儲(chǔ)罐大角焊縫漏磁場(chǎng)仿真模擬與分析

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（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶163318）

由于儲(chǔ)罐大角焊縫的特殊位置，使其在工作狀態(tài)時(shí)承受巨大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的作用。長(zhǎng)期處于載荷下將導(dǎo)致疲勞性裂紋的產(chǎn)生。為了保障生產(chǎn)安全，對(duì)底板與罐壁板處連接的角焊縫檢測(cè)就非常重要。目前針對(duì)大角焊縫的檢測(cè)方法有：滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等［1]。當(dāng)今漏磁檢測(cè)憑借檢測(cè)靈敏度高、效率高、便于操作、可缺陷量化等特點(diǎn)，在儲(chǔ)罐底板和管道的檢測(cè)中已日趨成熟，但在大角焊縫的檢測(cè)中應(yīng)用較少。筆者提出儲(chǔ)罐大角焊縫的漏磁檢測(cè)方法，建立有限元模型并進(jìn)行三維有限元仿真模擬。以常見的裂紋缺陷為試驗(yàn)對(duì)象，得出裂紋缺陷漏磁場(chǎng)的分布特征并對(duì)其進(jìn)行分析，歸納其規(guī)律，對(duì)以后將漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)罐大角焊縫提供理論依據(jù)。

1 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真模型

1.1 儲(chǔ)罐大角焊縫的漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)是建立在鐵磁性材料高磁導(dǎo)率特性基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測(cè)的。若表面光滑無裂紋、內(nèi)部無缺陷的鐵磁性材料被磁化后，磁力線理論上會(huì)完全從鐵磁性材料內(nèi)部通過并構(gòu)成磁回路。但由于儲(chǔ)罐大角焊縫的存在，導(dǎo)致材質(zhì)不連續(xù)，磁力線會(huì)改變路徑。若在鐵磁性材料上存在缺陷，由于鐵磁材料與缺陷處材質(zhì)的導(dǎo)磁率不同，一部分磁通在鐵磁性材料內(nèi)部穿過，一部分經(jīng)過裂紋周圍的鐵磁性材料，另一部分則穿過裂紋附近的空氣［2]。

事實(shí)上無論在大角焊縫處是否有缺陷的存在，都會(huì)存在空氣耦合磁場(chǎng)，如圖1所示。當(dāng)大角焊縫處沒有缺陷產(chǎn)生時(shí)，霍爾元件接收到的是空氣耦合場(chǎng)的漏磁通，當(dāng)有缺陷產(chǎn)生時(shí)，接收到的是裂紋漏磁通和空氣耦合場(chǎng)漏磁通的疊加［3]。

圖1 儲(chǔ)罐大角焊縫漏磁檢測(cè)原理

1.2 儲(chǔ)罐大角焊縫有限元仿真

1.2.1 實(shí)體建模與材料屬性

根據(jù)儲(chǔ)罐大角焊縫位置的特殊性，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，對(duì)模型進(jìn)行一部分建模分析，采用實(shí)體建模的方法。根據(jù)儲(chǔ)罐大角焊縫漏磁檢測(cè)原理，建立的有限元模型包括帶大角焊縫的鋼板，磁鐵、極靴、銜鐵及空氣邊界五部分，如圖2所示。利用ANSYS軟件對(duì)漏磁場(chǎng)模擬進(jìn)行數(shù)值求解。需定義材料屬性如下：

（1）兩塊鋼板材質(zhì)為Q235鋼，厚度為10 mm，角焊縫材料屬性與鋼板相同。

（2）磁鐵選擇N48稀土材料永久磁鐵，產(chǎn)生的磁力相當(dāng)于為整個(gè)結(jié)構(gòu)添加載荷，由于兩塊磁鐵位置不同，需設(shè)置相應(yīng)的矯頑力大小和方向。

（3）極靴與銜鐵選用性價(jià)比較好的工業(yè)純鐵。

（4）空氣作為磁化環(huán)境的介質(zhì)，相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)置為1.0。

（5）由于磁鐵、極靴、銜鐵和鋼板選用非線性材料，所以都需設(shè)置相應(yīng)的B－H曲線。

圖2 有限元仿真模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

為了獲得較高的計(jì)算精度，試驗(yàn)采用精度較高的單元邊法進(jìn)行計(jì)算。選用Solid117單元，其單元有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，映射網(wǎng)格劃分能獲得形狀規(guī)整的六面體，獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

由于在整個(gè)結(jié)構(gòu)中兩塊磁鐵的存在，相當(dāng)于整體添加了載荷，ANSYS在處理過程中會(huì)添加到每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)上，就不需要進(jìn)行其他載荷設(shè)定。在單元邊的磁場(chǎng)分析中只需控制磁力線平行于邊界條件，垂直邊界條件就自然滿足。

1.2.3 求解及后處理

在本次ANSYS運(yùn)算的求解過程中，采用自帶的求解器進(jìn)行求解。求解結(jié)束后，按照1 mm高度進(jìn)行路徑提取如圖4所示，可以得到缺陷處的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布數(shù)值，如圖5所示。

圖4 路徑提取示意圖

圖5 缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分布

2 關(guān)于儲(chǔ)罐大角焊縫漏磁場(chǎng)的分析

2.1 壁板左側(cè)無余出水平鋼板

為得到儲(chǔ)罐大角焊縫漏磁場(chǎng)信號(hào)，首先建立壁板左側(cè)沒有余出水平鋼板和角焊縫的理想化有限元仿真模型。此模型中水平與豎直鋼板厚度均為10 mm，焊腳長(zhǎng)為10 mm，經(jīng)求解計(jì)算后，為方便看到大角焊縫處磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布圖，如圖6（a）所示，沿焊縫和鋼板表面高度為1 mm處進(jìn)行路徑提取。圖6（b）為裂紋處磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向和y方向分布曲線。

從圖7中可以看到，壁板左側(cè)沒有余出水平鋼板和角焊縫的理想大角焊縫漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量Bx在焊縫中心線處取得最小值，并且關(guān)于角焊縫中心線對(duì)稱。這是由于焊縫材質(zhì)是鐵磁性的，部分磁力線沿焊縫穿過，導(dǎo)致通過鋼板的磁通密度減少，這使原來漏磁場(chǎng)與空氣耦合場(chǎng)所形成的平衡被打破，空氣耦合場(chǎng)磁通密度占主導(dǎo)，使得漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量呈現(xiàn)向下的趨勢(shì)。還可以看出，大角焊縫處的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直分量By關(guān)于角焊縫中心線成軸對(duì)稱，且在角焊縫正中間處為零，這說明在焊縫邊沿處漏出鋼板和進(jìn)入鋼板的磁通數(shù)目最多。

圖6 理想模型漏磁場(chǎng)

2.2 壁板左側(cè)有無余出水平鋼板對(duì)比分析

在圖6（a）的基礎(chǔ)上，建立如圖2的符合實(shí)際應(yīng)用的有限元仿真模型。在水平鋼板向左加長(zhǎng)100 mm，并建立角焊縫，加載相應(yīng)的邊界條件，求解計(jì)算后得到大角焊縫漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布圖。提取相應(yīng)路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量，得到如圖7的大角焊縫漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的對(duì)比曲線。

圖7 壁板左側(cè)有無余出水平鋼板模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度

從圖7（a）中可以看出，有左側(cè)水平鋼板的磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量在上焊腳處減小，在下焊趾處增大。這是由于水平鋼板左側(cè)余出一定長(zhǎng)度鋼板和角焊縫，使整體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，導(dǎo)致在豎直鋼板中的磁力線數(shù)量增加。漏在空氣中的磁通密度減少。在右側(cè)水平鋼板中的磁力線由豎直鋼板和左側(cè)鋼板中的磁力線疊加而成，導(dǎo)致通過角焊縫下焊趾的磁通密度減少，空氣耦合場(chǎng)磁通密度增大，所以在下焊趾漏磁場(chǎng)水平分量增大。從圖7（b）中可以看出，由于多出的水平左側(cè)鋼板，得到在角焊縫的漏磁場(chǎng)豎直分量在整體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

2.3 裂紋位于焊趾處

為檢測(cè)大角焊縫焊趾處裂紋缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)，需建立如圖2的三維有限元仿真模型。此模型中鋼板厚度為10 mm，焊腳長(zhǎng)為10 mm，在焊腳處裂紋長(zhǎng)度為2 mm，深度分別為鋼板板厚的20%，40%，60%，80%。經(jīng)求解計(jì)算后，為方便看到裂紋處漏磁場(chǎng)的分布圖，沿焊縫和鋼板表面高度為1 mm處進(jìn)行路徑提取，圖8為裂紋處磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向和y方向分布曲線。

圖8 裂紋位于焊趾處的模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度

從圖8中可以看出，由于大角焊縫下焊趾處存在裂紋，在50 mm附近（焊趾處）產(chǎn)生明顯的漏磁信號(hào)。這是因?yàn)榱鸭y處的鋼板變薄，從而使穿過鋼板的磁力線數(shù)目變小，漏磁通密度隨之增大，高于空氣耦合場(chǎng)的漏磁通密度。隨著裂紋深度的增加，漏磁場(chǎng)水平分量和豎直分量的幅值也隨之增大。

2.4 裂紋位于熱影響區(qū)

由于焊縫的熱影響區(qū)是整個(gè)焊縫的薄弱環(huán)節(jié)，可能由于焊接工藝采取不當(dāng)、長(zhǎng)期處于載荷作用下或者腐蝕介質(zhì)中，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，所以對(duì)角焊縫熱影響區(qū)的檢測(cè)顯得尤為重要。圖9為在圖6（a）結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，裂紋在距焊趾3 mm處熱影響區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向和y方向分布曲線。

圖9 裂紋位于熱影響區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度

從圖9中可以看出，由于裂紋存在于角焊縫熱影響區(qū)，在53 mm附近（裂紋處）產(chǎn)生明顯的漏磁信號(hào)。隨著裂紋深度的增加，漏磁場(chǎng)水平分量和豎直分量的幅值也分別增大。從漏磁場(chǎng)的豎直分量曲線中可以看出兩個(gè)明顯的波谷和一個(gè)波峰的情況，這是由于在熱影響區(qū)處的裂紋與角焊縫距離較近，兩個(gè)波形的波峰相互疊加形成的結(jié)果。

2.5 三種不同情況下對(duì)比分析

將2.2，2.3，2.4節(jié)中裂紋深度均為40%的曲線進(jìn)行匯總得到圖10分析如下：

（1）從圖10（a）中可以看出，在焊趾處和角焊縫熱影響區(qū)處裂紋的水平漏磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值均大于角焊縫無缺陷時(shí)的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度，且在焊縫熱影響區(qū)處的水平漏磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值略大于裂紋位于焊趾處的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值。

（2）從圖10（b）中可以看出，在焊趾處裂紋的豎直漏磁場(chǎng)強(qiáng)度大于裂紋位于角焊縫熱影響區(qū)處及角焊縫無缺陷時(shí)的豎直漏磁場(chǎng)強(qiáng)度，且在焊縫熱影響區(qū)處的豎直漏磁場(chǎng)強(qiáng)度波高（相鄰波峰與波谷的垂直距離）略小于裂紋位于焊趾處的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度波高。

圖10 裂紋深度為40%的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

3 結(jié)論

（1）利用有限元分析軟件，建立左側(cè)無余出鋼板、大角焊縫且無缺陷的儲(chǔ)罐大角焊縫理想化有限元仿真模型，得到其漏磁場(chǎng)分布情況為：水平分量Bx在角焊縫的中心線處取最小值，豎直分量By關(guān)于角焊縫中心線呈軸對(duì)稱關(guān)系。

（2）建立左側(cè)帶有余出鋼板、大角焊縫和無缺陷的儲(chǔ)罐大角焊縫有限元仿真模型，得到漏磁場(chǎng)分布情況為：在上焊趾的漏磁場(chǎng)水平分量減小，下焊趾處的漏磁場(chǎng)水平分量增大；大角焊縫的漏磁場(chǎng)豎直分量在整體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

（3）得到隨著深度的不同，裂紋位于大角焊縫的焊趾和熱影響區(qū)的漏磁場(chǎng)分布規(guī)律：兩者漏磁場(chǎng)的水平分量和豎直分量的峰值均隨著深度的增加而增加。

（4）采用漏磁的方法對(duì)大角焊縫進(jìn)行檢測(cè)，得到有無缺陷時(shí)大角焊縫的漏磁場(chǎng)分布的對(duì)比曲線，為以后對(duì)大角焊縫缺陷的檢測(cè)提供了理論依據(jù)。

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