核工程薄壁不锈钢焊缝交流电磁场检测模拟验证

王宇欣，高宇，马迎兵，杨会敏，袁新安，郭利峰

1.中国核电工程有限公司，北京 100840

2.中国核工业二三建设有限公公司，北京 101300

3.中国石油大学（华东），山东 青岛 266580

0 前 言

传统的焊缝检测方法为超声检测（UT）和射线检测（RT）。受晶粒度和表面盲区影响，UT不适用于薄壁不锈钢焊缝［2］。RT需要专用时间窗口和隔离区域，在同一时空域内不允许其他RT班组或工种交叉作业，且辐射安全风险很大。因此，面对大工程需求，在保证质量和安全的前提下，亟待采用先进、高效、可靠的体积检测技术来实现交叉施工，提高重点工程无损检测效率和建造经济性、保障建造周期。交流电磁场检测（Alternating current field measurement，ACFM）是一种新兴的表面和近表面电磁无损检测技术，对不锈钢等顺磁性材料可检缺陷埋深5～7 mm，具有无需标定、非接触、提离不敏感、无辐射及危废等特点［3-4］，具备解决核工程项目体积检测“瓶颈”的能力。中国核电工程有限公司牵头联合中国核工业二三建设有限公司、中国石油大学（华东）开展了ACFM科研，进行了应用调研、系统设备研发与集成、仿真与工艺研究、模拟验证、缺陷检出率分析和现场验证等工作，组织了技术有效性第三方评估和人员资格考试，最终得到国家监管部门的批复和工程应用。

本研究主要对上述科研中的模拟验证部分的工作进行介绍。针对工程应用对象，设计了含不同类型、尺寸和位置缺陷的模拟试块，分别进行ACFM和RT盲测，并对结果进行对比分析，以验证ACFM技术有效性、系统稳定性和检测工艺中全部要素的符合性。

1 试验方法和设备

1.1 ACFM技术

ACFM技术是80年代由伦敦大学机械工程系基于交流电压降法检测（ACPD）的原理，用表面磁场模型代替ACPD中的表面电场模型而提出的［5］。其原理如图1所示，是利用激励线圈在工件中感应出均匀的交变电流，感应电流在缺陷和腐蚀等位置产生扰动，基于电场扰动引起空间磁场畸变原理，利用传感器测量空间磁场畸变信号，从而实现缺陷的检测与评估。

图1 ACFM原理Fig.1 ACFM principle

ACFM与传统的涡流（ET）［6］、射线（RT）、超声（UT）［7］等体积检测技术对比如表1所示。随着ACFM技术的发展，受到了国内外电磁无损检测专家学者的广泛关注。Lewis等［4］研究了工件外部磁场与表面磁场的耦合，基于激励表面电流场均匀分布场，提出了ACFM通用理论模型。Noroozi等［8］提出用模糊算法来确定任意剖面裂纹缺陷的方向。陈国明、李伟等［9-10］在缺陷反演与评估、信号处理、仪器研制等方面做了大量研究工作，研制了适用于水下和陆上的国产化检测设备和软件。

表1 ACFM与传统检测技术对比Table 1 Comparison with traditional NDT and ACFM

ACFM凭借其独有优势和良好实用性已得到世界多个权威组织认可，包括中国、法国、美国、挪威、英国和德国船级社，并制定了ASME、ASNT、COFREND、ABS、API等多项行业标准。在国内，中国潜水打捞行业制定了T/CDSA 305.22—2017《水下钢结构交流电磁场裂纹检测规程》、中国石油大学（华东）制定了山东省地方标准《金属结构交流电磁场检测技术规程》，中国船级社出版了指导性文件《在役导管架平台结构检测指南》，中国核工业集团有限公司制定了Q/CNNC JE 100—2022《核设施薄壁奥氏体不锈钢焊缝交流电磁场检测》，国家容标委、航天行业、电力行业目前也在进行ACFM标准的制定工作。

1.2 试验设备

检测系统选用济宁鲁科检测器材有限公司生产的LKACFM-X1型ACFM检测仪，预置了基于科研成果定型生产的LKACFM-SW-03型软件V1.0版本，以及薄壁不锈钢专用的LKACFM-PRO-01型高灵敏度阵列式探头，见图2。

MASSARO鞋履坊与Christian Lacroix、John Calliano、Gianfranco Ferre、Olivier Lapidus、Thierry Mugler、Azzedine Alaia 等知名品牌合作，同时亦为其他顾客度身设计鞋子。Mademoiselle Chanel在新店开幕当日所穿的缁黑缎质鞋头粉米黄凉鞋便是MASSARO的得意杰作。

图2 ACFM系统Fig.2 ACFM system

由于需检测焊缝全厚度中0.3 mm的微缺陷，图2b中的探头由激励线圈、磁芯、磁场传感器和信号处理模块组成，采用了三个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计。通过图2c中的软件系统，对Bx信号进行傅里叶变换、梯度处理和降噪滤波等处理，最终超过梯度图中所设置阈值的显示，即为不合格。

1.3 模拟试块设计

根据应用调研中5万道焊口的RT结果统计，设计了含不同类型、尺寸和位置缺陷的模拟试块，设计和加工原则如下：

（1）试块采用与产品相同的材质、规格、焊工、焊接方法和自动化水平；试块的余高应具有代表性。

（2）预埋缺陷类型应包括裂纹，以及调研中全部典型缺陷（未熔合、未焊透、气孔和夹钨）。

（3）用刻槽，模拟相同长度和深度、最大埋深的裂纹和未熔合等面积型缺陷；用刻半球孔，模拟相同直径/高度、最大埋深气孔和夹渣等体积型缺陷。

（4）缺陷尺寸不应超过设计文件允许的缺陷最大值；缺陷布置应具有代表性。

（5）试块加工孔尺寸允许偏差均为±0.05 mm，其余尺寸允许偏差均为±0.1 mm；除加工缺陷外，试块上不允许有任何可检出缺陷。

（6）模拟试块应由具有中国国家认证委员会（CNAS）或中国计量认证（CMS）资格的机构出具合格证书和报告。

模拟试块的管道两侧长度至少为150 mm，便于进行扫查方式的工艺试验研究，加工图见图3。模拟试块中的缺陷仅用来评价检出能力，不用于定量阈值。

图3 部分模拟试块加工图Fig.3 Simulation test block machining diagram

如图3所示，共制作5种规格的工艺管模拟试块39件，其中：自动焊试块10件，预制缺陷36处；手工焊试块29件，预制缺陷132处。制作了3 种规格的风管模拟试块6件：每件试块预制缺陷7处，共42处。从缺陷制作方式上，分为预埋缺陷、加工缺陷和自然缺陷；还单独设计了密集小孔缺陷、横向裂纹等模拟试块用于极限能力验证。

1.4 检测工艺

ACFM工艺按Q/CNNC JE100—2022《核设施薄壁不锈钢焊缝交流电磁场检测》执行。通过前期仿真研究，标准试块选用1号孔，探头频率为1 kHz，低频可提高电磁信号的穿透深度。

RT工艺按照NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》以及项目用技术条件1812AT4001《工艺管道安装、试验和验收技术条件》和1812AT5001《暖通设备及管道施工质量验收技术条件》执行，其中工艺管采用X射线源、AB级、C3类及以上胶片系统，采用双壁双影椭圆外透照工艺进行检测。

检测前按照NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》的规定进行了PT检测，除外表面预制缺陷外，无其余缺陷或显示。

2 结果与讨论

ACFM和RT采用双盲检测的形式进行，ACFM时间共计3.5 h，RT时间共计14 h，初步评估ACFM效率是RT的3倍以上。

2.1 自动焊工艺管模拟试块

自动焊工艺管模拟试块缺陷制作方式、位置和实测尺寸，以及ACFM和RT双检结果统计如表2所示。

表2 自动焊工艺管模拟试块Table 2 Simulation test block of Auto-welded pipeline

从表2可以看出，10件自动焊工艺管模拟试块：预制缺陷36处，RT检出32处；ACFM检出34处（含RT检出的32处），其中面积型缺陷均100%检出，ACFM检测结果没有误报。

自动焊焊缝内外表面形状规则，焊纹规整、起伏较小。RT漏检的4处主要为外表面0.3 mm左右的半球孔，这是由于小径管焊缝RT透照厚度比和影像畸变较大，若非对准半球孔处，很难检出。ACFM漏检的2处为17.1 mm小径管中2处小缺陷距离较近，且手动扫查各位置检测速度不均一，故仪器识别为一处大缺陷。ACFM技术对于顺磁性材料内部1 mm以下的微小缺陷只能实现检出和定位，目前还无法定量和定性。

2.2 手工焊工艺管模拟试块

对29件手工焊试块进行检测，结果见表3。从表3可以看出，29件工艺管手工焊模拟试块：预制缺陷132处，RT检出95处；ACFM检出141处（含RT检出的95处），其中面积型缺陷均100%检出，ACFM误报10处。对ACFM和RT不一致的模拟试块和缺陷情况进行详细分析，见表4。

表3 手工焊工艺管模拟试块Table 3 Simulation test block of Manual-welded pipeline

表4 检测结果差异分析Table 4 Analysis of the Difference of Results

从表4可以看出，RT检测定性能力强、能够综合判断缺陷分布情况，但其对小径管焊缝0.3 mm左右的圆形缺陷存在漏检，主要原因为小径管焊缝RT时需采取双壁双影椭圆透照工艺，管子各部分的实际透照厚度变化幅度特别大：中心部分的透照厚度等于管子壁厚的两倍；理论最大值为射线与管子内壁相切方向上的透照厚度；再往外，透照厚度迅速减小到零。透照厚度的大幅度变化必然导致焊缝影像黑度的大幅度变化，黑度跨度大不利于底片的评定。而且，源侧焊缝和片侧焊缝相对胶片的距离变化较大，影像各处几何不清晰度和散射比不一，影像质量和缺陷检出灵敏度不足。从ACFM-20-1等密集小孔缺陷模拟试块也可看出，0.3 mm的尺度已经接近常规RT手段检测灵敏度的极限。

ACFM出现多检信号的原因主要是对焊缝表面状态较敏感，特别是无法区分内表面不平整（小范围凸凹度过大）和缺陷信号，如图4所示。

图4 ACFM-20-3模拟试块Fig.4 Simulated test block of ACFM-20-3

2.3 风管模拟试块

风管模拟试块缺陷设计和实测尺寸以及ACFM和RT双检结果统计见表5。由于风管焊缝缺陷允许度较宽，模拟试块缺陷制作尺寸较大，无论是RT还是ACFM检测结果均为100%检出。

表5 风管模拟试块Table 5 Simulation test block of Ventilation pipe

2.4 打磨验证试验

在2.2节试验中发现ACFM对表面状态较敏感，适度打磨可降低焊缝表面凸凹起伏。为验证打磨是否会降低缺陷的阈值显示造成漏检，本文设计了试验：第一步对模拟试块进行ACFM检测；第二步对其焊缝表面轻微打磨，打磨后第二次ACFM检测；第三步对其焊缝表面磨平，打磨后第三次检测，如图5所示。

图5 模拟试块表面状态Fig.5 Simulated test block surface

三次ACFM检测结果如表6所示。可以看出，无论是轻微打磨还是磨平，内表面预制缺陷处的最高显示梯度值均超过阈值线（90），缺陷均能正常检出。同时可以看出，打磨后大部分缺陷处ACFM最高显示梯度值略有增加，这是由于打磨造成了壁厚减薄，使得缺陷距离探头更近、缺陷深度在壁厚方向上的占比更大。因此，适当打磨不影响缺陷检出。

表6 打磨验证试验Table 6 Simulation Verification of grinding

3 结论和展望

本文针对国家某重点工程项目需求，开发了低频高灵敏度阵列探头和梯度信号处理算法，实现了壁厚≤3.5 mm奥氏体不锈钢焊缝的体积检测，并通过设计了含不同类型、尺寸和位置缺陷的模拟试块，开展了ACFM和RT盲测验证工作，主要结论如下：

（1）研发的ACFM检测系统和工艺稳定、可靠，可实现焊缝中超标缺陷的快速、有效筛查，效率是RT的3倍以上；对于工艺管、和风管模拟试块中预制的210处超标缺陷，RT检出169处，ACFM检出217处（含RT检出的169处），其中面积型缺陷均100%检出；ACFM技术具有不低于RT的检出能力，ACFM缺陷误报率能满足工程需求。

（2）RT技术：定性能力强、能够综合判断缺陷分布情况；对于0.3 mm当量的体积型缺陷，接近其双壁双影椭圆透照检测技术能力的极限。

（3）ACFM技术：对焊缝表面状态较敏感，适当打磨不影响缺陷检出；在缺陷距离较近情况下，ACFM可实现检出，但无法区分和定性。

高灵敏度ACFM检测的研究和工程应用，填补了技术应用领域空白，为薄壁非铁磁性材料焊缝内部缺陷检测提供了新思路。