鍋爐管彎頭曲面對(duì)渦流探頭阻抗的影響

李海超,徐志遠(yuǎn),林章鵬,廖亞華

(湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 湘潭 411105)

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鍋爐管彎頭曲面對(duì)渦流探頭阻抗的影響

李海超,徐志遠(yuǎn),林章鵬,廖亞華

(湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 湘潭 411105)

對(duì)鍋爐管彎頭進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí),彎頭復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，故分析彎頭曲面對(duì)探頭阻抗的影響具有重要意義。通過建立放置式渦流探頭檢測(cè)不銹鋼彎頭的ANSYS有限元模型，分析了彎頭彎曲半徑及周向檢測(cè)位置的變化對(duì)探頭反射阻抗的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：彎曲半徑增大時(shí)，反射阻抗幅值的變化量增大，相位則減?。惶筋^從彎頭內(nèi)側(cè)往外側(cè)移動(dòng)時(shí)，反射阻抗幅值的變化量逐漸減小，而相位則增大。

渦流檢測(cè)；鍋爐管；彎頭；阻抗；有限元法

隨著高參數(shù)大容量超(超)臨界機(jī)組的發(fā)展，作為關(guān)鍵承壓部件的鍋爐管的制造廣泛采用了具有高熱強(qiáng)度和高蠕變強(qiáng)度的奧氏體不銹鋼。在長(zhǎng)期的高溫高壓環(huán)境下，彎頭位置易產(chǎn)生橫向晶界腐蝕裂紋而發(fā)生爆管。另外，某些鍋爐管彎頭在制造過程中處理不到位，不能形成性能較好的單相奧氏體組織，短時(shí)間運(yùn)行后易產(chǎn)生表面橫向應(yīng)力腐蝕裂紋[1-2]。因此，為保障機(jī)組安全運(yùn)行，有必要對(duì)彎頭進(jìn)行定期的無損檢測(cè)。近年來，渦流檢測(cè)因具有非接觸、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，開始應(yīng)用于鍋爐管彎頭的無損檢測(cè)中[3-4]。

管道渦流檢測(cè)分為管內(nèi)檢測(cè)和管外檢測(cè)兩種方式。鍋爐管直徑較小，且管內(nèi)經(jīng)常存在堆積物，因此不適宜采用管內(nèi)檢測(cè)方式。管外檢測(cè)主要有外穿過式和放置式兩種形式。對(duì)于連續(xù)敷設(shè)的鍋爐管排，采用放置式探頭檢測(cè)是有效且方便的手段。鍋爐管彎頭具有復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致探頭到曲面的距離(提離距離)難以保持一致，從而干擾檢測(cè)信號(hào)。如何抑制提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響是曲面渦流檢測(cè)面臨的一個(gè)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從信號(hào)處理和探頭設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究。Takagi[5]采用近似方法將蒸汽管道簡(jiǎn)化為平板進(jìn)行求解，但當(dāng)管道半徑相對(duì)線圈半徑不夠大時(shí)，這樣的簡(jiǎn)化會(huì)帶來很大的誤差。張玉華等[6]分析了直管內(nèi)外壁的凹面和凸面的彎曲半徑大小及提離變化對(duì)線圈反射阻抗的影響，并提出利用相位旋轉(zhuǎn)和信號(hào)增強(qiáng)相結(jié)合的方法消除提離干擾。宋林等[7]通過將紅外成像與脈沖渦流檢測(cè)相結(jié)合，應(yīng)用數(shù)值仿真方法，研究了曲面零件裂紋缺陷的脈沖渦流熱特性。針對(duì)具有復(fù)雜曲面的被測(cè)對(duì)象，學(xué)者們提出采用柔性探頭進(jìn)行檢測(cè)，柔性探頭能夠與復(fù)雜曲面緊密貼合或者保持相對(duì)位置穩(wěn)定，有效地抑制了不穩(wěn)定提離[8-10]。但是，柔性探頭線圈的電感量小而導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)微弱，且制作的成本較高，因此，圓柱線圈仍是當(dāng)下渦流檢測(cè)的主要探頭形式。總的說來，目前對(duì)于曲面渦流檢測(cè)，圓柱線圈探頭提離抑制的研究主要是針對(duì)平面或簡(jiǎn)單弧面，而柔性線圈雖可解決復(fù)雜曲面的提離問題，但實(shí)際應(yīng)用較少。

鍋爐管彎頭是由徑向彎曲及軸向彎曲形成的復(fù)雜曲面，不同位置處的曲率半徑不同而引起渦流探頭平均提離的變化，從而影響探頭的阻抗輸出。筆者基于有限元法，建立了不銹鋼彎頭渦流檢測(cè)的三維仿真模型，分析了彎頭彎曲半徑的變化以及不同的檢測(cè)位置對(duì)線圈探頭阻抗的影響，揭示了彎頭曲面變化時(shí)探頭阻抗的變化規(guī)律，對(duì)抑制探頭提離變化的干擾及提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供指導(dǎo)意義。

1　彎頭渦流檢測(cè)仿真模型

圖1　彎頭渦流檢測(cè)仿真模型

1.1模型建立

在有限元軟件ANSYS中建立如圖1所示的彎頭渦流檢測(cè)仿真模型(隱去空氣)。由于彎頭不關(guān)于線圈軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，故無法簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，而只能建立三維模型進(jìn)行分析。采用基于節(jié)點(diǎn)法的3D磁場(chǎng)分析單元SOLID97給彎頭、探頭和空氣建立模型。不銹鋼管道外徑18 mm，內(nèi)徑8 mm，壁厚5 mm，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1，電導(dǎo)率σ=3.82×107S·m-1?？紤]到實(shí)際管線以水平和豎直走向?yàn)橹?，因此，彎頭角度取90°。彎曲部位的彎曲半徑設(shè)置為40～65 mm。探頭線圈外徑7.5 mm，內(nèi)徑4.5 mm，高3 mm，匝數(shù)200，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1，線圈置于彎頭中部，其軸線垂直于管壁表面，底面中心到管壁的距離(提離距離)為0.5 mm。為保證線圈磁場(chǎng)的有效衰減，管道和線圈周圍用10倍于線圈外徑的空氣域包圍。

1.2網(wǎng)格劃分

模型單元的劃分是決定有限元仿真精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。考慮到彎頭曲面的特殊性，為在保證精度的同時(shí)節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)，采用分塊劃分的思想，其基本原則為：① 由于電渦流的趨膚效應(yīng)，趨膚深度內(nèi)至少應(yīng)該有兩層網(wǎng)格，探頭下方的彎頭磁場(chǎng)變化較快，應(yīng)劃分較密的單元。② 管壁內(nèi)磁場(chǎng)的變化梯度從探頭下方往兩端逐漸減小，采用漸變式網(wǎng)格，遠(yuǎn)離探頭的彎頭單元尺寸逐漸增大。③ 探頭線圈為激勵(lì)和接收元件，應(yīng)劃分較密單元。④ 空氣域采用自由網(wǎng)格劃分，但應(yīng)控制單元所允許的最小尺寸，避免出現(xiàn)尖角網(wǎng)格。在劃分單元時(shí)，通過選定模型軸向、周向及徑向?qū)?yīng)的線段并指定其劃分?jǐn)?shù)目來控制單元的精細(xì)程度。

1.3加載與求解

給線圈加載4 V,100 kHz的正弦交流電壓，并耦合線圈所有節(jié)點(diǎn)電流。空氣最外層邊界施加磁通量平行條件，模型內(nèi)介質(zhì)交界面上的邊界條件為自然邊界條件，在計(jì)算中自動(dòng)滿足。選擇分析類型為諧波分析，對(duì)不同的檢測(cè)情況分別進(jìn)行參數(shù)化建模和求解。使用Get命令提取線圈中任意節(jié)點(diǎn)的電流值，通過計(jì)算線圈電壓與電流之比得到線圈阻抗，并進(jìn)一步算出阻抗的相對(duì)變化量<φ;其中，ΔZ=Z-Zair，Z為線圈置于彎頭上方時(shí)的阻抗，Zair為線圈置于空氣中的阻抗,φ為相位。

圖2　彎頭上方電渦流密度圖

2　仿真結(jié)果分析

圖2為探頭線圈正對(duì)彎頭中部外側(cè)時(shí)管壁中的感應(yīng)渦流分布。從圖中可看出，電渦流在管壁表面呈空間同心橢圓分布，這是由于彎頭曲面形狀的變化使得線圈到管壁不同位置的提離距離不一致，導(dǎo)致線圈磁場(chǎng)與管壁的耦合強(qiáng)度不同。因此，管壁軸向的感應(yīng)渦流總體上比周向的感應(yīng)渦流強(qiáng)，渦流最大值(圖中以MX標(biāo)記)出現(xiàn)在管壁的軸向。

保持探頭線圈的位置不變，分別在彎頭彎曲半徑r為40,45,50,55,60,65 mm處進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到探頭線圈中電流實(shí)部和虛部的變化如圖3所示?？梢钥闯?，隨著彎曲半徑的增大，電流實(shí)部Ireal和虛部Iimag的幅值均逐漸增大，但實(shí)部的增加速度更快。

圖3　彎曲半徑r的變化對(duì)線圈電流的影響

圖4　彎曲半徑r的變化對(duì)線圈反射阻抗ΔZ的影響

彎曲半徑r對(duì)探頭線圈反射阻抗ΔZ的影響如圖4所示，可以看出：隨著r從40 mm增加到 65 mm，阻抗的幅值變化由13.04%增加到14.08%，相位Δφ的變化由-167.65°減小到-168.12°，僅改變0.47°。這說明彎曲半徑的變化對(duì)反射阻抗的影響主要體現(xiàn)在阻抗幅值上，對(duì)相位的影響較小。由于彎頭彎曲半徑r的變化，線圈到管壁表面的平均提離隨之改變，r越大，則平均提離越小，管壁中感應(yīng)的電渦流越強(qiáng)，阻抗變化越明顯。

圖5　檢測(cè)位置θ的變化對(duì)線圈電流的影響

保持彎頭的彎曲半徑r為40 mm不變，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28075-2012 《無損檢測(cè) 脈沖渦流檢測(cè)方法》劃分管道的周向檢測(cè)區(qū)域(圖5)，其中區(qū)域6、7、8分別和區(qū)域4、3、2對(duì)稱，因此只考慮區(qū)域1～5的情況。依次改變探頭的周向位置θ進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分別得到如圖5,6所示的探頭線圈電流I及反射阻抗ΔZ的變化規(guī)律。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，探頭從區(qū)域1移動(dòng)到5時(shí)，電流實(shí)部Ireal、虛部Iimag大小均減小；線圈反射阻抗幅值變化量逐漸減小，在彎頭內(nèi)側(cè)的區(qū)域1變化最大(為15.02%)，而在彎頭外側(cè)的區(qū)域5變化最小(為13.06%)；相位角則逐漸增大，但變化量很小。造成上述現(xiàn)象的原因是：在彎頭彎曲半徑不變的條件下，雖然管道的周向彎曲程度相同，但由于彎頭還存在軸向彎曲，不同θ處的曲面是連續(xù)變化的；在彎頭正下方的區(qū)域1，探頭線圈的平均提離最小，往上變化檢測(cè)位置，平均提離逐漸增大，所以，管壁中感應(yīng)渦流的強(qiáng)度從區(qū)域1往5遞減，對(duì)應(yīng)的線圈反射阻抗變化越來越小。

圖6　檢測(cè)位置θ的變化對(duì)線圈反射阻抗ΔZ的影響

設(shè)R、ωL分別為線圈檢測(cè)彎頭時(shí)的電阻和電抗，Rair、ωLair分別為探頭線圈處于空氣中的電阻和電抗，則彎頭彎曲半徑和檢測(cè)位置改變所形成的阻抗平面分別如圖7,8所示。由于導(dǎo)體內(nèi)熱能損耗和磁能存儲(chǔ)的緣故，線圈的電阻R增大而電抗ωL減小。彎頭彎曲半徑r增大使得兩者的變化量均增大，符合圖4中ΔZ的變化規(guī)律；而檢測(cè)位置θ由下而上變化則使得兩者的變化量均減小，符合圖6中ΔZ的變化規(guī)律。本質(zhì)上，這兩個(gè)因素變化對(duì)阻抗的影響都是由于改變了探頭線圈到管壁的平均提離，從而使得線圈與管壁的電磁耦合強(qiáng)度發(fā)生變化。

圖7　彎曲半徑r變化時(shí)的線圈阻抗圖

圖8　檢測(cè)位置θ變化時(shí)的線圈阻抗圖

由以上的分析可知，管道彎頭處彎曲半徑和周向檢測(cè)位置的變化均會(huì)引起探頭阻抗的改變。而目前在管道渦流檢測(cè)中，通常以直管段未腐蝕區(qū)域的檢測(cè)結(jié)果為參考來評(píng)估整條管線的腐蝕情況，這勢(shì)必會(huì)對(duì)彎頭的檢測(cè)結(jié)果帶來一定的誤差。因此，實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)當(dāng)按上述規(guī)律對(duì)彎頭的探頭阻抗值進(jìn)行補(bǔ)償或修正，以保證彎頭檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建如圖9所示的渦流檢測(cè)平臺(tái)對(duì)彎頭試件進(jìn)行了檢測(cè)。試件規(guī)格為φ57 mm×5 mm，彎頭角度90°，材料為304不銹鋼。渦流傳感器的型號(hào)為MTM-1808，該傳感器內(nèi)部在輸入端集成了逆變電路，在輸出端集成了阻抗/電壓變換、檢波及濾波電路。因此，傳感器輸入和輸出都為直流電壓。傳感器位于空氣中的輸出電壓U為10 V；置于試件上時(shí)由于渦流場(chǎng)感生電壓的削弱作用，輸出電壓小于10 V。反射阻抗ΔZ越大，則削弱作用越強(qiáng)，輸出電壓越小。制作了一個(gè)塑料保持架以保證傳感器在不同周向位置的提離距離為0.5 mm不變。給傳感器輸入15 V直流電壓，使用萬用表測(cè)量傳感器置于彎頭不同周向位置時(shí)的輸出電壓值，其結(jié)果如圖10所示。可看出，傳感器從彎頭內(nèi)側(cè)往外側(cè)移動(dòng)時(shí)，輸出電壓的幅值逐漸增大，間接反映了反射阻抗逐漸減小的規(guī)律，這與圖6(a)所示的阻抗的變化規(guī)律一致，從而驗(yàn)證了上文仿真結(jié)論的正確性。

圖9　渦流檢測(cè)平臺(tái)外觀

圖10　傳感器輸出電壓隨檢測(cè)位置的變化 4　結(jié)論

通過建立放置式渦流探頭檢測(cè)不銹鋼管道彎頭的有限元模型，分析了彎頭處彎曲半徑及周向檢測(cè)位置的變化對(duì)探頭反射阻抗的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：彎曲半徑增大時(shí)，反射阻抗幅值的變化量增大，相位則減?。惶筋^從彎頭內(nèi)側(cè)往外側(cè)移動(dòng)時(shí)，反射阻抗幅值的變化量逐漸減小，而相位則增大。這兩種現(xiàn)象都是由于探頭到管壁的平均提離發(fā)生了改變而引起的。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)提高鍋爐管彎頭渦流檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)進(jìn)一步的工作將探討對(duì)彎頭渦流檢測(cè)結(jié)果的補(bǔ)償方法及探頭傾斜的影響等內(nèi)容。

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The Influence of the Elbow Surface of Boiler Tube on Eddy Current Probe′s Impedance

LI Hai-chao，XU Zhi-yuan，LIN Zhang-peng，LIAO Ya-hua

(School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

The complex structure of elbow surface is the main difficulty which hampers eddy current technique being conducted on boiler tube elbow. Therefore, in order to improve the detection accuracy, it is of great significance to study the influence of the elbow surface on probe’s impedance. In this paper, the finite element model of a pancake probe-coil over a stainless steel tube elbow was established. Influences of the variations of the pipe’s curvature radius and the probe′s circumferential detecting position on the probe’s reflected impedance were respectively studied. Also, an experiment validation of the simulation was conducted. The results are as follows: (i) as the radius of curvature increases, the variation of the reflected impedance amplitude increases but the impedance phase decreases. (ii) as the probe is moved from the inner side of the elbow to the outer side, the variation of the reflected impedance amplitude decreases but the impedance phase increases.

Eddy current testing; Boiler tube; Elbow; Impedance; Finite element method

2015-03-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505406);湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目(15C1323)

李海超(1989-),男,碩士研究生,主要從事電渦流無損檢測(cè)技術(shù)的研究。

10.11973/wsjc201510013

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0056-04