鋼管飽和磁化下渦流檢測有限元仿真研究

萬本例，張路根，胡 智，宋 凱，任吉林

（1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測研究院，南昌 330029）

0 引言

渦流檢測作為一種重要的無損檢測方法，在核電、石油、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而對非鐵磁性管道的檢測，渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但在鐵磁材料實(shí)施渦流檢測時(shí)，由于磁導(dǎo)率的波動(dòng)引起渦流檢測中有較大的噪聲信號(hào)，以至于難于檢測出缺陷，因此一般采用遠(yuǎn)場渦流檢測或通過對鐵磁管道進(jìn)行飽和磁化的方式，以降低其磁導(dǎo)率等影響，再實(shí)施渦流檢測。然而與非鐵磁性材料相比，鐵磁材料具有獨(dú)特的特性，并非是非鐵磁性材料檢測機(jī)理的簡單延伸，因此鋼管磁飽和的渦流檢測磁特性影響機(jī)理對缺陷的定量評定有重要意義。

目前國內(nèi)外在非鐵磁材料渦流檢測研究較多，但飽和磁化下渦流檢測的研究較少，康宜華等[1,2]對飽和磁化下渦流檢測的原理有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并在理論計(jì)算和試驗(yàn)仿真的基礎(chǔ)上證明飽和磁化下渦流檢測存在漏磁和渦流兩種效應(yīng)；林俊明等[3]在鋼管渦流檢測實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)鋼管過飽和磁化后渦流檢測會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外壁缺陷信號(hào)相位無法分辨的問題。B.Helif[4]等發(fā)現(xiàn)鐵磁材料在熱處理和表面處理后其表面缺陷仍能夠通過渦流檢測發(fā)現(xiàn)；A.V.SUKHIKH等[5]通對比分析了磁飽和前后鋼管的渦流檢測信號(hào)。

本文建立了鋼管飽和磁化的內(nèi)插式渦流檢測的有限元模型，以矩形槽表征裂紋類缺陷，提出了兩種模型間磁導(dǎo)率處理的方式，計(jì)算了磁化后鐵磁管道的磁導(dǎo)率分布，以及磁化后對管道進(jìn)行渦流檢測時(shí)線圈的阻抗的變化，從信號(hào)相位和幅值上分析了磁導(dǎo)率和缺陷對阻抗信息的影響，以期對鐵磁材料渦流檢測的工程實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。

1 仿真模型的構(gòu)建

1.1 飽和磁化渦流檢測有限元模型

圖1是內(nèi)插式渦流探頭檢測飽和磁化后鐵磁管道的渦流檢測模型，考慮模型的對稱性，使用2D軸對稱模型替代三維實(shí)體模型。被檢管道內(nèi)徑D為56mm，壁厚H為2mm，長度L為160mm。直流磁化線圈內(nèi)徑D1為66mm，外徑D2為72mm。渦流檢測線圈內(nèi)徑d1為52mm，外徑d2為55mm，線圈寬度ι為1.5mm，間距d為1.5mm。管內(nèi)充滿空氣，管外自由區(qū)建模時(shí)設(shè)置了圓柱環(huán)形空氣，空氣層厚度為30mm。管壁缺陷為矩形槽以模擬裂紋類缺陷，且為管外壁周向刻槽。缺陷如圖1所示，矩形槽寬度c為1mm，深度h為1mm。檢測管道磁導(dǎo)率由B-H曲線給出，電導(dǎo)率為1.03×106S/m；磁化線圈的相對磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為0.58×108S/m。渦流檢測線圈的相對磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為0.58×108S/m；線圈匝數(shù)N為500匝。

圖1 飽和磁化渦流檢測有限元模型

1.2 飽和磁化渦流檢測有限元仿真方法

如圖2所示，在飽和磁化渦流檢測有限仿真的過程中，采用直流線圈對管道進(jìn)行一次磁化，通過對比來研究管道磁化后的狀態(tài)對渦流檢測的影響，最后分析阻抗差異得出結(jié)論。在磁導(dǎo)率的處理問題上，對已經(jīng)劃分好有限元網(wǎng)格的管壁，通過單元表操作命令[6]，按照管壁網(wǎng)格單元序號(hào)，依次提取磁化后每個(gè)單元的磁導(dǎo)率值，并把這些值保存在數(shù)組中，在后面的渦流檢測模型中，保證管壁、缺陷、空氣層與磁化模型參數(shù)的一致性，尤其是對于管壁和缺陷網(wǎng)格兩者是一致的，這就排除了計(jì)算引起的誤差以及便于磁導(dǎo)率的重新賦予，并做到了磁化后管道材料參數(shù)與渦流檢測時(shí)管道材料參數(shù)的不變性。

圖2 飽和磁化渦流檢測有限元仿真方法

2 仿真結(jié)果討論分析

2.1 直流磁化結(jié)果

當(dāng)單線圈激勵(lì)面電流密度為3.5×107A/m2時(shí)，如圖3a所示，缺陷為矩形槽缺陷，寬度和深度都為1mm，在管道外表面提離0.5mm處，沿缺陷中心前后各取10mm，拾取徑向和軸向的磁通密度值，其采樣點(diǎn)數(shù)為300個(gè)。由此可知，經(jīng)過磁化后的鐵磁性管道會(huì)在缺陷處產(chǎn)生漏磁通且會(huì)影響管壁的磁導(dǎo)率分布，尤其是在缺陷附近，其磁導(dǎo)率會(huì)產(chǎn)生不均勻性分布，如圖3b所示，通過ANSYS仿真觀察磁化后管壁的磁導(dǎo)率分布，整個(gè)管壁范圍的磁導(dǎo)率都下降很多，其在矩形缺陷底部相對磁導(dǎo)率由最高值600下降到平均值為6左右，如圖3b中的藍(lán)色區(qū)域，但在矩形缺陷兩翼，磁導(dǎo)率還是比較大，只下降了幾百單位左右，這就導(dǎo)致了磁導(dǎo)率在管壁磁化后的不均勻分布。

圖3 寬度為1mm、深度為1mm缺陷管壁磁化狀態(tài)示意圖

2.2 磁化后渦流檢測結(jié)果

建立如圖2所示渦流檢測仿真模型，當(dāng)激勵(lì)頻率為10kHz，缺陷深度為1mm、寬度為1mm時(shí)，將2.1磁化后管壁所得的磁導(dǎo)率參數(shù)按照磁化模型管壁的單元序號(hào)依次賦予渦流檢測模型中管壁。由此模型，反映了磁化后管壁的磁導(dǎo)率狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行渦流檢測；另提取管壁缺陷下方磁化后的磁導(dǎo)率（相對磁導(dǎo)率為6），以此磁導(dǎo)率作為管道的材料參數(shù)進(jìn)行渦流檢測仿真，同時(shí)保證管道、缺陷、空氣、網(wǎng)格的不變，由同一管道不同磁導(dǎo)率狀態(tài)下的渦流檢測信號(hào)可得圖4所示阻抗信號(hào)圖，黑色“8字”圖形反應(yīng)了磁化后磁導(dǎo)率不均勻性和缺陷引起的渦流檢測信號(hào)，其阻抗相位角為85.26o，幅值為29.27Ω；紅色“8字”圖形反映了磁化后缺陷下方某一磁導(dǎo)率（相對磁導(dǎo)率為6）和缺陷引起的渦流檢測信號(hào)，其阻抗相位角為146.9o，幅值為4.412Ω，可見兩者差別挺大，并不相同。

圖4 磁化后渦流檢測阻抗圖

2.3 無缺陷時(shí)磁化后渦流檢測結(jié)果

按照2.2相同的方式處理磁化后管壁的磁導(dǎo)率，對無缺陷的管壁，待賦予磁導(dǎo)率參數(shù)后，進(jìn)行一次渦流檢測，渦流檢測信號(hào)如圖5所示，并無明顯的“8字”形信號(hào)，而是近似一條直線。將圖4中含有磁導(dǎo)率不均勻性和缺陷兩種因素影響的渦流檢測信號(hào)與圖5中的渦流檢測信號(hào)進(jìn)行差分，所得結(jié)果如圖6所示，可以得到一個(gè)完整的“8字”形渦流檢測阻抗信號(hào)圖，其渦流阻抗相位角為85.26o，幅值為29.25Ω，由此可知，當(dāng)管道被磁化后，對管壁進(jìn)行渦流檢測時(shí)，即使無缺陷，管壁磁化后的狀態(tài)還是對渦流檢測信號(hào)有一定的影響的。

圖5 無缺陷時(shí)渦流檢測阻抗圖

圖7 磁導(dǎo)率影響下渦流檢測阻抗圖

將圖6中阻抗信號(hào)與圖4中紅色“8字”阻抗信號(hào)進(jìn)行差分所得結(jié)果如圖7，這都是僅由磁化后磁導(dǎo)率不均性引起的渦流阻抗信號(hào)，其渦流阻抗相位角為77.49o，幅值為27.29Ω，不同于缺陷引起的渦流阻抗信號(hào)?？梢姶艑?dǎo)率不均性對渦流阻抗信號(hào)的影響還是比較大的，由此信號(hào)可能會(huì)對缺陷的判定產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致缺陷的誤判。

3 結(jié)論

1）通過有限元仿真可知，當(dāng)鐵磁管道被磁化后，管壁的磁導(dǎo)率有顯著的下降，但因管壁上缺陷的存在又會(huì)使磁化后管道的磁導(dǎo)率產(chǎn)生不均勻性分布，且在缺陷周圍磁導(dǎo)率比遠(yuǎn)離缺陷管壁磁導(dǎo)率大很多。

2）對飽和磁化后的管道進(jìn)行渦流檢測時(shí)，渦流阻抗信號(hào)是由磁化后磁導(dǎo)率不均勻性和缺陷共同作用引起，且磁導(dǎo)率對渦流阻抗信號(hào)影響比缺陷大很多，這就有可能導(dǎo)致缺陷誤判。

3）當(dāng)管道無缺陷時(shí)，管道磁化后的狀態(tài)還是對渦流檢測阻抗信號(hào)有一定影響的，但對幅值和相位影響不大。

[1] 康宜華,宋凱,任吉林等.磁飽和后的渦流檢測信號(hào)的非渦流效應(yīng)[J].無損檢測,2009,31(4):257-260.

[2] 宋凱,康宜華,等.漏磁與渦流復(fù)合探傷時(shí)信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(7):233-237.

[3] 林俊明,賴傳理,任吉林.鋼管渦流探傷中缺陷信號(hào)的相位分辨[J].無損檢測,2011,33(1):2-8.

[4] Helifa B,Oulhadj A,et al.Detection and measurement of surface cracks in ferromagnetic materials using eddy current testing[J].IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 2003,39(3):1527-1530.

[5] SUKHIKH AV.Application of the magnetic saturation method for eddy-current inspection of spent fuel elements from fast reactors[J].Atomic Energy,2007,102(2):139-145.

[6] 龔曙光,謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.