交流電磁檢測（Alternating Current Field Measurement，ACFM）技術結合了交流電位降（ACPD）和渦流檢測（ET）兩種方法。檢測原理為均勻交變磁場在被測工件表面產生均勻的感應電流，當工件表面存有缺陷時，由于工件與空氣電導率不同，感應電流繞過缺陷并在端面處產生聚集，缺陷周圍磁場產生二次畸變。根據二次磁場畸變信號即可對工件表面的缺陷定性和定量分析，實現快速掃查。

與其他水下無損檢測技術相比，ACFM技術具有以下優點：

（1）ACFM技術對水質沒有要求；

（2）ACFM技術產生的磁場能夠很容易穿透金屬上面的涂層，可對不處理涂層的工件進行檢測；

（3）ACFM技術通過檢測可以判斷缺陷長度與深度，實現對缺陷進行定量分析。

綜合考慮水下海洋平臺的檢測環境與檢測成本，交流電磁場檢測技術是解決海洋平臺石油輸送管道和關鍵結構最具潛力的技術方法。

ACFM技術的研究是建立在分析待測試件表面感應電流及磁場分布上的，然而，感應電流和磁場分布難以直觀體現。此外，ACFM技術檢測過程中的影響因素眾多，需要分析不同影響因素對接收信號的影響規律，完全通過試驗手段設計優化ACFM傳感器并進行缺陷定量，增加耗材與時間成本。

通過多物理場仿真軟件建立ACFM模型，仿真模型將空間矢量磁場直觀展示在我們面前，加深我們對ACFM技術原理的掌握。模型建立完成后只需修改參數，即可快速準確地獲得各參數影響規律，為傳感器參數優化和缺陷定量分析提供便利。不光節省了材料與時間成本，還對研究路線具有重要的指導意義。此處提供一個多物理場仿真案例。

1、模型建立

根據ACFM技術原理建立多物理場三維仿真模型。考慮ACFM傳感器密閉內部填充為空氣，待測試件周圍介質為水，而電磁信號在水與空氣衰減情況相似，為簡化模型設置空氣域，仿真模型如圖1所示。

圖1  ACFM仿真模型

圖1所示ACFM仿真模型主要包含繞組激勵線圈、激勵探頭磁軛、帶缺陷的試件、檢測線圈和空氣域等。

完成幾何模型建立后，對模型各部分進行材料屬性賦值和網格劃分。關鍵參數設置完成后，進行頻域計算。根據仿真模型計算結果提取裂紋區域的感應電流，結果如圖2所示。

圖2  電流密度分布

圖2可以看出磁軛附近的感應電流呈渦旋狀，磁軛中心部分電流沿y軸方向流動。試件上離缺陷較遠處電流分布均勻，缺陷處電流繞過缺陷間隙并在其兩端聚集，缺陷兩端電流偏轉方向相反。

2、特征值提取

裂紋缺陷引起感應電流發生偏轉，會導致磁場分布發生畸變，提取裂紋所在區域不同方向磁通密度，繪制磁通密度曲面圖，如圖3所示。

圖3 磁場分布

圖3（a）為磁通密度分量Bx，在缺陷兩端感應電流密集形成磁場波峰，缺陷中央部分感應電流稀疏形成磁場波谷。圖3（b）為磁通分量By，沿y軸方向流過感應電流在缺陷處發生偏轉，在缺陷四個端點處產生聚集。由于偏轉方向相反，感應的磁通分量方向也相反，磁通波峰波谷交替出現。圖3（c）為磁通密度分量Bz，裂紋左端面感應電流順時針方向偏轉，裂紋右端面感應電流逆時針方向偏轉。根據右手定則，左端面感應出磁通方向向下的波谷，右端面感應出磁通方向向上的波峰。由于磁通分量By分布對裂紋缺陷表征不明顯，不利于后期定量計算，因此在實際檢測中采用磁通分量Bx、Bz的分布特征，實現裂紋缺陷的檢測以及定量化評估。

3、缺陷檢測

為了直觀反映缺陷處磁通畸變情況，采用移動激勵探頭和檢測線圈方式提取不同位置磁通分量，移動掃描過程如圖4所示。

圖4 移動掃查過程

隨著激勵探頭的移動，檢測線圈提取行徑路線上的磁通分量Bx、Bz，結果如圖5所示。對比圖3磁場分布圖，圖5中磁通曲線Bx出現兩個波峰一個波谷。圖5磁通曲線Bz在缺陷端面處形成波峰波谷，與磁通密度分布情況相符合。采用磁通曲線Bx、Bz繪制呈蝶形圖。通過磁通曲線Bx、磁通曲線Bz和蝶形圖可以對缺陷進行檢測分析。

仿真模型不但可以分析單裂紋檢測情況，還可對多裂紋情況進行分析。在試件表面分別設置3個尺寸不同的缺陷，其缺陷尺寸如表1所示。

表1 缺陷尺寸

激勵探頭沿x軸方向逐一檢測缺陷，結果如圖6所示。對比不同裂紋磁通曲線，可以看出裂紋長度的改變對磁通曲線Bz信號的波峰波谷出現位置影響明顯；缺陷深度的改變對磁通曲線Bx波谷幅值影響顯著。

文章來源：市場監管領域數字孿生重點實驗室