ACFM裂纹检测改进——RACFM

之前一段时间,阅读了一片裂纹检测的文章,写了篇内容摘要。

针对交变电场检测(ACFM)的方向性局限,文章High sensitivity rotating alternating current field measurement for arbitrary-angle underwater cracks(下文简称“原文”)提出了基于旋转交变电场检测(RACFM)的裂纹检测方式,并通过模拟的海水环境实验验证了RACFM 对任意角度裂纹的灵敏性。

1 论文背景

原文以离岸油气开采行业为实际应用背景,列举了当时水下管道裂纹检测的几种方法,并分析这些方法的特点和缺陷,请参见表1。针对当时普遍使用的交变电场检测(ACFM)的方向性局限,原文提出了一种新型的旋转交变电场检测(RACFM)在保证相对较高的灵敏度的前提下,克服方向性的局限。

表1 多种裂纹检测比较
特点 缺陷
肉眼检查 实用、廉价
  1. 高度依赖使用者的经验和能力
    2. 不借助工具无法发现应力腐蚀开裂(SCC)
磁粉探伤(MPI)
  1. 使用最广泛
    2. 使用铁屑探查裂纹
MPI的检测性能依赖于结构体表面的平整程度,而水下表面清洁成本高昂
漏磁检测(MFL) 无接触检测,无需表面清洁 无法检测排列紧密的裂纹
涡流检测(ECT) 检测导电材料表面和亚表面的裂缝 水下结构体表面不规则,难以做到匀速检测装置离开,影响ECT精准性
交流电场检测(ACFM)
  1. 无需表面清洁
    2. 数学模型精确
    3. 对检测装置移动具有高容忍度
裂纹与感应电流垂直时,感应电流的扰动最大,与感应电流平行时最小,实际使用时需对同一位置多次检测,增加检测成本

2 理论分析

ACFM 是一种基于交流电位差的裂纹检测手段。通以交流电的线圈在其周围产生变化的交流磁场,被测表面感应出感生电动势,产生变化的感生交流电场。当被测表面出现裂纹时,感生交流电场就会被干扰,同时交流磁场也会受到轻微的扰动。ACFM 就是通过检测交流磁场的扰动来检测裂纹的长度和深度,其原理框图请参见图1。

图1 ACFM原理框图

图2-a和图2-b分别为被测表面的裂纹与交流电场垂直和平行的示意图。显而易见,当交流电场的方向与裂纹垂直时,裂纹对交流电场的影响就会更加明显;反之,两者平行时,裂纹对交流电场的影响明显降低。原文针对这一局限,RACFM 使用双“U”型正交电感器产生周期旋转的交变磁场,感生出周期旋转的交变电场,最终实现电场与裂纹正交。一个周期内RACFM 感生交流电场方向理论示意图如图3所示。

原文针对这一局限,RACFM使用双“U”型正交电感器产生周期旋转的交变磁场,感生出周期旋转的交变电场,最终实现电场与裂纹正交。一个周期内RACFM感生交流电场方向理论示意图如图3所示。

图2 裂纹角度对交流电场的影响
图3 周期内RACFM感生交流电场方向理论示意图

3 实验验证

原文使用RACFM与传统ACFM对照试验,除电感器的激励电流外,其余均相同。

探测器直线移动经过裂纹,通过改变路径与裂纹的夹角(0°-90°)来模拟任意角度的裂纹,记录\(B_x\)\(B_z\)两个方向的磁感应强度,实验结果如图4所示。在夹角为0°时,RACFM和ACFM得到的扰动都有明显的波动,可以作为裂纹的依据。随着夹角不断变大,ACFM得到的磁感应强度扰动不断衰减,当夹角过大时,扰动被噪声覆盖。而RACFM得到的扰动则一直比较明显,不会随着夹角变化产生明显的衰减。

图4 B_x和B_z实验数据

为了量化RACFM的性能,原文定义了x和z方向磁感应强度的灵敏度,见下方公式。

\[ \begin{equation} \label{eq1} \left\{ \begin{array}{l} {S_x} = \frac{ {M{X_{max} } } }{ {M{X_0} } } \times 100\% \\ {S_z} = \frac{ {M{Z_{max} } } }{ {M{X_0} } } \times 100\% \end{array} \right. \end{equation} \]

其中,\(MX_0\)表示无裂纹时,\(B_x\)的幅度;\(M{X_{max}}\)\(M{Z_{max}}\)分别表示\(B_x\)\(B_z\)扰动的最大值。灵敏度与角度变化的关系如图5所示。随着路径与裂纹夹角不断变大,ACFM的灵敏度急剧降低,当夹角大于50°时,ACFM的两个方向灵敏度接近0;RACFM的灵敏度\(S_x\)\(S_z\)虽然有衰减,但依旧处于较高的灵敏范围内,可以作为裂纹检测的依据。

图5 S_x和S_z变化趋势

根据实验结果,RACFM能克服传统ACFM的方向性局限,同时,RACFM还保持了较高的裂纹检测灵敏度,可以应用在实际的离岸油气开采行业的管道裂纹检测场景中。


其实这篇文章提出的RACFM其实就是将ACFM从线到面,从单一角度扩展到多个角度,并不是特别深奥难懂的点子。甚至这样的例子也发生在平时的生活中,我们也许会写下“就这?”。前几天开始看Talk Like TED,开篇第一句就是“Ideas are the currency of the twenty-first century”。这就让我想起了RACFM这篇文章,以及经常遇见的“就这?”。