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嘉峪檢測網(wǎng) 2019-01-08 15:48
ACFM
首先，讓我們來回顧一下歷史。交流電磁場檢測（ACFM）技術(shù)是在上世紀80年代開發(fā)出來的，主要用于檢測和評估海上石油平臺水下焊管交叉焊口疲勞裂紋的穿透深度。在ACFM技術(shù)出現(xiàn)之前，這些缺陷通常是采用磁粉檢測技術(shù)來發(fā)現(xiàn)并測量的。
疲勞裂紋的嚴重程度（與結(jié)構(gòu)的剩余壽命直接相關(guān)）與它們的深度是密不可分的。在以前，傳統(tǒng)的渦流檢測系統(tǒng)并不適合在水下使用或?qū)﹁F素體鋼焊接件進行檢測，因為它們無法準確測量深度超過5毫米（0.2英寸）的缺陷。交流電位降（ACPD）是用于測量缺陷深度的技術(shù)，但由于需要在電壓探針和鋼表面之間保持非常好的電接觸，因此在水下使用時檢測速度很慢，并且操作非常困難。
解決這個問題需要一個相當于ACPD的非接觸式接口，英國的一些石油公司與英國倫敦大學進行了合作研究，并開發(fā)出了一種新的技術(shù)——交流電磁場檢測技術(shù)，即ACFM技術(shù)問世。
檢測原理
ACFM在局部引入均勻的電流到被測工件，并測量工件表面的磁通密度。在碳鋼上，電場通常以5kHz的頻率感應(yīng)，導致電流被限制在材料表面的一層薄薄的區(qū)域上。表面斷裂缺陷干擾了感應(yīng)電流，從而影響了磁通密度。
傳感器區(qū)域下的均勻磁場
ACFM技術(shù)一般測量磁通密度的兩個分量：一個提供有關(guān)缺陷末端位置的信息（測量缺陷的長度），另一個提供缺陷的縱橫比（并因此提供深度）信息。兩個分量組合才能更好的確認缺陷存在，并且應(yīng)用根據(jù)理論模型開發(fā)出的尺寸算法，建立缺陷的表面長度和深度信息。
感應(yīng)電流的主要方向被指定為Y軸，與之相關(guān)的磁場在表面上的方向被指定為X軸。當被測件沒有缺陷時，電流會沿Y軸流動，磁場沿X軸流動。磁場的Y和Z分量（用B和Bz表示）為零，而X分量（Bx）則與電流的大小成正比例關(guān)系。
ACFM坐標系
當在被測工件中存在沿著X軸的線性表面缺陷時，會切斷電流線，迫使電流在缺陷端部周圍和下方流動。當在缺陷下方流動時，一些電流被迫離開表面，這將會降低缺陷中間的磁場強度（下圖中的藍色區(qū)域）；當一些電流圍繞缺陷的末端流動時，則會加強端部的磁場強度（下圖中的紅色區(qū)域），如此就出現(xiàn)了部分循環(huán)流動，這種圍繞裂紋兩端的旋轉(zhuǎn)就產(chǎn)生了一個可測量的非零的Bz分量。
線性缺陷周圍的擾動電場和對Bx強度的影響
缺陷末端周圍電流的旋轉(zhuǎn)和對Bz的影響
蝶形圖
ACFM目前有三種可視化的方式：時基掃描圖、蝶形圖和等值線彩圖。
蝶形圖是以Bz為橫坐標，Bx為縱坐標畫出來的圖形。Bx曲線的兩個峰值點就是蝶形圖中縱坐標左右兩個極值點，而Bz曲線的最小值點也是蝶形圖中縱坐標的極小值點，因而Bz曲線和Bx曲線中包含的信息在蝶形圖中都能反映出來，結(jié)合交流電磁場檢測的基本原理，可以準確實現(xiàn)缺陷的判斷和定性分析。
當工件中有缺陷時，蝶形圖上會出現(xiàn)一個明顯的環(huán)，稱為缺陷環(huán)，當探頭的掃描速度發(fā)生波動時，只會使缺陷環(huán)的一側(cè)出現(xiàn)纏繞的線條，但缺陷環(huán)還是比較明顯的，這樣就降低了誤判和漏判的幾率。
由Bx和Bz曲線綜合產(chǎn)生的缺陷蝶形圖
根據(jù)探頭靠近裂紋的方向，探頭的運動方向可以是順時針或逆時針，蝶形圖相應(yīng)的也可以沿順時針或逆時針方向繪制，方向可以幫助區(qū)分裂紋和非相關(guān)信號。
等值線彩圖適用于陣列型探頭。將探頭檢測到的數(shù)據(jù)以對應(yīng)的顏色在屏幕上顯示出來，此時圖形中的分辨率與陣列的密度有關(guān)。
ACFM技術(shù)的利與弊
ACFM的主要優(yōu)點包括：
可以通過厚度為5毫米（0.2英寸）的涂層進行檢測；
可以測量深達25毫米（1英寸）的表面裂紋的深度；
易于檢測材料邊界（例如焊縫），因為它們與掃描路徑平行；
無需現(xiàn)場校準。
ACFM的缺點則主要集中在以下幾個方面：
在光滑、干凈的表面上，ACFM對短/淺缺陷的敏感度通常低于傳統(tǒng)的渦流檢測技術(shù)；
邊緣和角落等幾何變化會產(chǎn)生混亂的信號；
缺陷的尺寸模型是基于線性疲勞裂紋的，對于其他形式的缺陷尺寸的測量精度可能會有所降低。
設(shè)備剖析
基本的ACFM探針至少包含三個元件：
磁場誘導器；
用于測量沿X軸磁通密度的磁傳感器；
用于測量沿Z軸磁通密度的磁傳感器。
傳感器方向示意
基本的ACFM探針只能檢查10~15毫米（0.4~0.6英寸）寬、以探頭傳感器為中心的窄條形缺陷。
為了一次性檢查更寬的區(qū)域，人們設(shè)計出了包含幾組相鄰傳感器對的陣列ACFM探針，而且傳感器陣列還可以有多種配置。一些陣列探頭還具有垂直于主磁場的X、Y軸磁場誘導器和附加傳感器，使其能同時在兩個正交方向上進行檢查，以檢測和確定所有方向上的缺陷。
兼容和自定義配置的陣列探頭示例
陣列數(shù)據(jù)可以通過傳統(tǒng)的跡線圖或C掃描圖像顯示出來。如下圖所示，紅色波峰和藍色波谷被清晰的顯示在綠色的背景水平上。
ACFM陣列Bx和Bz數(shù)據(jù)C掃描顯示圖像
ACFM典型應(yīng)用
許多行業(yè)已經(jīng)廣泛采用ACFM技術(shù)來檢查焊接連接件是否存在表面缺陷。由于陣列ACFM探頭提供了廣泛的覆蓋范圍和較小的相對誤差，因此它們可以作為遠程部署解決方案的一部分，例如掃描儀和爬行器等，來替代人工直接進入檢測是非常困難的、不安全的或者成本較為高昂的一些應(yīng)用場合。
遠程ACFM部署示例
非鐵磁性材料檢測
ACFM技術(shù)通常用于鐵磁材料的檢測，并且具有非常高的靈敏度。然而，它有時也被用于非鐵磁材料，如奧氏體不銹鋼（核儲罐池）、鈦（海上管道）和鉻鎳鐵合金（井下電機的螺紋連接）等，并且都取得了良好的檢測效果。
驗收與標準
對于焊縫檢測，ACFM技術(shù)已被石油天然氣、石化、海洋等行業(yè)的資產(chǎn)所有者、保險公司或認證機構(gòu)廣泛接受。比如在石油和天然氣行業(yè)，一些認證機構(gòu)批準采用ACFM檢查水上和海底應(yīng)用中的海上設(shè)施，一些推薦的實踐和程序文件中也包括ACFM。
ACFM技術(shù)現(xiàn)在也是某些沿海區(qū)域檢查鉆柱螺紋時公認的一種MPI替代方案，并已發(fā)布了相關(guān)推薦的實踐操作方法。
以下列舉一些可供參考的標準和規(guī)范：
ABS, Guide for Nondestructive Inspection of Hull Welds, 2018. https://ww2.eagle.org/content/dam/eagle/rules-and-guides/current/survey_and_inspection/14_ndi_hullwelds/NDI_Guide_e-Feb18.pdf
ASTM, Standard Practice for Examination of Welds using the Alternating Current Field Measurement Technique (E2261-03), latest revision: E2261-17. www.astm.org/Standards/E2261.htm
ASME V Article 15, Alternating Current Field Measurement Technique (ACFMT), 2006. www.asme.org/products/codes-standards/bpvcv-2017-bpvc-section-vnondestructive
North Sea standard NS-2 (1999), latest revision 2012. www.fearnleyprocter.com/ns-2-standard
作者：Michael Smith
來源：無損檢測NDT
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