ACFM介绍

ACFM检验技术简介1ACFM(交流电磁场测量法交流电磁场测量法交流电磁场测量法交流电磁场测量法)检测检测检测检测技术技术技术技术简介简介简介简介深圳分社葛鹏飞ACFM（Alternatingcurrentfieldmeasurement）交流电磁场检测技术是一种新型的无损检测和诊断技术，用于检测金属构件表面和近表面的裂纹缺陷，可以测量裂纹的长度和计算裂纹深度，具有非接触测量、受工件表面影响小的特点。该检测技术在海上设施的水下无损检测中愈来愈广泛的应用。一一一一背景背景背景背景在海洋石油和天然气装置的水下结构和海上平台设备的检测中，由于被检对象和环境的特殊性，使得常规检测方法出现漏判、误判的概率大大增加，造成巨大的经济损失和环境污染，例:在1977到1998年间，加拿大发生了20起天然气管道事故，其中9起泄漏，11起破裂，均是由应力腐蚀裂纹(SCC-StressCorrosionCrack)引起。并且，随着在役管道结构的继续老化，发生事故的潜在可能性加大。ACFM技术就是在这种情况下产生，它由交变电压降((ACPD-AlternatingCurrentPotentialDrop)技术发展而来，结合了ACPD技术的无需校准测量和涡流检测的无接触的优点，是精确测量表面裂纹的无损检测方法之一。在二十世纪八十年代后期，ACFM技术首先被用于水下结构关键部位焊缝质量的检验以及有表面涂层的金属结构的检验，1997年巴西国家石油公司将ACFM技术用于海上石油平台的结构检验。随着对其不用去除涂层而实现表面疲劳裂纹检测的价值的认可及该技术进一步发展和成熟，开始被广泛地应用到石化、核工业、钢铁和铁路工业、土木结构比如桥梁检测、航空航天等领域中。二二二二基本原理基本原理基本原理基本原理ACFM技术的理论基础是电磁感应原理，一个通交变电流的特殊线圈（激励线圈）靠近导体时，交变电流在周围的空间中产生交变磁场，被测工件（导体）表面的感应电流由于集肤效应聚集于工件的表面。当工件中无缺陷时，感应电流线彼此平行，工件表面由于匀强磁场存在；若工件中油缺陷存在，由于电阻率的变化，势必对电流分布产生影响，电流线在缺陷附近就会产生偏转，工件表面的磁场就会发生畸变。这个磁场的变化强弱，就能反映出裂ACFM检验技术简介2图1缺陷检测中Bx和Bz特征曲线定性说明纹的尺寸。缺陷对电流及磁场的影响如图1-4所示。在工件表面产生的电磁场中，ACFM技术是检测感应磁场来检测裂纹，因为磁场渗透率强于电场，衰减慢于电场；其原理法拉第电动势原理：通电线圈（检测线圈）切割磁场产生电动势，检测此电动势即可检测感应磁场。建立被测工件上的感应电流流向模型，并将磁场分量分成三个分量Bx（平行于工件表面并垂直于电流方向）、By（平行于电流方向）和Bz（垂直于工件表面）进行分析，如图1所示。当无缺陷时，感应电流顺着Y轴均匀流动，X向磁场分量（Bx）均匀无扰动，而另外两个方向的磁场分量（By和Bz）为0。故远离裂纹处，电流场是均匀的，电流相互平行。当电流流至裂纹处，由于材质的不均匀性和分界面处电流的连续性原理，电流线会向裂纹两端和裂纹底面偏转，使裂纹中心处电流线变疏，电流密度下降，两端的电流线汇聚，从而导图2裂纹周围的感应电流示意图图3环绕裂纹的感应电磁场图4Bx与Bz效果图ACFM检验技术简介3致工件表面磁场的变化。在ACFM的测量中，一般要测量出如下两个相互正交的磁场变化量：1、垂直于工件表面的磁感应强度Bz，如图1所示，由于裂纹面上的电阻较大，使电流向裂纹两端和底面偏转。在裂纹的右半边，电流的总体趋势是顺时针方向，产生指向工件表面的磁力线；在裂纹左半边，电流的总体趋势是逆时针方向，产生指向工件底面的磁力线，规定前者为正，后者为负，如图1，这样就可以通过Bz测量出裂纹长度。2、平行于工件表面和裂纹走向的磁感应强度Bx：如图1所示，由于电流向裂纹两端和底面偏转，使刘静裂纹面的电流强度下降，在裂纹中部，电流线最疏，Bx最小，Bx的极小值对应裂纹最深处，从而可以测出裂纹的深度。Bx、Bz和裂纹之间的关系如图5、图6所示。ACFM技术是以可视化的方式向人们展示缺陷的存在，使人们对数据有更直观的理解。ACFM目前有三种可视化的方式：时基扫描图、蝶形图(如图7所示)和等值线彩色图。蝶形图是以Bz为横坐标，Bx为纵坐标画出来的图形。Bx曲线的两个峰值点就是蝶形图中纵坐标左右两个极值点，而Bz曲线的最小值点也是蝶形图中纵坐标的极小值点，因而Bz曲线和Bx曲线中包含的信息在蝶形图中都能反映出来，结合交流电磁场检测的基本原理，可以准确的实现缺陷的判断和定性分析。有缺陷时，蝶形图上会出现一个明显的环，称为缺陷环，当探头的扫描速度发生波动时，只会使缺陷环的一侧出现缠绕的线条，但缺陷环还是比较明显的，这样就降低了误判和漏判的几率。，根据探头靠近裂纹的方向，探头的运动方向可以是顺时针或逆时针（C向或A向），蝶形图相应的可以沿顺时针或逆时针方向绘制，方向可图5电流密度和Bx、Bz关系图图6裂纹和Bx、Bz关系示意图ACFM检验技术简介4以帮助区分裂纹和非相关信号。等值线彩色图是适用于阵列型探头.将微探头检测到的数据以对应的颜色在屏幕上显示出来，此时图形中的分辨率与阵列的密度有关。如果扫描方向与裂纹成一定的角度，很可能会产生如图8所示的信号。Bz方向信号会减弱，因为探头传感器只经过Bz波峰的边缘。裂纹延伸至末端的附连物或鼠洞（rathole）就会出现这种信号。根据上述原理，ACFM对于垂直于扫描方向的裂纹是无法检测出来的，也检测不出来裂纹的垂直于扫描方面的位置，位置裂纹方向的情况下，须将探头旋转90扫描。三三三三ACFM检测设备检测设备检测设备检测设备及探头及探头及探头及探头ACFM设备的主要生产厂家是英国的TSC(TechnicalSoftwareConltants)公司。有硬件和软件组成。硬件包括水上单元、水下单元和探头。软件装在水上单元的计算机中。图7时基图与蝶形图图8裂纹方向偏离的时基图与蝶形图图9水下ACFM检测系统示意图ACFM检验技术简介51.探头探头探头探头探头（内部的传感器）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定的规律变换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制。ACFM探头是由线圈和骨架两部分组成，不同于传统的涡流探头，ACFM的激励线圈和检测线圈是各自独立的。在传统的涡流检测中，激励线圈同时又是探测线圈，激励线圈在导体工件中产生感应涡流，涡流的分布又影响线圈周围磁场，使线圈的阻抗产生一个增量这个增量的大小受到工件有无裂纹的影响，由此检出裂纹的存在。但这种激励线圈与检测线圈合二为一的结构存在不可调和的矛盾，为了提高空间的分辨率，必须减小线圈体积，而这使得涡流的有效透入深度减小，降低了探头的导体深度方向的检测能力；而采用打的线圈又会是空间分辨率降低。故ACFM的激励线圈和检测线圈是各自独立的优点是使用较大的激励线圈获得较大的检测范围和透入深度，又可以使用较小的检测线圈拾取信号以获得较高的空间分辨能力。TSC公司生产的探头主要有三大类：标准型单传感器探头和标准型阵列探头。标准型单传感器又有如下几种：标准探头，铅笔式探头，螺旋探头等。如图10所示。标准焊缝探头：可随时用于焊缝检测，其线圈设定的位置非常适合裂纹测量，它的边缘效应颇大，大约有50mm。它的检测范围是探头顶端前后10mm的区域（如图11所示）。铅笔式探头根据鼻子（nose）大小可分为迷你型和微型两种（如图12、图13所示），每种类型的探头的鼻子（nose）结构有三种直头、直角、横向形式（如图10所示）。迷你铅笔型探头：针对紧凑型区域设计，如鼠洞和十字形区域。具有较小的边缘效应，可用于笔状或直角装裂纹。可在狭小的的裂纹空间中操作，对探头的提起更加敏感。其接触面积很小，更易于摇摆和扭曲。标准焊缝探头铅笔型直探头直角铅笔探头横向铅笔探头螺旋探头图10各种ACFM探头ACFM检验技术简介6图11标准焊缝探头AC图12迷你型铅笔探头ACFM检验技术简介7微型铅笔型探头：专为在紧凑型区域（如鼠洞和十字形区域）设计，具有较高的灵敏度，具有较小的边缘效应，可用于笔状或直角装裂纹。可在狭小的的裂纹空间中操作，对探头的提起更加敏感。其接触面积很小，更易于摇摆和扭曲。螺纹探头：ACFM特别适合于在大型螺纹（如钻铤螺纹）中检测裂纹及测量尺寸。可生产完全符合螺纹锁要求的形状的探头，也可在标准探头中的底座附加一个脚件。编码焊缝探头：该探头具有一个编码器，可提供连续的定位参考值，并提供快速定位选项，扩展检测区域的多传感器选项以及多磁场方向选项图14单传感器探头和阵列式探头单探头的检测区域阵列式探头的检测区域多个传感器图13微型铅笔探头ACFM检验技术简介8的选择。由于ACFM单传感器探头是沿着裂纹方向扫描，但是在裂纹方向未知的情况下，必须经过多次的重复扫描才能检出裂纹，因此检测速度慢，此时可以采用能一次覆盖整个矩形区域的阵列探头就产生了,如图14所示。阵列探头包含多个以特定方式排列的传感器，其排列方式可视待测工件的形状而定。阵列探头可以覆盖某一待测工件的一个矩形区域。极大的提高检测速度。所有手动探头都具有：探头型号、系列号，A和C方向的标记，中线或指标线，连接点。如图11所示。2探头的选取探头的选取探头的选取探头的选取ACFM探头有多种，既有频率为5KHz的适用于大部分场合的标准焊缝探头，还有微型铅笔探头和迷你型铅笔探头。针对不同的检测区域和灵敏度要求，应当选择不同的探头。为了得到更高的灵敏度，尤其是在检测非磁性材料时，可以选用50KHz的高频探头。表1为频率为5KHz的各种探头，表2为各种高频探头。为了正确的选择所需的探头（非水下探头），应遵循下图15的流程。表1标准频率焊缝探头（非水下探头）焊缝焊缝焊缝焊缝铅笔型直探头铅笔型直探头铅笔型直探头铅笔型直探头直角铅笔探头直角铅笔探头直角铅笔探头直角铅笔探头横向铅笔探头横向铅笔探头横向铅笔探头横向铅笔探头标准探头TYPE256迷你型TYPE250TYPE251TYPE252微型TYPE255TYPE253TYPE254表2高频焊缝探头（非水下探头）焊缝焊缝焊缝焊缝铅笔型直探头铅笔型直探头铅笔型直探头铅笔型直探头直角铅笔探头直角铅笔探头直角铅笔探头直角铅笔探头横向铅笔探头横向铅笔探头横向铅笔探头横向铅笔探头高频探头TYPE257微型TYPE263TYPE261TYPE262特殊型探头如果对某些特殊区域由于空间受限等原因，不能采用以上探头时，可以请厂家量身定做适合的探头。图16是一个长鼻型铅笔探头，适合于键槽表面的裂纹检测。ACFM检验技术简介95KHz25625525025325125425250KHz257263--261--262--是否有足够的空间使用标准焊缝探头（如板材对接焊，管子对接焊，大直径管T型焊缝）是检测区域是否包括板材边缘或小直径的管等？（考虑边缘效应）选择适应于被检测区域几何形状的三种铅笔式探头之一否T型接头、打磨区域等受限区域选用铅笔型直探头检测表面平顺且需要检测浅裂纹（对于铁素体钢材，深度0.5mm，对于非钢材，深度2mm）或短裂纹（5mm）是标准焊缝探头否微型铅笔型直探头微型直角铅笔型探头迷你型铅笔型直探头微型铅笔横向型探头迷你型直角铅笔型探头迷你型横向铅笔型探头鼠洞（ratholes）,管子内部的轴线裂纹选用直角铅笔探头管子内部的周向裂纹选用横向铅笔探头是为提高对微小裂纹的灵敏度，可以选用高频探头。但如果表面粗糙，或进过打磨的，或者有涂层，不要使用高频探头是否是否否图15探头选取流程ACFM检验技术简介103ACFM水下检验探头选择水下检验探头选择水下检验探头选择水下检验探头选择ACFM有多种水下探头，可以在不同的水深中使用。标准Amigo探头带有50米的电缆线，可以直接连接上ACFM系统水上单元。它无需水下单元支持可以在浅水中使用。若在深水中使用，需要使用U31水下裂纹检测单元。U31单元体积小，重量轻，便于潜水员携带，