小接管是石化装备中常见的结构形式，一般作为管道附件或者物料进出口的连接件使用。
《炼化装置小接管管理导则》中规定：在设备本体或管道上直接开孔，采用焊接方式连接的DN50及以下的半管接头、支管座、支管的结构，统称为小接管。
但实际应用中，小接管的定义更加宽泛，管径在DN100以下，壁厚为4~8 mm的结构都可以被称为小接管。
小接管具有管径小，壁厚薄，角焊缝结构复杂等特点，焊接难度大，焊接过程容易产生未焊透、裂纹等缺陷，且在使用过程中容易形成腐蚀、裂纹等缺陷，是承压设备安装及使用过程中的重点关注对象。
目前小接管的检测方法以常规的渗透和磁粉检测为主，此外相控阵超声检测和涡流检测也有应用。
交流电磁场检测（ACFM）技术是一种电磁无损检测技术，其基于电磁感应原理，利用缺陷与正常结构处的磁信号变化，实现对金属结构焊缝表面及近表面缺陷的检测，对导电金属材料均有良好的检测效果，且能进行非接触式检测，在小接管检测领域具有一定的应用前景。
图1 交流电磁场检测原理
有限元模型的建立及仿真
电磁场在不同介质空间中的传播模式复杂，难以快速求解。随着计算机技术及大型有限元软件的不断发展，有限元分析方法成为解决复杂电磁场问题应用最广泛的手段之一。
建立有限元三维模型进行仿真分析，包括感应线圈、小接管焊缝试件和求解域三部分，如图2所示。
图2 小接管焊缝示意及其仿真模型
感应线圈采用直径为0.15 mm的铜线，密集缠绕于U形磁芯上，匝数为500匝，线圈通入等效电流为1 A的正弦交流电，频率可调整，磁芯尺寸为14 mm×26 mm×6 mm，材料为锰锌铁氧体。
小接管焊缝试件由母管、插管以及焊缝组成。插管直径40 mm，壁厚3 mm；母管直径200 mm，壁厚12 mm。为便于计算，母管仅取与插管连接的上半部分，材料为碳钢，插管母管连接处设置焊缝，焊缝宽度6 mm，余高2 mm，在焊缝周向30°及210°设置周向刻槽缺陷。
求解域设置尺寸为500 mm×500 mm×400 mm的长方体。感应线圈材料为铜，求解域部分为空气。
为保证与实际情况一致，仿真时将探头沿管周向运动，采集小接管焊缝表面空气上磁通密度的值，并分析其规律。
对仿真模型进行参数化扫描，探头距离焊缝的提离为1 mm，将试块左肩中心位置设置为0°，则探头起点为-30°，移动总路径为420°，每次移动4°。按照上述设置进行仿真计算，探头激励频率分别为1 kHz，5 kHz 及10 kHz。
1不同位置缺陷处的磁场信号变化
设置以下几组小接管模型：第一组模型无缺陷；第二组模型在小接管肩部0°及180°处设置缺陷，缺陷尺寸为5 mm×3 mm×1 mm；第三组模型在小接管肩部30°及210°处设置缺陷，缺陷尺寸为5 mm×3 mm×1 mm。各组模型的磁场信号变化如图3~5所示。
图3 无缺陷处磁场信号仿真结果（模型一）
图4 肩部缺陷处磁场信号仿真结果（模型二）
图5 偏30°缺陷处磁场信号仿真结果（模型三）
可知第一组模型的Bx信号无明显变化，By与Bz信号呈正弦变化趋势，相位差约为90°，磁通密度B无明显变化。
第二组模型的Bx信号在缺陷处出现明显的波峰波谷，变化量约为4 mT，By与Bz信号呈正弦变化趋势，相位差约为90°，缺陷处存在小的正弦信号变化，磁通密度B在缺陷处出现明显的波谷，1 kHz频率的信号对缺陷响应较小。
第三组模型的Bx信号在缺陷处出现明显的波峰波谷，与第二组近似，By与Bz信号呈正弦变化趋势，相位差约为 90°，缺陷处存在小的正弦信号变化，磁通密度B在缺陷处出现明显的波谷，1 kHz频率的信号对缺陷响应较小。
2同一位置，不同尺寸缺陷处的磁场信号变化
设置第四组模型在小接管肩部0°及180°处设置缺陷，缺陷尺寸为3.0 mm×0.5 mm×1.0 mm；第五组模型在小接管肩部30°及210°处设置缺陷，缺陷尺寸为3.0 mm×0.5 mm×1.0 mm。
第四组模型的磁场信号变化规律与第二组的基本一致，第五组模型的磁场信号变化规律与第三组的基本一致，但信号变化量均有明显降低，约为50 mT。
3不同提离位置处的磁场信号变化
在第五组的基础上，修改探头运动过程中与焊缝的距离，模拟探头在焊缝凹凸不平表面上的运动。提离磁场信号仿真结果如图6所示，可知Bx，By，Bz信号均会在提离位置出现波动，Bx信号变化较大。1 kHz的检测频率下的提离对信号影响较大，5 kHz与10 kHz频率下的提离影响较小。
图6 提离磁场信号仿真结果
4小结
Bx信号在缺陷处存在正弦信号波动，By及Bz信号在缺陷处也能够产生正弦信号波动，但相比背景值信噪比较低。1 kHz频率下磁场对缺陷的敏感性更弱，5 kHz及10 kHz频率对缺陷的敏感程度相差较小。在提离位置，Bx，By及Bz信号出现与缺陷近似的信号波动，但Bx信号存在较大差异。
小接管检测系统开发
在LKACFM-X1型交流电磁场检测仪的基础上，依据仿真结果，设计了小接管焊缝缺陷检测系统。
现有的交流电磁场检测探头通过x和z两个方向上的磁场传感器获得检测部位x和z方向的磁场信号。根据仿真结果，小接管工件缺陷位置的Bx和Bz信号变化不明显，B信号变化明显，故对系统进行改造。
系统硬件沿用原检测仪器，主要更改探头、信号处理及显示软件，探头及仪器实物如图7所示。
图7 检测仪器及探头实物
探头由激励模块、传感器模块、信号处理模块组成。激励模块采用U形磁轭缠绕线圈的形式，传感器模块采用3个TMR传感器，分别垂直于x，y，z方向，拾取3个方向的磁通密度。
信号处理模块首先将Bx，By，Bz求和并获得磁通密度B，然后对B进行放大、滤波等初步处理，传输到上位机中。最后，通过软件对探头获得的磁通密度B进行处理，并显示到屏幕上。
小接管检测试验
1、检测工装设计
在探头模型与插管呈45°的基础上设计工装，工装一端为半圆形结构，与被检测接管管径一致，能够在接管上固定并稳定旋转；另一端为夹持机构，能够固定探头，并保证其与接管焊缝角度为45°，如图8所示。
图8 检测工装设计图及实物
2、试块设计
设计小接管缺陷试块，其材料为低碳钢，选用尺寸为φ273 mm×9.5 mm的管道作为基座，为便于放置，去掉管道的下半部分。选取3根φ42 mm×5 mm的管道作为接管，在基座上依次焊接，接管间距为120 mm。接管试件上布置人工缺陷，试块外观如图9所示，缺陷尺寸如表1所示。
图9 小接管缺陷试块
表1 试件缺陷尺寸及分布（mm）缺陷检测试验3
选用1 kHz，5 kHz频率分别对上述试块进行试验，按照A，B，C管分开进行检测，检测结果如图10和图11所示，传感器获得的磁通密度B（由三个方向Bx，By，Bz综合计算），经AD转换后由软件进行处理，单位为μV。
图10 1 kHz频率下的试块检测结果
图11 5 kHz频率下的试块检测结果
通过分析磁通密度B的变化，可以获得小接管焊缝上的缺陷信息，1 kHz频率的信号响应明显低于5 kHz频率的信号响应，缺陷越大，信号响应越明显，孔的缺陷响应明显低于槽的缺陷响应。
此外，结合扫查结果及上文，针对表面状况造成的提离，可以分别使用1 kHz和5 kHz的频率进行扫查，由于1 kHz信号对提离信号的响应更加明显，可以通过1 kHz与5 kHz扫查信号的相应情况，排除非相关信号显示。
结语
1建立小接管焊缝三维仿真模型并进行交流电磁场检测仿真模拟，仿真结果表明：缺陷位置存在磁通密度变化，磁通密度出现明显响应。
2设计与制作了三通道检测探头及信号处理模块，开展了小接管焊缝缺陷试块的检测试验，结果表明：通过采集磁通密度B的信号响应，可检出长度5 mm以上的小接管焊缝裂纹缺陷。
作者：胡冠群1，卢正杰2，颜泰3，蔡占河4，刘正存5
工作单位：1. 济宁市特种设备检验研究院
2. 泰安市质量技术检验检测研究院
3. 滨州市特种设备检验研究院
4. 菏泽市产品检验检测研究院
5. 济宁鲁科检测器材有限公司
第一作者简介：胡冠群，高级工程师，主要从事承压类特种设备检验检测工作。
来源：《无损检测》2025年5期
来源：无损检测NDT
关键词：
小接管
电磁场检测
