董光輝, 高輝, 周燦豐

(北京石油化工學(xué)院北京市深水油氣管件關(guān)鍵技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102600)

隨著中國海洋工程的發(fā)展，越來越多的海洋項(xiàng)目服役時(shí)間步入了后期，需要對(duì)海底設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)與檢修[1]。海洋管道受到?jīng)_擊、腐蝕、震動(dòng)、載荷等影響，管道表面的微小裂紋會(huì)快速擴(kuò)展，造成嚴(yán)重的事故災(zāi)害。1986—2016年，中國海油共鋪設(shè)了315條海底管道，在30年內(nèi)發(fā)生51起事故，主要為腐蝕、第三方破壞與地質(zhì)災(zāi)害，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)海底管道進(jìn)行檢測(cè)探傷和安全評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)管道的微小結(jié)構(gòu)損失，保障海底管道安全，預(yù)防海洋事故的發(fā)生具有重要意義[2-3]。目前無損檢測(cè)設(shè)備大部分被國外所壟斷，檢測(cè)費(fèi)用十分高昂，在中國如此龐大的市場(chǎng)需求下，水下無損檢測(cè)設(shè)備研發(fā)迫在眉睫。

無損檢測(cè)技術(shù)有超聲、射線和漏磁等檢測(cè)技術(shù)[4]，但是這3種技術(shù)需要對(duì)海底管道進(jìn)行深度清理，檢測(cè)難度大，費(fèi)用高，不適用于海底管道檢測(cè)。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)(alternating current filed measurement, ACFM)是一種對(duì)裂紋探傷十分靈敏的新興的無損檢測(cè)技術(shù)，是由渦流漏磁檢測(cè)技術(shù)發(fā)展而來，具有檢測(cè)速度快，非接觸，特征信號(hào)明顯等優(yōu)點(diǎn)。由于ACFM具有非接觸和無需介質(zhì)優(yōu)點(diǎn)，十分適用于水下無損檢測(cè)。在對(duì)海底管道檢測(cè)，只需要對(duì)管道表面稍微清理即可，節(jié)省清理費(fèi)用。ACFM是給檢測(cè)物件施加交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在檢測(cè)材料表面產(chǎn)生的交變電流場(chǎng)，交變電流遇到裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致磁場(chǎng)畸變，通過檢測(cè)磁場(chǎng)畸變信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)。目前，基于ARM[5](advanced RISC machines)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)的嵌入式開發(fā)的ACFM檢測(cè)探頭，Wang等[6]進(jìn)行了上位機(jī)軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了無線傳輸，Wang等[7]對(duì)裂紋檢測(cè)算法進(jìn)行了反演算優(yōu)化；文獻(xiàn)[8-10]設(shè)計(jì)出單點(diǎn)與陣列檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)，單點(diǎn)檢測(cè)探頭能應(yīng)用于水深50 m，能識(shí)別裂紋長度為1.5 mm，深度1 mm，陣列檢測(cè)探頭應(yīng)用于管道檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率。Rowshandel等[11]設(shè)計(jì)的探頭應(yīng)用于鐵軌的滾動(dòng)接觸疲勞裂紋檢測(cè)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，反映了聚類裂縫參數(shù)對(duì)ACFM響應(yīng)的影響；英國天然氣公司與殼牌實(shí)現(xiàn)了ACFM檢測(cè)的可視化，能清晰地顯示材料缺陷的位置與缺陷形狀[12]。Park等[13]將ACFM檢測(cè)探頭安裝在遙控?zé)o人潛水器(remote operated vehicle，ROV)的機(jī)械手上，用于深海管道檢測(cè)，較好地完成了檢測(cè)任務(wù)。以上研究對(duì)ACFM設(shè)備研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，但是針對(duì)深水探頭的研究尚鮮見報(bào)道。

目前中外水下ACFM檢測(cè)探頭，都是由陸地上的檢測(cè)探頭直接演變過來的，只是簡單更換了外殼材料，但是未對(duì)外殼材料影響因素進(jìn)行針對(duì)性分析，且未深入分析各參數(shù)對(duì)探頭結(jié)構(gòu)的影響。深水檢測(cè)探頭只能安裝在ROV的機(jī)械手上，因此對(duì)檢測(cè)設(shè)備的重量要求更高，檢測(cè)探頭的輕量化設(shè)計(jì)十分重要。針對(duì)以上問題，對(duì)探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；對(duì)硬件方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化分析，并針對(duì)性的研究了探頭外殼材料對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。

1 ACFM檢測(cè)系統(tǒng)與仿真計(jì)算模型

如圖1所示，ACFM系統(tǒng)主要包括信號(hào)發(fā)生模塊、功率放大模塊、信號(hào)放大與調(diào)理模塊和信號(hào)采集模塊和磁芯探頭。圖2為仿真模型圖，檢測(cè)材料為45#。圖3為檢測(cè)材料45#表面電流密度圖和裂紋處磁場(chǎng)垂直分量Bz磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。

圖1 ACFM系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 ACFM仿真計(jì)算模型

圖3 單點(diǎn)檢測(cè)裂紋處磁感應(yīng)強(qiáng)度與表面電流密度分布

信號(hào)發(fā)生模塊主要提供低頻的交變信號(hào)，頻率范圍在500～10 kHz，目前大部分研究頻率設(shè)置為1、5、6 kHz。頻率的高低影響了線圈的阻抗、信號(hào)的采集和檢測(cè)材料上電磁感應(yīng)的強(qiáng)弱。如果頻率選取過大，會(huì)致使線圈的阻抗過大，在相同電壓下導(dǎo)致線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)變小,而由于電流趨膚效應(yīng)的影響，頻率還影響了裂紋檢測(cè)的深度。功率放大模塊主要的作用是對(duì)信號(hào)發(fā)生模塊的交變信號(hào)進(jìn)行放大，給線圈提供足夠強(qiáng)度的電流，使磁芯探頭能產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)，滿足磁芯探頭對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的要求。信號(hào)放大與調(diào)理模塊主要對(duì)磁芯探頭檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理，而在對(duì)磁芯探頭進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少信號(hào)的衰減和干擾，需要將磁性傳感器與外殼單獨(dú)密封，不與信號(hào)放大調(diào)理模塊安裝在一起。為了減少信號(hào)傳輸損失，將信號(hào)的放大調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊需要就近安裝在另一個(gè)密封盒中。如果磁芯探頭與信號(hào)放大調(diào)理模塊封裝在一起，會(huì)致使磁芯探頭過大，也會(huì)加劇磁芯探頭內(nèi)交變電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的影響。信號(hào)采集模塊的功能是對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并且進(jìn)行A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換，傳輸給上位機(jī)。

2 探頭關(guān)鍵部件的選擇與設(shè)計(jì)

2.1 磁性傳感器的選擇

磁芯探頭內(nèi)傳感器目前有兩種方案：一種是通過在微型磁芯的x方向與z方向纏繞相應(yīng)匝數(shù)的線圈，線圈通過感應(yīng)磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的微弱電信號(hào)來對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)；另一種是直接使用線性磁性傳感對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)裂紋信號(hào)。自制線圈傳感器具有微小、自適應(yīng)性強(qiáng)和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)為抗干擾能力差，穩(wěn)定性差；線性磁性傳感器具有靈敏度高、精度高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)為體積略大和成本高。比較以上兩種方案，檢測(cè)探頭傳感器選用線性磁性傳感器。

線性磁性傳感器主要有：線性霍爾磁性傳感器(Hall)、各項(xiàng)異性磁阻傳感器(AMR)、巨磁電阻傳感器(GMR)和隧道磁電阻傳感器(TMR)。比較上述4種傳感器，TMR傳感器的功耗最低、靈敏度最高，能縮小探頭的設(shè)計(jì)尺寸[14]。因此在線性磁性傳感器上選用TMR傳感器。

2.2 磁芯的選擇

磁芯材料的種類主要有：磁粉芯、軟磁鐵氧體和帶繞鐵芯。磁粉芯是用磁性粉粒和絕緣介質(zhì)混合壓制而成，適用于高頻電感；軟磁鐵氧體分為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體，鎳鋅鐵氧體的初始相對(duì)磁導(dǎo)率低，是一種高頻電感材料；而錳鋅鐵氧體具有初始磁導(dǎo)率高的特點(diǎn)，相對(duì)磁導(dǎo)率一般在2 000～10 000，適應(yīng)的頻率在幾十千赫茲范圍內(nèi)，被廣泛用于中頻變壓器；帶繞鐵芯，熟知的有硅鋼片，硅鋼片具有極高的磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，適合用于400 Hz以下的頻率，并且頻率越高，其渦流損耗越大[15]。在滿足TMR傳感器檢測(cè)范圍的條件下，初步仿真可知，線圈的頻率應(yīng)在10 kHz以下，因此選用錳鋅鐵氧體作為磁芯十分適合。

磁芯的形狀適合的有UU型、半圓型，通過仿真對(duì)比，從圖4可以看出，UU型磁芯在傳感器處產(chǎn)生的背景磁場(chǎng)更加穩(wěn)定，因此磁芯的形狀選擇為UU型。

圖4 不同磁芯磁感線仿真圖

2.3 線圈參數(shù)設(shè)計(jì)

通過仿真數(shù)據(jù)得知，TMR傳感器檢測(cè)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度比磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)該不小于0.02 T，線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度過小需要更高靈敏度的TMR傳感器。

通過式(1)計(jì)算出線圈的趨膚深度為0.6 mm，線圈的半徑需要小于趨膚深度，因此線圈直徑選擇0.2 mm，能通過最大電流為0.15 A。通過式(2)、式(3)計(jì)算線圈匝數(shù)為400匝。

(1)

(2)

B=μH

(3)

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；N為線圈匝數(shù)；I為線圈電流，A；Le為有效磁路長度，m；δ為趨膚深度，m；μ為磁導(dǎo)率，H/m；σ為材料電導(dǎo)率，S/m；ω為角速度，rad/s；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

2.4 磁芯大小設(shè)計(jì)

為了便于TMR傳感器的安裝和線圈纏繞，磁芯的窗寬不易過小，過小會(huì)導(dǎo)致線圈厚度增加和不便于安裝磁性傳感器，磁芯的窗寬應(yīng)該大于線性磁性傳感器封裝尺寸的兩倍以上。對(duì)磁窗大小對(duì)TMR傳感器檢測(cè)影響進(jìn)行了仿真分析。如圖5所示，定義TMR傳感器檢測(cè)的x和z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為Bx和Bz，ΔBx和ΔBz分別為Bx與Bz波形的峰峰值，當(dāng)磁窗長度增加時(shí)，ΔBz會(huì)急劇增加再緩慢減小。因此適當(dāng)?shù)脑黾哟糯伴L度有利于TMR傳感器檢測(cè)和線圈纏繞。綜上設(shè)計(jì)的磁性傳感器探頭如圖6所示。

圖5 磁窗寬度對(duì)ΔBz的影響

圖6 傳感器探頭

3 外殼材料對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響分析

通過仿真的參數(shù)設(shè)置可知，外殼材料的影響參數(shù)主要有電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率這兩個(gè)影響參數(shù)。因此需要對(duì)其進(jìn)行仿真分析，檢測(cè)材料為45#，探頭的掃描方向與裂紋方向平行且探頭的中線與裂紋的中線重合。

3.1 電導(dǎo)率對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

當(dāng)外殼材料的電導(dǎo)率在1～107S/m時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz的場(chǎng)強(qiáng)變化如圖7所示。

圖7 不同電導(dǎo)率Bz曲線和ΔBz變化

從圖7(a)、圖7(c)中可以看出，隨著外殼材料的電導(dǎo)率增大，TMR傳感器檢測(cè)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz與ΔBz會(huì)隨之減小。當(dāng)外殼的電導(dǎo)率在1～106S/m時(shí)，Bz的波形圖變化趨勢(shì)未發(fā)生改變和ΔBz減少緩慢；當(dāng)外殼材料的電導(dǎo)率達(dá)到106S/m時(shí)，磁性傳感器檢測(cè)到的Bz與ΔBz急劇減小；從圖7(b)可以看出，當(dāng)外殼材料的電導(dǎo)率達(dá)到107S/m時(shí)，TMR傳感器檢測(cè)的Bz曲線的波峰波谷發(fā)生顛倒。這些數(shù)據(jù)說明當(dāng)外殼材料的電導(dǎo)率越接近檢測(cè)材料的電導(dǎo)率時(shí)，會(huì)使Bz的磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇減小。

圖8為Bx的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖，Bx幅值與ΔBx的隨電導(dǎo)率變化的趨勢(shì)與Bz的一致。Bx的波形圖隨著外殼材料電導(dǎo)率的增加，偏置距離越來越大。通過圖8數(shù)據(jù)可知，Bx的磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Bz的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但是ΔBx與ΔBz的波動(dòng)相似，而過高的的磁感應(yīng)強(qiáng)度差異會(huì)對(duì)TMR傳感器的檢測(cè)范圍有進(jìn)一步的要求。磁性傳感器的磁場(chǎng)檢測(cè)范圍越大，其靈敏度會(huì)越小，因此為了減小Bx方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，可以在磁芯上添加一個(gè)恒流線圈或在激勵(lì)線圈上多加載一個(gè)恒壓源，以此來衰減Bx方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，使Bx的磁感應(yīng)強(qiáng)度在TMR傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)。

圖8 不同電導(dǎo)率Bx曲線

由于Bz與Bx變化的相似性，Bz的波形圖在0附近波動(dòng)，Bx會(huì)隨著各影響因素的改變其波形圖會(huì)發(fā)生偏置，因此把Bz的波形變化作為主要的研究對(duì)象，Bx的偏置在所有影響因素確定之后再進(jìn)行修正。

3.2 磁導(dǎo)率對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

外殼的相對(duì)磁導(dǎo)率在1～3 000，Bz的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線如圖9所示?？梢钥闯?，相對(duì)磁導(dǎo)率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電導(dǎo)率的影響，相對(duì)磁導(dǎo)率輕微增加，雖然不會(huì)影響B(tài)z的信號(hào)波形變化，但是Bz幅值與ΔBz大小急劇衰減。這是由于外殼材料與磁芯形成了新的閉合磁路，致使檢測(cè)材料上的磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇減小。高相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)致使TMR傳感器難以檢測(cè)到特征信號(hào)，因此外殼的材料不能是導(dǎo)磁材料。

圖9 不同磁導(dǎo)率Bz曲線和ΔBz變化

通過以上分析可知，探頭的外殼材料不能為導(dǎo)磁材料，電導(dǎo)率不會(huì)較大影響檢測(cè)信號(hào)，但是電導(dǎo)率越低越好。由于探頭是應(yīng)用于深水區(qū)域檢測(cè)，因此外殼材料有以下3種方案。

方案1探頭不用外殼，直接使用特殊樹脂材料對(duì)探頭進(jìn)行封裝，完全包裹磁芯與TMR傳感器。優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)信號(hào)靈敏、穩(wěn)定，不需要深水密封接頭。缺點(diǎn)：填充的樹脂非常昂貴，而且為了解決導(dǎo)線外殼受壓致使海水浸入，需要對(duì)導(dǎo)線露出處使用特殊的材料進(jìn)行封裝；不能進(jìn)行維修，使用壽命短。

方案2外殼材料使用鋁合金，并且在外殼里填滿樹脂來增加探頭的承壓能力。優(yōu)點(diǎn)：材料為完全不導(dǎo)磁材料，減少信號(hào)干擾。缺點(diǎn)：不能維修，長時(shí)間使用易腐蝕變形，影響信號(hào)檢測(cè)。

方案3外殼材料使用304不銹鋼材料。優(yōu)點(diǎn)：材料強(qiáng)度高，耐用，易于維修。缺點(diǎn):相比于鋁合金有微弱的磁導(dǎo)率，對(duì)傳感器要求高，信號(hào)處理更困難。

綜合比較3種方案，方案3更加適合用于深水檢測(cè)。

3.3 線圈電流頻率對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

如圖10(a)所示，在外殼為不銹鋼材料的情況下，當(dāng)線圈的電流頻率在500～8 000 Hz變化時(shí)，隨著電流頻率的增加，ΔBz的幅值線性遞減。這是由于電流的頻率增加，導(dǎo)致外殼和待檢測(cè)物件產(chǎn)生的交變電場(chǎng)的損耗增加，而根據(jù)楞次定律，交變電場(chǎng)的產(chǎn)生是用來抵抗磁場(chǎng)的變化，這導(dǎo)致ΔBz變小。圖10(b)為當(dāng)電流頻率大于7 000 Hz時(shí)，其Bz波形發(fā)生紊亂。為了研究是否是外殼電導(dǎo)率導(dǎo)致的，與外殼電導(dǎo)率為0時(shí)進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)比圖10(b)與圖11(b)可知，當(dāng)電流的頻率大于7 000 Hz時(shí)，波形的紊亂就是外殼材料電導(dǎo)率造成的。說明外殼材料的電導(dǎo)率對(duì)Bz波形圖的穩(wěn)定性有一定影響，但在電流頻率較低時(shí)，外殼上產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)還不足以使Bz的波形圖失真。

圖10 外殼為304不銹鋼，不同電流頻率Bz曲線和ΔBz變化

圖11(a)為當(dāng)外殼材料為電導(dǎo)率0時(shí)ΔBz變化曲線，與圖10(a)對(duì)比可知，外殼電導(dǎo)率為0時(shí)，ΔBz會(huì)隨著頻率的增加先增加后減少，當(dāng)頻率到達(dá)3 000 Hz時(shí)，ΔBz達(dá)到最大值，而當(dāng)外殼為不銹鋼材料時(shí)，ΔBz的最大值在頻率為1 000 Hz時(shí)出現(xiàn)。這進(jìn)一步驗(yàn)證了波形紊亂是不銹鋼外殼與檢測(cè)材料上產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)相干擾導(dǎo)致的。

圖11 外殼電導(dǎo)率為0，不同電流頻率Bz曲線和ΔBz變化

綜合以上分析線圈電流頻率為1 000 Hz最為適合，若TMR的傳感器靈敏度高，適當(dāng)增加電流頻率也不會(huì)影響檢測(cè)效果，但頻率過大會(huì)導(dǎo)致Bz的波形圖失真。頻率也不宜過低，由于線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)被磁性傳感器檢測(cè)到，頻率過低會(huì)導(dǎo)致特征信號(hào)被覆蓋，適當(dāng)增加頻率能降低線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾，因此最佳測(cè)試頻率為2 000～3 000 Hz。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 不同電流頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

磁芯探頭線圈頻率在1 000～8 000 Hz對(duì)長度為10 mm，深度為1.5 mm的裂紋進(jìn)行掃描。采集的電壓如圖12所示?？梢钥闯?，線圈電流頻率越高，采集信號(hào)電壓的峰峰值Vpp越低，當(dāng)頻率到達(dá)7 000 Hz時(shí)，波形開始紊亂。

圖12 不同頻率的Bz電壓信號(hào)

4.2 不同裂紋長度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

裂紋長度在6～18 mm變化，磁芯探頭依次掃過，電流頻率為2 000 Hz，采集的Bz電壓信號(hào)如圖13所示?？梢钥闯隽鸭y長度越大，信號(hào)的Vpp越大，但是裂紋長度為18 mm，Vpp有降低趨勢(shì)，這是由于交變電流向裂紋兩端聚集在減弱，向裂紋底部越過在增強(qiáng)。檢測(cè)到的特征信號(hào)明顯，磁芯探頭的靈敏度高。測(cè)試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)相匹配。

圖13 不同裂紋長度的Bz電壓信號(hào)

5 結(jié)論

對(duì)深水無損檢測(cè)探頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)外殼材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率對(duì)無損檢測(cè)設(shè)備各參數(shù)的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且對(duì)參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化?？偨Y(jié)出電流頻率和外殼材料的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率越高，ΔBz與ΔBx越小，Bx波形會(huì)發(fā)生偏置；外殼材料的電導(dǎo)率達(dá)到107S/m時(shí)，Bz與Bx的波形圖會(huì)發(fā)生顛倒；外殼材料為304不銹鋼時(shí)，電流頻率過高會(huì)導(dǎo)致，Bz與Bx的波形失真，最佳電流頻率為1 000 Hz，最佳測(cè)試頻率為2 000～3 000 Hz；外殼材料不能使用導(dǎo)磁材料。研究成果為深水無損檢測(cè)設(shè)備后續(xù)的研發(fā)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。