陳 晨，孫宏達，文青山，宋 凱

(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 順德檢測院，廣東佛山 528300；2.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，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，進而引發(fā)釜齒失效，造成嚴重爆炸事故[2]。某特種設(shè)備檢驗所曾對一管樁廠2臺投用不久的蒸壓釜進行檢測，發(fā)現(xiàn)90%的法蘭釜齒存在不同程度的裂紋，因此對蒸壓釜法蘭釜齒進行定期檢測顯得十分重要[3]。蒸壓釜屬于鐵磁性材質(zhì)，在實際檢測中，通常使用磁粉和宏觀檢測方法，該類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，通常面臨對工件表面要求高、檢測周期長、速度慢及檢測精度不高等問題，導(dǎo)致釜齒根部裂紋檢出困難。

交流電磁場檢測技術(shù)(Alternating Current Field Measurement，簡稱ACFM)是近幾年在渦流檢測和漏磁檢測的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種無損檢測技術(shù)[4-7]，該技術(shù)最早由英國倫敦大學(xué)的研究人員提出，隨后英國TSC公司研制了相應(yīng)的儀器并用于實際檢測。Mirshekar-Syahkal等[8-9]提出了一種高靈敏度ACFM傳感器，通過施加交流信號于菱形線圈上，單個探頭可作為差分探頭使用，具有更高的檢測靈敏度，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ACFM檢測系統(tǒng)進行建模，并在試驗中得到驗證。吳江等[11]基于ACFM檢測原理，研究了激勵頻率對檢測靈敏度的影響，數(shù)值分析結(jié)果認為，對于鐵磁性材料，激勵頻率與裂紋深度方向檢測靈敏度成正比；對于非鐵磁性材料，激勵頻率與裂紋深度方向檢測靈敏度為非線性關(guān)系。宋凱等[12]通過對ACFM掃查方向進行研究，發(fā)現(xiàn)當探頭掃查方向與U形磁軛兩腳連線平行時，對于縱向裂紋，可根據(jù)Bz曲線極性相反的峰值評價缺陷長度；根據(jù)Bx曲線的極小值評價缺陷深度。冷建成等[13]將交流電磁場檢測技術(shù)應(yīng)用到儲油罐角焊縫的檢測，試驗結(jié)果表明，該方法檢測靈敏度高，可實現(xiàn)焊縫裂紋的定性定量評估。潘曉明等[14]研究了ACFM檢測信號與在役管道焊縫缺陷之間的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)ACFM具有檢測速度快、能定量評估缺陷且對油漆等非金屬涂層不敏感等優(yōu)勢。李偉等[15]通過搭建ACFM檢測試驗系統(tǒng)，對不同深度的水下結(jié)構(gòu)物人工缺陷進行檢測，提高了實驗室條件下的檢測精度。目前，國內(nèi)針對ACFM的應(yīng)用尚處于試驗室研究階段，還未就蒸壓釜釜齒裂紋的檢測開展相關(guān)試驗研究。

本文以蒸壓釜釜齒裂紋的實際檢測應(yīng)用為背景，研制基于ACFM的釜齒裂紋檢測系統(tǒng)和針對釜齒裂紋檢測的專用傳感器，研究釜齒裂紋角度對缺陷檢測信號的影響，并通過現(xiàn)場檢測以及磁粉復(fù)檢，進一步驗證檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 ACFM檢測系統(tǒng)設(shè)計

ACFM檢測系統(tǒng)如圖1所示，主要由計算機、ACFM檢測儀和ACFM傳感器組成。ACFM檢測儀設(shè)計主要包括激勵模塊、信號調(diào)理模塊、AD采集模塊以及上位機數(shù)據(jù)分析模塊。激勵模塊產(chǎn)生功率足夠大的正弦信號作用于ACFM傳感器；信號調(diào)理模塊對傳感器輸出信號進行放大、濾波處理;AD采集模塊將提取的缺陷信號傳輸?shù)接嬎銠C。

圖1 ACFM檢測系統(tǒng)框圖

1.1 傳感器設(shè)計

蒸壓釜在運行過程中受工作環(huán)境影響，混凝土胚料或磚料會從蒸養(yǎng)車落到釜齒表面，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面凹凸不平對檢測信號帶來的影響。ACFM檢測傳感器見圖2，激勵線圈纏繞在U形鐵氧體構(gòu)成傳感器激勵部分，檢測部分由Bx和Bz圓形線圈構(gòu)成，Bx線圈中心軸線平行于工件表面放置，用于表征缺陷深度信息；Bz線圈中心軸線垂直于工件表面放置，用于表征缺陷長度信息。傳感器線圈參數(shù)見表1，可實現(xiàn)非接觸檢測，且有效地抑制提離效應(yīng)對檢測信號的影響。

圖2 ACFM檢測傳感器結(jié)構(gòu)示意

表1 傳感器線圈參數(shù)

被檢測對象為蒸壓釜法蘭釜齒，如圖3所示。針對法蘭釜齒自然裂紋發(fā)生位置以及裂紋走向統(tǒng)計發(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)，長度方向沿著R角方向。為保證傳感器在進行掃查時能夠有效貼合法蘭釜齒檢測面，傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計為L形，檢測部位設(shè)計為R角結(jié)構(gòu)，R角半徑為4.1 mm，傳感器檢測部位長5 mm，寬度5 mm，如圖4(a)所示。U形磁軛兩腿根部設(shè)計成R角結(jié)構(gòu)，Bx檢測線圈中心軸線平行于傳感器外殼R角走向，Bz線圈中心軸線垂直于傳感器外殼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檢測傳感器結(jié)構(gòu)示意 (b)實際貼合效果

1.2 激勵模塊

激勵模塊包含信號發(fā)生和功率放大兩部分。系統(tǒng)采用STM32單片機直接控制AD9959高速數(shù)字合成芯片產(chǎn)生正弦激勵信號，通過SPI通訊方式將相位、頻率、幅度控制字寫入AD9959寄存器進行輸出控制。功率放大模塊采用芯片為OPA549，通過調(diào)節(jié)外部電阻大小，使其滿足激勵線圈驅(qū)動功率，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 信號調(diào)理模塊

信號調(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經(jīng)磁-電轉(zhuǎn)化后送入鎖相放大器進行信號提取。前置放大電路采用低功耗、高精度儀表放大器AD620，設(shè)計采用雙電源供電模式。由于單端輸入電路簡單但信號容易受到干擾，采用偽差分輸入方式，既保留了單端輸入簡單的特點；又具有一定共模抑制能力。

相敏檢波電路是從噪聲信號中提取缺陷信號的關(guān)鍵，它可以檢測出與參考信號頻率相同的分量。被測信號中所包含的各種信號分量只有與參考信號相同頻率的信號才會轉(zhuǎn)換成直流信號，因而才能夠通過低通濾波器，其他頻率的分量因為頻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，能夠動態(tài)測量檢測信號幅值和相位。后置放大電路用于將相敏檢波電路輸出的直流信號進行二級放大后送入A/D采集裝置，后置放大電路采用兩片AD603級聯(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量信號進一步放大。

1.4 信號采集模塊與上位機設(shè)計

信號采集模塊采用USB-6366型高速同步采集卡，其具有16位分辨率，采樣速率可達2 MS/s。上位機基于labvVIEW編制，由參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信號顯示模塊、閾值報警模塊和存儲分析模塊等5個模塊構(gòu)成。上位機運行工作流程如圖5所示。系統(tǒng)啟動后，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)整檢測參數(shù)，數(shù)據(jù)處理模塊對采集信號進行平滑濾波及后置放大后送入信號顯示模塊，用于實時顯示檢測曲線并讀取當前測量結(jié)果，閾值報警模塊用于實時監(jiān)測檢測信號，根據(jù)檢測需求調(diào)用存儲分析模塊對數(shù)據(jù)進行保存或分析。

上位機采集界面見圖6。信號顯示模塊可再分為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方向磁場變化，表征缺陷深度；Bz顯示模塊反映Z方向磁場變化，表征缺陷長度；蝶形圖顯示模塊由Bx和Bz顯示模塊合成，根據(jù)蝶形圖中信號特征進行缺陷識別，可減小誤判率。整機ACFM缺陷檢測系統(tǒng)見圖7。

圖5 ACFM檢測系統(tǒng)軟件流程

圖6 上位機采集界面

圖7 ACFM缺陷檢測系統(tǒng)

2 試驗研究

2.1 蒸壓釜人工缺陷檢測

蒸壓釜人工試塊材料為16 Mn鋼，試塊規(guī)格(長×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×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檢測系統(tǒng)對上述缺陷進行檢測，如圖9所示，0°,15°,30°,45°,60°,75°，90°缺陷信號幅值分別為375,342,256,205,296,322，350 mV。從檢測結(jié)果可以看出，當缺陷角度為0°，15°，30°時，檢測信號幅值隨著角度的增大而減?。划斎毕萁嵌葹?0°，75°，90°時，檢測信號幅值隨著角度的增大而增大；當缺陷角度為45°時，檢測信號表現(xiàn)為拐點，信號幅值最小?？梢娙毕萁嵌葘鞲衅鞯撵`敏度有一定影響，且0°缺陷檢測效果最好。在實際檢測過程中，應(yīng)針對釜齒結(jié)構(gòu)采用圖4所示傳感器，以獲得最佳檢測效果。

圖9 不同角度缺陷對檢測信號的影響

2.2 蒸壓釜自然缺陷檢測

利用研制的ACFM檢測系統(tǒng)，設(shè)置激勵頻率為5 kHz，采用ACFM檢測傳感器對實際蒸壓釜法蘭釜齒R角區(qū)域以及與R角相鄰的立面進行檢測，檢測結(jié)果如圖10所示，傳感器缺陷信號表現(xiàn)為垂直向上的突變信號。為了驗證檢測的可靠性，針對圖10中的檢測信號進行磁粉檢測，結(jié)果如圖11所示。

圖10 蒸壓釜法蘭釜齒自然缺陷檢測結(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)缺陷信號處均明顯有不同規(guī)格的裂紋，經(jīng)過人工缺陷及自然缺陷的檢測，該系統(tǒng)具有很好的檢測靈敏度和可靠性。在現(xiàn)場實際檢測中還應(yīng)該注意，在掃查時粗掃確定缺陷大概位置，然后采用小區(qū)域前后重復(fù)掃查對缺陷進行定位，且將傳感器旋轉(zhuǎn)一定角度進行掃查，從而確定缺陷具體位置及走向，防止漏檢；檢測速度不應(yīng)過快或過慢，以10 mm/s的速度勻速掃查為佳；對于表面凹凸程度比較大的釜齒，檢測距離不應(yīng)過長，而應(yīng)采用分段檢測，分段長度根據(jù)表面實際情況確定。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計檢測釜齒結(jié)構(gòu)的ACFM傳感器，檢測部位尺寸(長×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面且獲得最佳檢測效果。

(2)研制的ACFM檢測系統(tǒng)，采用直接數(shù)字合成技術(shù)激發(fā)系統(tǒng)激勵信號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；信號調(diào)理模塊采用鎖相放大器電路，能夠動態(tài)測量檢測信號幅值和相位；上位機軟件具有多種信號處理方法。

(3)ACFM檢測系統(tǒng)可對尺寸(長×寬×深)為3 mm×0.13 mm×1 mm的裂紋進行快速精準檢測，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性強，具有較好的推廣價值和市場應(yīng)用前景。