺陷信息，1 kHz頻率的信號響應明顯低于5 kHz頻率的信號響應，缺陷越大，信號響應越明顯，孔的缺陷響應明顯低于槽的。 

此外，結合掃查結果及上文描述，針對表面狀況造成的提離，可以分別使用1 kHz和5 kHz的頻率進行掃查，由于1 kHz信號對提離信號的響應更加明顯，可以通過1 kHz與5 kHz掃查信號的相應情況，排除非相關信號顯示。 

5.   結語

（1）建立小接管焊縫三維仿真模型并進行交流電磁場檢測仿真模擬，仿真結果表明：缺陷位置存在磁通密度變化，磁通密度出現(xiàn)明顯響應。 

（2）設計與制作了三通道檢測探頭及信號處理模塊，開展了小接管焊縫缺陷試塊的檢測試驗，結果表明：通過采集磁通密度B的信號響應，可檢出長度5 mm以上的小接管焊縫裂紋缺陷。

文章來源——材料與測試網