ACFM介绍

ACFM(交流电磁场测量法)检测检测技术技术技术简介简介

深圳分社 葛鹏飞

ACFM （Alternating current field measurement ）交流电磁场检测技术是一种新型的无损检测和诊断技术，用于检测金属构件表面和近表面的裂纹缺陷，可以测量裂纹的长度和计算裂纹深度，具有非接触测量、受工件表面影响小的特点。该检测技术在海上设施的水下无损检测中愈来愈广泛的应用。

一 背景

在海洋石油和天然气装置的水下结构和海上平台设备的检测中，由于被检对象和环境的特殊性，使得常规检测方法出现漏判、误判的概率大大增加，造成巨大的经济损失和环境污染，例:在1977 到1998 年间，加拿大发生了20 起天然气管道事故，其中9 起泄漏，11 起破裂，均是由应力腐蚀裂纹(SCC-StressCorrosionCrack)引起。并且，随着在役管道结构的继续老化，发生事故的潜在可能性加大。ACFM 技术就是在这种情况下产生，它由交变电压降((ACPD-Alternating Current Potential Drop)技术发展而来，结合了ACPD 技术的无需校准测量和涡流检测的无接触的优点，是精确测量表面裂纹的无损检测方法之一。

在二十世纪八十年代后期，ACFM 技术首先被用于水下结构关键部位焊缝质量的检验以及有表面涂层的金属结构的检验，1997 年巴西国家石油公司将ACFM 技术用于海上石油平台的结构检验。随着对其不用去除涂层而实现表面疲劳裂纹检测的价值的认可及该技术进一步发展和成熟，开始被广泛地应用到石化、核工业、钢铁和铁路工业、土木结构比如桥梁检测、航空航天等领域中。

二 基本原理

ACFM 技术的理论基础是电磁感应原理，一个通交变电流的特殊线圈（激励线圈）靠近导体时，交变电流在周围的空间中产生交变磁场，被测工件（导体）表面的感应电流由于集肤效应聚集于工件的表面。当工件中无缺陷时，感应电流线彼此平行，工件表面由于匀强磁场存在；若工件中油缺陷存在，由于电阻率的变化，势必对电流分布产生影响，电流线在缺陷附近就会产生偏转，工件表面的磁场就会发生畸变。这个磁场的变化强弱，就能反映出裂

图1 缺陷检测中 Bx 和Bz 特征曲线定性说明

纹的尺寸。缺陷对电流及磁场的影响如图1-4所示。在工件表面产生的电磁场中，ACFM 技术是检测感应磁场来检测裂纹，因为磁场渗透率强于电场，衰减慢于电场；其原理法拉第电动势原理：通电线圈（检测线圈）切割磁场产生电动势，检测此电动势即可检测感应磁场。

建立被测工件上的感应电流流向模型，并将磁场分量分成三个分量Bx （平行于工件表面并垂直于电流方向）、By （平行于电流方向）和Bz （垂直于工件表面）进行分析，如图1所示。当无缺陷时，感应电流顺着Y 轴均匀流动， X 向磁场分量（Bx ）均匀无扰动，而另外两个方向的磁场分量（By 和Bz ）为0。故远离裂纹处，电流场是均匀的，电流相互平行。当电流流至裂纹处，由于材质的不均匀性和分界面处电流的连续性原理，电流线会向裂纹两端和裂纹底面偏转，使裂纹中心处电流线变疏，电流密度下降，两端的电流线汇聚，从

而导

图2 裂纹周围的感应电流示意图

图3 环绕裂纹的感应电磁场

图4 Bx 与Bz 效果图

致工件表面磁场的变化。在ACFM 的测量中，一般要测量出如下两个相互正交的磁场变化量：

1、 垂直于工件表面的磁感应强度Bz ，如图1所示，由于裂纹面上的电阻较大，使电流

向裂纹两端和底面偏转。在裂纹的右半边，电流的总体趋势是顺时针方向，产生指向工件表面的磁力线；在裂纹左半边，电流的总体趋势是逆时针方向，产生指向工件底面的磁力线，规定前者为正，后者为负，如图1，这样就可以通过Bz 测量出裂纹长度。

2、 平行于工件表面和裂纹走向的磁感应强度Bx ：如图1所示，由于电流向裂纹两端和

底面偏转，使刘静裂纹面的电流强度下降，在裂纹中部，电流线最疏，Bx 最小，Bx 的极小值对应裂纹最深处，从而可以测出裂纹的深度。

Bx 、Bz 和裂纹之间的关系如图5、图6所示。

ACFM 技术是以可视化的方式向人们展示缺陷的存在，使人们对数据有更直观的理解。ACFM 目前有三种可视化的方式：时基扫描图、蝶形图(如图7所示)和等值线彩色图。蝶形图是以Bz 为横坐标，Bx 为纵坐标画出来的图形。Bx 曲线的两个峰值点就是蝶形图中纵坐标左右两个极值点，而Bz 曲线的最小值点也是蝶形图中纵坐标的极小值点，因而Bz 曲线和Bx 曲线中包含的信息在蝶形图中都能反映出来，结合交流电磁场检测的基本原理，可以准确的实现缺陷的判断和定性分析。有缺陷时，蝶形图上会出现一个明显的环，称为缺陷环，当探头的扫描速度发生波动时，只会使缺陷环的一侧出现缠绕的线条，但缺陷环还是比较明显的，这样就降低了误判和漏判的几率。，根据探头靠近裂纹的方向，探头的运动方向可以是顺时针或逆时针（C 向或A 向），蝶形图相应的可以沿顺时针或逆时针方向绘制，方向

可

图5 电流密度和Bx 、Bz 关系图 图6 裂纹和Bx 、Bz 关系示意图

以帮助区分裂纹和非相关信号

。

等值线彩色图是适用于阵列型探头.将微探头检测到的数据以对应的颜色在屏幕上显示出来，此时图形中的分辨率与阵列的密度有关。

如果扫描方向与裂纹成一定的角度，很可能会产生如图8所示的信号。Bz 方向信号会减弱，因为探头传感器只经过Bz 波峰的边缘。裂纹延伸至末端的附连物或鼠洞（rat hole ）就会出现这种信号。

根据上述原理，ACFM 对于垂直于扫描方向的裂纹是无法检测出来的，也检测不出来裂纹的垂直于扫描方面的位置，位置裂纹方向的情况下，须将探头旋转90扫描。

三 ACFM 检测设备检测设备及探头及探头

ACFM 设备的主要生产厂家是英国的TSC(Technical Software Conltants)公司。有硬件和软件组成。硬件包括水上单元、水下单元和探头。软件装在水上单元的计算机中。

图7 时基图与蝶形图

图8 裂纹方向偏离的时基图与蝶形图