Page 102 - 无损检测2021年第十期

李 伟, 等:

隔水管环焊缝裂纹交流电磁场检测系统的研制

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 ϕ 0.15mm 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。

图3 磁通密度B x 和B z 曲线

2 隔水管检测系统开发

2.1 检测方案总体设计
图1 隔水管环焊缝裂纹 ACFM 仿真模型 依据交流电磁场检测技术原理设计了隔水管环

隔水管试件材料为 X80钢 [ 5 ] , 磁芯材料为锰锌 焊缝及热影响区裂纹快速检测系统( 见图4 ), TMR
铁氧体。 为隧道磁阻传感器。
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( 见图2 )。
图4 隔水管环焊缝及热影响区裂纹快速检测系统
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
图2 隔水管环焊缝表面电流密度示意 储和输出。硬件系统与软件系统相互配合构成隔
由图2可知, 感应线圈通过磁芯在隔水管试件表 水管环焊缝检测系统, 可实现隔水管环焊缝及热
面感应出均匀电流, 感应电流绕过裂纹的在裂纹两端 影响区裂纹缺陷的快速检测。
聚集。绘制探头的扫查路径上沿x 方向的磁通密度 2.2 阵列探头设计

B x 曲线和沿z 方向的磁通密度B z 曲线( 见图3 )。 设计的阵列传感器应实现隔水管环焊缝的全覆
仿真结果显示, 感应电流绕过裂纹两端, 使周围 盖式检测, 笔者首先对传感器的分布进行优化。在
信号 探头整体覆盖面积相同的情况下, 单个传感器的覆
磁场产生畸变, B x 信号在裂纹处产生波谷, B z

在裂纹两端分别产生波峰和波谷,磁场的变化规律 盖面积应与传感器数量呈反比。在考虑经济效益的
符合 ACFM 检测原理。仿真结果证实了该有限元 情况下, 传感器数量应该在满足检测要求的情况下
模型的正确性, 将 ACFM 检测用于隔水管环焊缝的 尽可能少。通过建立仿真模型, 研究单个传感器在
检测中是可行的, 为研究传感器分布对 ACFM 信号 不同偏移量的情况下, B x B z 信号畸变量的大小,
、
的影响和设计快速检测探头奠定了基础。 确定单个磁传感器的理论最大覆盖范围, 设计传感
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2021年 第43卷 第10期

无损检测