基于交流電磁場的水下結(jié)構(gòu)物裂紋尺寸及剖面高精度評估方法

袁新安, 李 偉, 齊昌超, 崔銘芳, 陳國明, 殷曉康, 趙建明, 蔣維宇

(1.中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島 266580; 2.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院,四川成都 610041)

交流電磁場檢測(alternating current field measurement,ACFM)技術(shù)是近年來新興的電磁無損檢測技術(shù),具有提離不敏感,非接觸檢測,無需清理結(jié)構(gòu)附著物及涂層,定量檢測等諸多優(yōu)勢,已廣泛應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)物、高鐵、核電及特種裝備表面缺陷無損檢測[1-3]。交流電磁場依靠矩形激勵線圈在導(dǎo)電試塊表面感應(yīng)出均勻電流,感應(yīng)電流垂直穿過裂紋,在裂紋兩端聚集導(dǎo)致垂直于試塊方向的磁場(Bz)在裂紋兩端產(chǎn)生正反峰值,因此Bz正反峰值之間距離反映裂紋長度信息;感應(yīng)電流在裂紋端點繞過同時造成垂直于裂紋方向的磁場(By)交替產(chǎn)生波峰和波谷;感應(yīng)電流在裂紋中心底部繞過,裂紋中心電流密度減弱導(dǎo)致沿著裂紋方向的磁場(Bx)產(chǎn)生波谷,波谷反映裂紋深度信息[4-6]。通常情況下,依據(jù)特征信號Bz峰谷間距即可求得裂紋長度,依據(jù)特征信號Bx波谷變化量可求得裂紋大致深度[7]。但由于裂紋長度與特征信號Bz的峰谷間距存在較大誤差,裂紋長度也對Bx波谷產(chǎn)生影響,因此造成傳統(tǒng)特征信號評估方法誤差較大,影響結(jié)構(gòu)的剩余壽命評估和維修決策。Dover等[8-9]建立了經(jīng)典ACFM理論模型,給出了基于二維平面假設(shè)和均勻感應(yīng)電流的裂紋周圍電磁場擾動解析模型。胡書輝[10]提出線性插值方法反演裂紋長度和深度尺寸。Ribeiro等[11]給出均勻感應(yīng)電流下裂紋與特征信號的正演模型。Nicholson等[12-13]將ACFM用于鐵軌簇狀滾動接觸疲勞裂紋檢測和評估。Amineh等[14]提出基于模型反演算法的不同提離高度下裂紋深度評估方法。課題組及其他學者[15-18]在前期研究中提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學習的裂紋尺寸反演算法。這些研究均未考慮裂紋長度和深度對特征信號Bx和Bz的交互影響,造成結(jié)果評估精度不足。此外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等自學習方法需要大量樣本數(shù)據(jù),難以在工程現(xiàn)場快速應(yīng)用和實施。針對這些問題,筆者建立海水環(huán)境ACFM三維有限元仿真模型,分析裂紋長度和深度變化對特征信號交互影響規(guī)律,提出兩步插值裂紋尺寸評估算法和分割插值的裂紋剖面重構(gòu)算法。為水下結(jié)構(gòu)物裂紋實時檢測和高精度評估提供行之有效的方法。

1 海洋環(huán)境ACFM仿真模型

利用ANSYS有限元仿真軟件建立海水環(huán)境ACFM三維仿真模型[19-20],如圖1所示。仿真模型主要由激勵線圈、U型錳鋅鐵氧體磁芯、鋼板試塊和裂紋缺陷組成,500匝激勵線圈纏繞在錳鋅鐵氧體橫梁上,激勵線圈加載頻率2 000 Hz、電流強度為0.1 A的交變電流。為真實模擬海水環(huán)境中電磁場分布,仿真模型探頭周圍內(nèi)部充滿空氣,外側(cè)被海水環(huán)境包圍,仿真模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 海水環(huán)境ACFM三維有限元仿真模型Fig.1 3D FEM model of ACFM in seawater environment

表1 仿真模型尺寸參數(shù)

提取仿真模型中鋼板試塊表面電流矢量圖(圖2(a))?？梢钥闯?激勵線圈在試塊表面感應(yīng)出均勻電流,電流垂直穿過裂紋,在兩端聚集且偏轉(zhuǎn)方向相反。提取鋼板試塊表面電流密度,如圖2(b)所示。電流在裂紋端點聚集形成極大峰值,感應(yīng)電流從裂紋底部繞過在裂紋中心區(qū)域形成波谷,造成Bx在裂紋中心位置出現(xiàn)波谷,如圖3(a)所示。由于偏轉(zhuǎn)方向不同,擾動電流造成Bz在裂紋端點位置呈現(xiàn)正負峰值,如圖3(b)所示。海水環(huán)境中仿真模型特征信號Bx和Bz變化規(guī)律與ACFM原理一致。

圖2 試塊表面感應(yīng)電流分布Fig.2 Distribution of induced current in surface of specimen

圖3 畸變磁場特征信號Fig.3 Distorted magnetic field

特征信號Bx由于電流在裂紋深度方向繞過,因此Bx波谷與裂紋深度相關(guān),特征信號Bz峰谷位于裂紋兩側(cè)端點,因此峰谷間距反映裂紋長度。但裂紋長度和深度變化對特征信號Bz和Bx是交互影響,單個長度或深度變化并不是特征信號的唯一影響因素。為確定裂紋尺寸變化對特征信號Bx和Bz影響規(guī)律,借助仿真分析不同尺寸裂紋特征信號。

2 兩步插值算法

建立5組不同尺寸裂紋仿真模型,裂紋寬度均為0.5 m。第一組仿真模型為同樣長度(10 mm)的不同深度(1、2、3、4、5和6 mm)裂紋；第二組為同樣長度(20 mm)的不同深度(1、2、3、4、5和6 mm)裂紋;第三組為同樣長度(30 mm)的不同深度(1、2、3、4、5和6 mm)裂紋;第四組為同樣長度(40 mm)的不同深度(1、2、3、4、5和6 mm)裂紋;第五組為同樣長度(50 mm)的不同深度(1、2、3、4、5和6 mm)裂紋。定義特征信號Bz正負峰值之間的距離為PBz,得到不同深度裂紋的PBz變化圖,如圖4(a)所示。不同深度特征信號PBz與裂紋長度變化規(guī)律基本一致,表明PBz基本不受裂紋深度影響。

圖4 信號特征與尺寸關(guān)系Fig.4 Relationship between signal characteristic and crack size

為了比較不同深度裂紋特征信號畸變幅度,消除電流、線圈匝數(shù)等線性參數(shù)對仿真或試驗結(jié)果的影響,定義特征信號Bx的靈敏度為SBx:

SBx=(Bx0-Bxmin)/Bx0=1-Bxmin/Bx0.

(1)

求取不同長度裂紋特征信號畸變最大值位置靈敏度SBx,如圖4(b)所示。特征信號Bx主要是電流在裂紋中心擾動引起的二次磁場畸變,Bx擾動情況受裂紋深度影響較為明顯,不同深度裂紋特征信號Bx靈敏度差異較大。同時裂紋長度也對電流在深度方向擾動產(chǎn)生影響,較短裂紋中心處電流受裂紋長度影響,引起B(yǎng)x最大靈敏度變化。當裂紋擴展到一定程度時,裂紋中心感應(yīng)電流達到極小值且不受裂紋長度影響,特征信號Bx靈敏度也不受裂紋長度影響。由圖4(b)可知,當裂紋長度大于30 mm時,不同長度裂紋特征信號Bx靈敏度基本保持一致。當裂紋長度小于30 mm時,不同長度裂紋特征信號靈敏度有較大差異。

綜上所述,特征信號Bz峰谷間距受裂紋長度影響,不受裂紋深度變化影響;特征信號Bx靈敏度受裂紋深度影響,也受裂紋長度影響?；谝陨弦?guī)律,為實現(xiàn)裂紋高精度評估,提出基于特征信號Bx和Bz的兩步插值算法,具體步驟如下:

(1)利用特征信號Bz獲取峰谷間距PBz,利用PBz求取裂紋長度L。

(2)當裂紋長度L≥30 mm時,采用仿真或試驗擬合方式得到靈敏度SBx與裂紋深度插值公式。由試驗測得SBx,采用插值方法評估裂紋深度。當裂紋長度L<30 mm時,采用仿真或試驗擬合方式得到特定長度(如10、20 mm等)裂紋靈敏度SBx與裂紋深度插值公式。由試驗測得SBx,選取近似長度擬合公式評估裂紋深度。兩步插值方法能夠快速獲取裂紋長度和深度信息,無需大量樣本數(shù)據(jù),有利于實現(xiàn)裂紋尺寸的在線實時評估。

由仿真模型得到裂紋長度、深度與特征信號規(guī)律,由多項式插值可得到裂紋長度L,并求取長度大于30 mm的裂紋深度D30及長度為20 mm的裂紋深度D20,表示為

L=1.02PBz+1.02.

(2)

(3)

(4)

3 試驗系統(tǒng)建立

水下ACFM檢測系統(tǒng)由水下探頭、艙體和水上計算機組成,探頭依靠水密封接頭與艙體連接,艙體與水上計算機之間依靠光纖連接,如圖5(a)所示。

艙體內(nèi)鋰電池為整機系統(tǒng)供電,激勵模塊產(chǎn)生頻率2 000 Hz幅值10 V的正弦激勵信號并加載至探頭內(nèi)激勵線圈,激勵線圈在試塊表面感應(yīng)出均勻電流場。當缺陷存在時,感應(yīng)電流產(chǎn)生擾動,引起空間磁場畸變。探頭內(nèi)部磁場傳感器測量畸變磁場,通過初級放大濾波電路傳輸至艙體內(nèi)放大模塊[21-22]。信號經(jīng)過放大后傳輸至采集卡,通過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至處理器,處理器通過光纖傳輸至水面上,水面上的光纖接收器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至計算機,計算機內(nèi)部程序?qū)崟r分析并評估裂紋尺寸,開發(fā)的水下ACFM系統(tǒng)如圖5(b)所示。

圖5 水下ACFM系統(tǒng)Fig.5 Underwater ACFM system

4 裂紋評估測試

將探頭和艙體放置于水箱,水箱內(nèi)充滿海水介質(zhì),利用機械臂帶動探頭以40 mm/s勻速掃查試塊裂紋區(qū)域,如圖6(a)所示。本次測試設(shè)置有兩塊試塊,材料均為Q235。試塊1為深度相同(4 mm)的矩形槽裂紋，裂紋開口0.5 mm,裂紋長度分別為20、40、45 mm,編號分別為1#、2#和3#,如圖6(b)所示。試塊2為不同剖面形貌裂紋，裂紋開口0.5 mm,編號為4#、5#、和6#。其中4#裂紋為中橢圓裂紋，裂紋長度為20 mm,缺陷最深為4 mm;5#裂紋剖面為半橢圓缺陷，長度為30 mm,缺陷最深處為5 mm;6#裂紋剖面為復(fù)雜形貌，裂紋表面開口長40 mm,缺陷最深處為4 mm,如圖6(c)所示。試塊裂紋尺寸見表2。

圖6 水下ACFM試驗系統(tǒng)Fig.6 Underwater ACFM testing

表2 試塊裂紋尺寸

4.1 裂紋尺寸評估

利用機械臂帶動探頭對試塊1勻速檢測,特征信號Bx靈敏度SBx檢測結(jié)果如圖7(a)所示,特征信號Bz檢測結(jié)果如圖7(b)所示。

由Bz可求得峰谷間距PBz分別為18.0、37.5和42.0 mm,利用式(2)插值求取1#、2#和3#裂紋長度分別為19.4 、39.3和43.9 mm。對于長度39.3 mm(2#)、43.9 mm(3#)的裂紋,由式(3)求取裂紋深度分別為3.7 和3.8 mm,誤差分別為7.5%和5.0%,得到較高的評估精度。

對于長度小于30 mm裂紋,采用近似公式(4)對長度19.4 mm(1#)裂紋進行評估,估算裂紋深度為3.8 mm,誤差為7.5%。若直接采用式(3)估算裂紋深度,則得到裂紋深度為7.2 mm,遠大于裂紋實際尺寸?？梢?采用兩步插值算法可提升長度小于30 mm裂紋深度評估精度。采用兩步插值算法對裂紋的長度和深度評估結(jié)果見表3。綜上可知,兩步插值算法可實現(xiàn)裂紋長度和深度高精度評估,深度最大誤差為7.5%,長度最大誤差為3.0%。

圖7 同樣長度裂紋測試結(jié)果Fig.7 Testing results of cracks with the same length

表3 裂紋尺寸評估結(jié)果

4.2 裂紋剖面評估

利用探頭對試塊2勻速檢測,特征信號Bx由式(1)得到靈敏度SBx,去除大于背景磁場部分(剖面之上信號去除),如圖8(a)所示。

為實現(xiàn)裂紋剖面重構(gòu)和評估,提出基于特征信號Bx分割插值裂紋剖面重構(gòu)算法。首先利用圖8(b)特征信號Bz峰谷間距PBz和式(2)修訂裂紋長度,得到4#、5#和6#三條裂紋的長度分別為19.4、29.6和38.8 mm。其次采用分割插值方法,將5#裂紋作為標定裂紋,在長度方向等距分割為15等份,形成15個裂紋深度點,同時將5#裂紋的特征信號靈敏度SBx在裂紋區(qū)域設(shè)為15等份,形成15個位置點的靈敏度,則可求取裂紋任意位置深度與靈敏度SBx的對應(yīng)關(guān)系,如圖8(c)所示。裂紋深度D與靈敏度SBx關(guān)系可用多項式插值公式表述為

(5)

圖8 裂紋剖面測試結(jié)果Fig.8 Testing results of crack with different profiles

最后,將4#裂紋靈敏度SBx沿著長度方向等距分割10份,得到10個位置點的靈敏度。將6#裂紋靈敏度SBx沿著長度方向等距分割20份,得到20個位置點靈敏度。利用式(5)可求得每個位置點靈敏度對應(yīng)的裂紋深度,重構(gòu)裂紋剖面輪廓,如圖9所示。

圖9(a)和圖9(c)中縱坐標0位置代表試塊上表面,負數(shù)值代表位于試塊表面以下的深度。圖9(b)和圖9(d)展示了裂紋剖面可視化形貌,與試塊2中缺陷剖面高度吻合。4#裂紋真實剖面面積區(qū)域為60.76 mm2,以曲線閉合區(qū)域可評估區(qū)域面積為57.28 mm2,誤差為5.7%;6#裂紋真實剖面面積為118.94 mm2,評估結(jié)果為116.13 mm2,誤差為2.4%,達到較高的重構(gòu)精度。表明基于特征信號Bx分割插值算法可實現(xiàn)裂紋剖面高精度重構(gòu)和形貌可視化顯示。

圖9 裂紋剖面重構(gòu)結(jié)果Fig.9 Reconstruction results of crack profile

5 結(jié) 論

(1) 特征信號Bz峰谷間距與裂紋長度有關(guān),不受裂紋深度影響;特征信號Bx波谷深度主要與裂紋深度有關(guān),同時也受裂紋長度影響。

(2)裂紋大于30 mm時,裂紋長度對特征信號Bx波谷深度不產(chǎn)生影響;裂紋小于30 mm時,裂紋長度對特征信號Bx波谷影響較大。

(3)基于特征信號Bx和Bz的兩步插值裂紋尺寸評估算法可實現(xiàn)裂紋長度和深度的高精度評估,長度評估最大誤差為3.0%,深度評估誤差最大為7.5%。

(4)基于特征信號Bx的分割插值剖面重構(gòu)算法可實現(xiàn)裂紋剖面的高精度重構(gòu)和形貌可視化顯示,重構(gòu)誤差最大為5.7%。