交流电磁场检测（ACFM）是一种基于电磁感应原理的无损检测技术，近年来发展日益迅速。在ACFM检测中，在工件表面感应出均匀电流，电流绕过缺陷产生电场扰动，进而导致附近的磁场畸变，最后提取磁场信号实现缺陷的检测与评估。相比其他水下无损检测技术，ACFM检测技术具有非接触测量、操作简单、不需要耦合剂、检测精度高、稳定性好、效率高、成本低等优势，目前已经在海洋油气装备领域得到了广泛应用。
在目前ACFM检测系统中，单传感器检测探头受传感器数量的限制，覆盖检测范围小，在焊缝检测中需要对焊缝和热影响区进行多次扫查，检测效率低。设计的阵列传感器检测探头可扩大探头的检测范围，提高检测效率。
中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心的科研人员以ACFM技术为基础，通过研究阵列传感器分布对检测信号的影响，设计了ACFM隔水管环焊缝阵列检测探头，最终开发出一套完整的隔水管环焊缝快速检测系统，实现了隔水管环焊缝缺陷的一次扫查，不同区域的裂纹能够全部检出，对维护隔水管结构的安全具有重大意义。
利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件构建隔水管环焊缝裂纹ACFM仿真模型，如图1所示。
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仿真模型主要由激励线圈、U型磁芯、隔水管环焊缝试件和裂纹等组成。激励线圈为ф0.15mm的铜线，缠绕在U形磁芯横梁上，匝数为500匝，线圈中加载电流为1A、频率为1000Hz的正弦交流电，隔水管环焊缝裂纹长20mm，位于U形磁芯的正下方。
在线圈中加载正弦交流电，研究含裂纹隔水管焊缝裂纹在x和z方向的磁场畸变规律。实际检测中，检测探头是沿着裂纹的长度方向运动的，为保持与实际情况一致，仿真时让检测探头沿着裂纹长度方向移动，即对仿真模型进行参数化扫描。设定检测探头移动路径的长度为50mm，每次移动0.5mm，共进行100次计算，计算完成后，提取裂纹上方2mm位置的数据，绘制隔水管环焊缝表面电流密度，如图2所示。
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由图2可知，感应线圈通过磁芯在隔水管试件表面感应出均匀电流，感应电流绕过裂纹的在裂纹两端聚集。绘制探头的扫查路径上沿x方向的磁通密度Bx曲线和沿z方向的磁通密度Bz曲线，如图3所示。
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仿真结果显示，感应电流绕过裂纹两端，使周围磁场产生畸变，Bx信号在裂纹处产生波谷，Bz信号在裂纹两端分别产生波峰和波谷， 磁场的变化规律符合ACFM检测原理。仿真结果证实了该有限元模型的正确性，将ACFM检测用于隔水管环焊缝的检测中是可行的，为研究传感器分布对ACFM信号的影响和设计快速检测探头奠定了基础。
依据交流电磁场检测技术原理设计了隔水管环焊缝及热影响区裂纹快速检测系统，如图4所示，TMR为隧道磁阻传感器。
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该系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统主要包括阵列探头和便携式机箱两部分，机箱根据功能分为信号电源模块、激励模块、信号调理模块和信号采集模块等，该系统高度集成化和模块化。探头通过小针号航空插头与便携式机箱连接，便携式机箱利用USB（通用串行总线）数据线连接电脑。软件系统实现了信号的采集、处理、存储和输出。硬件系统与软件系统相互配合构成隔水管环焊缝检测系统，可实现隔水管环焊缝及热影响区裂纹缺陷的快速检测。
设计的阵列传感器应实现隔水管环焊缝的全覆盖式检测，笔者首先对传感器的分布进行优化。在探头整体覆盖面积相同的情况下，单个传感器的覆盖面积应与传感器数量呈反比。在考虑经济效益的情况下，传感器数量应该在满足检测要求的情况下尽可能少。通过建立仿真模型，研究单个传感器在不同偏移量的情况下，Bx、Bz信号畸变量的大小，确定单个磁传感器的理论最大覆盖范围，设计传感器之间的最优距离。
探头扫查示意如图5所示，传感器偏移距离指探头扫查路径与裂纹的垂直距离，利用建立的隔水管环焊缝检测模型分析传感器偏移距离对ACFM检测信号衰减的影响，在确保缺陷检出的情况下，确定传感器的最大偏移距离，进而确定传感器排布间距。定义裂纹中心位置为坐标原点，设定裂纹长20mm，深3mm，宽1mm，传感器偏移方向为x轴正半轴，偏移距离定义为x，传感器沿着y轴正向扫查。
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设置偏移距离x的初始值为0mm，并以3mm为步长逐渐增加至15mm。仿真结束后，分别提取不同偏移距离下Bx信号与Bz信号的畸变量。在ACFM检测中，以Bx畸变和Bz畸变为判别缺陷信号的主要特征量，Bx、Bz畸变量随偏移距离x的变化曲线如图6所示。
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由图6可知，当偏移距离增大时，Bx信号先增大后减小，偏移距离为9mm时，Bx的畸变量最大。Bz的畸变量普遍大于Bx的畸变量，且随着偏移距离的增加，信号幅值不断减小，在偏移距离达到9mm时，Bz信号衰减近60%，结合传感器尺寸选取传感器间距为10mm。TMR传感器封装的尺寸宽度为12mm，待检测的环焊缝及热影响区域为80mm，为确保探头完全覆盖待检测范围，将传感器的个数设为4个，既能够保证探头全面拾取环焊缝表面及热影响区畸变的磁场信号，又能够很好地防止漏检现象的发生。
基于以上结论，最终设计的探头包含了4个间距为10mm的TMR传感器，选用4个U型激励磁芯，每个磁芯上都绕制直径为0.15mm的漆包线，作为激励线圈，分别放置在每个TMR传感器的正上方。利用SOLIDWORKS软件设计探头骨架，内部结构根据TMR传感器及磁芯的尺寸设计开槽。采用机加工制作探头骨架，加工误差保证在0.1mm之内。选用不导磁不导电的ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）树脂作为加工材料，可防止对检测信号的干扰。
隔水管环焊缝检测软件界面如图7所示，该软件基于LabVIEW编写，对采集卡传输给计算机的数据进行处理、存储和可视化。该软件基于阈值判定缺陷，通过设定阈值参数，软件将计算得到的梯度信号与设置的阈值进行对比，存在缺陷区域的磁场信号会产生畸变，一旦其梯度信号超出梯度阈值，软件将对该区域进行报警。
图7 隔水管环焊缝检测软件界面
隔水管环焊缝裂纹快速检测系统外观如图8所示，接下来对搭建好的检测系统进行测试。
图8 隔水管环焊缝裂纹快速检测系统外观
根据焊缝检测标准，深度超过1mm的裂纹为危险缺陷。因此标定深度1mm为危险阈值，软件应能够对深度超出1mm的裂纹进行报警。
试件材料为低碳钢，采用两块大小相同的试件对焊而成，外径约为533mm，壁厚为20mm，形成的焊缝宽度为40mm，焊缝两侧20mm左右为热影响区。根据检测需要，在焊缝和热影响区的不同位置各设置一个裂纹缺陷，两条位于焊缝上，两条位于热影响区，隔水管检测试件外观如图9所示。
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图9中的4条裂纹的尺寸分别为：裂纹1长20mm，深1.0mm；裂纹2长20mm，深1.5mm；裂纹3长20mm，深0.8mm；裂纹4长15mm，深1.0mm。
试件检测结果如图10所示，其中裂纹3的深度小于设定的阈值（1mm），检测软件不对其进行报警。裂纹1、裂纹2、裂纹4的深度分别为1.0，1.5，1.0mm，达到了软件设置的阈值，检测软件均发生了报警提示。分析4个不同通道的信号，可反推环焊缝左右热影响区以及焊缝右半部分存在超出标准的危险缺陷。
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(1) 建立了隔水管环焊缝三维仿真模型，优化了阵列检测探头参数，使探头全面覆盖环焊缝及热影响区。仿真结果表明：应设定传感器之间的间距为10mm；所需检测的隔水管环焊缝及热影响区宽度为80mm，应布置4个阵列传感器。
(2) 搭建阵列检测探头和软硬件为一体的隔水管焊缝及热影响区裂纹检测系统，开展该检测系统稳定性试验，确定裂纹深度为1mm的安全阈值，而后对隔水管试件进行检测，结果表明：阵列检测传感器探头一次扫查可实现环焊缝及热影响区裂纹的快速检出，通过软件界面的裂纹特征信号显示，可反过来确定裂纹的位置。
作者：李伟，刘杰，袁新安，邵鑫宇，赵建超，尚亚期，李红雨
工作单位：中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心
第一作者：李伟，教授，主要从事机械结构缺陷智能可视化检测新技术、海洋油气装备完整性检测与定量评估技术等教学及科研工作。