下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
21世纪是海洋的世纪，是人类全面进入海洋资源开发的关键阶段。党的十八大以来，中国提出了“海洋强国”战略，把全面经略海洋作为国家高质量发展的战略要地。海洋资源开发具有高风险、高投入及高回报的特点，必须依靠安全可靠的海洋装备。由于海洋环境的复杂应力及腐蚀环境，海洋装备不可避免地会产生裂纹、腐蚀等各类危险缺陷，成为海洋装备安全服役的重大隐患。安全检测技术能够及时发现海洋装备的缺陷，为海洋装备的维修、改装及报废提供可靠数据，安全检测已成为保障海洋装备安全服役的必备手段，是海洋工程在国际研究工程应用技术中的热点。当前老龄的深水海洋装备不断增多，对海洋装备安全检测提出了更高的要求和挑战，亟待出版相关先进技术著作，提升安全检测技术服务重大海洋装备的能力。
中华人民共和国科学技术部先后将海洋装备安全检测技术列入了863计划、重点研发计划，对重大科技专项研究项目，投入了大量人力、物力及财力，以推动相关技术的发展与应用。本书所述的智能可视化交流电磁场检测技术正是海洋装备水下结构安全检测的关键技术，已被国际标准（ASME、ASNT）及组织机构（ABS、GL、CCS）列为海洋装备水下结构安全检测的必备手段。本书内容主要基于“十五”国家863计划“海洋油气资源开发的安全保障技术”、“十三五”国家重点研发计划“海洋石油天然气开采事故防控技术研究及工程示范”和“十三五”国家科技重大专项“海洋深水油气田开发工程技术”等项目的研究成果，凝聚了科研团队多年的科学研究及工程应用成果，兼顾理论知识与工程应用，具有接近工程实际的指导作用。
本书作者全部从事海洋装备安全检测工作，具备多年科研、教学及工程实践的经验。本书结合科研与实践详述海洋装备智能可视化交流电磁场检测技术的国内外发展历程、核心基础理论、信号处理方法、探头仪器开发过程、与人工智能等新技术结合、工程应用及标准化建设等多方面的内容，以一线科研人员的视角真实、生动、具体地详述将交流电磁场检测科学理论应用于海洋装备安全保障生产实践的转化经历，对于先进技术的工程应用具有普适性指导意义。本书的目的是推动交流电磁场检测技术的普及和应用，促进中国海洋装备安全检测技术、装备、产业及人才的发展，为海洋装备安全检测的相关专业研究生及工程技术人员提供一定的参考和借鉴。
本书第1～3章主要由李伟教授撰写，第4～6章主要由袁新安副教授撰写，第7章主要由陈国明教授撰写。感谢殷晓康教授、李肖副教授、赵建明副教授在本书出版过程中给予的指导和帮助，感谢海洋油气装备与安全技术研究中心赵建超、丁建喜、陈钦禹等博士，以及张西赫硕士在本书写作过程中的辛苦付出。由于作者学识和能力有限，书中难免有疏漏和不足之处，敬请有关专家和读者批评指正。
交流电磁场检测（ACFM）技术是在20世纪80年代由伦敦大学机械工程系的NDE中心经过多年的理论研究，基于交流电压降（ACPD）原理，用表面磁场模型代替ACPD检测中的表面电场模型提出的。随着ACFM技术被广泛关注，国内外的电磁无损检测专家及学者对其理论和应用进行了研究，提出了各种数学模型，为研究缺陷信息和感应磁场分布之间的关系奠定了基础。在20世纪80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ACFM技术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的进一步发展和成熟，ACFM技术开始被广泛应用到石化、核工业、钢铁和铁路工业、土木结构、航空航天等领域中。国内外交流电磁场的发展历程如图1-1所示。本章介绍ACFM理论基础，1.1节介绍ACFM技术的检测原理，1.2节介绍国内外研究现状，1.3节介绍ACFM系统，1.4节介绍未来发展趋势。
图1-1 国内外交流电磁场的发展历程
ACFM技术的检测原理：由激励探头在待测试件表面感应出均匀的交变电流，若有缺陷存在，则会由于空气和试件电阻率的差异，使感应电流在缺陷两边和底部绕过，引起表面电磁场的扰动，检测探头能采集缺陷上方的电磁场畸变信息并进行分析，可获得描述缺陷状态的尺寸信息，从而达到定量分析的目的，如图1-2所示。
图1-2 ACFM技术的检测原理
ACFM技术可以测量试件表面感应磁场磁通密度的三个分量， x 分量记作 B x ，与电流方向垂直，与试件表面平行； y 分量记作 B y ，与电流方向一致； z 分量记作 B z ，与试件表面垂直。当缺陷的长度方向也与电流方向垂直时， x 分量的方向与缺陷的长度方向平行（见图1-2）。
根据电磁感应定律可知，当试件表面无缺陷存在时，感应电流均匀分布，分量 B y 和 B z 的值为零，磁场在 x 轴方向均匀分布并与电流方向垂直。当电流经过含缺陷的试件表面时，电流向缺陷两端和底面偏转，使流经存在缺陷的试件表面的电流强度减小，缺陷越深的地方，电流线越稀疏，感应磁场的磁通密度值也就越小；另外，当电流在缺陷两端聚集时，势必会使缺陷两个端点处的磁通密度处于极大值。当探头沿着缺陷表面进行扫描时， B x 会出现一个宽凹陷区， B y 和 B z 会出现高幅值的波峰和波谷（见图1-2）。由于 B y 的数量级较小，因此在不需要特殊处理的情况下，探头只需测量 B x 和 B z 分量，即可判定缺陷的存在。而且裂纹的形貌可通过磁场信号的特征量进行反演，如裂纹的深度可由 B x 的波谷深度度量，裂纹的长度可由 B z 的波峰与波谷的间距度量。
ACFM具备均匀感应电流的特性，可使电流均匀绕过缺陷区域，在非缺陷区域呈现一致稳定性，使ACFM技术具备以下优势。
（1）提离不敏感。相较于涡流、漏磁等电磁检测技术，假设均匀感应电流和扰动场使ACFM技术对探头提离有一定的容忍度，特别是特征信号 B z 与探头提离无关，可实现对海洋结构焊缝、涂层、附着物下缺陷的检测，无须打磨或彻底清理附着物和涂层，在海洋结构缺陷检测领域具有突出的经济效益和工程应用价值。
（2）定量检测。海洋结构疲劳裂纹、应力腐蚀开裂等缺陷属于装备重大安全隐患，但受制于海洋水下环境、复杂结构及维修成本等因素，裂纹等缺陷并不会在发现后立即被修复，而是在容限损伤理论指导下定期评估缺陷尺寸。ACFM技术具备对裂纹长度、深度进行定量检测的能力，完全满足海洋装备裂纹等缺陷的检测及评估需求，因此ACFM技术得到了众多国际标准、规范及组织的推荐，适于海洋装备特殊工况的结构缺陷检测。
（3）操作简便。ACFM技术无须耦合剂、无须磁化及退磁处理，检测过程无危险，是一种环保、高效、便捷的电磁无损检测技术，经过团队的技术研发及改良，能实现检测过程缺陷可视化及识别智能化，搭载水下无人作业机器人等完成深水检测，适合复杂环境、特殊表面状态、异形检测、无人化作业场景等，能够契合海洋装备水下及水上结构检测的需求。