三軸交流漏磁檢測矩形缺陷信號特征分析

廖肖曉，周紹騎，白金春

(1.后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶　401311； 2. 61255部隊(duì), 山西 臨汾　043000)

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三軸交流漏磁檢測矩形缺陷信號特征分析

廖肖曉1，周紹騎1，白金春2

(1.后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶401311； 2. 61255部隊(duì), 山西 臨汾043000)

針對三軸交流漏磁檢測信號與缺陷定量之間關(guān)系的問題，利用Ansoft Maxwell軟件，采用控制變量的方法對矩形缺陷交流漏磁檢測進(jìn)行三維有限元仿真。結(jié)果表明：缺陷長度、寬度、深度和旋轉(zhuǎn)角度的變化會(huì)引起不同的漏磁場信號，可以利用三軸漏磁信號特征對缺陷進(jìn)行定量分析，其中環(huán)向磁通密度分量對復(fù)雜缺陷的定量分析有重要的意義。該結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

三軸;交流漏磁;缺陷;信號特征;有限元分析

管道系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于石油、化工以及城市水暖等領(lǐng)域中，是石油和天然氣等物質(zhì)輸送的主要手段[1]。管道在運(yùn)行的過程中，其外表面最容易出現(xiàn)劃傷和裂紋等缺陷，一旦由于裂紋等缺陷造成管道的失效破壞，會(huì)嚴(yán)重影響油氣輸送的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)以及管路周圍生態(tài)和人員的安全[2-3]。

交流漏磁檢測是綜合了直流漏磁檢測和渦流檢測的精確測量表面缺陷的新型電磁無損檢測技術(shù)[4]，在國內(nèi)外越來越多地被用于管道缺陷的檢測。日本學(xué)者Yuji Gotoh和 Norio Takahashi[5-6]在2001—2004年做了大量的研究工作，指出交流漏磁檢測可以檢測到更多缺陷信息，并解決了當(dāng)2個(gè)近距離缺陷的漏磁場相互干擾時(shí)如何進(jìn)行定量缺陷深度的問題。在國內(nèi)，經(jīng)過康中尉、吳德會(huì)、宋凱等學(xué)者的不斷探索和研究，交流漏磁檢測雖然起步較晚但也有了很大的進(jìn)步[7-9]。但是，在這些研究過程中無論是數(shù)值模擬還是實(shí)驗(yàn)都是基于二維有限元分析或是僅僅檢測管道的徑向漏磁信號，并沒有全面研究和利用軸向以及環(huán)向漏磁信號，這樣檢測到的漏磁信號對于缺陷尺寸的識別會(huì)造成一定的困難。本文針對這一問題，根據(jù)漏磁場三維特性，增加漏磁場檢測分量，提出三軸交流漏磁檢測方法，利用三維有限元仿真軟件，采用控制變量的方法對不同的矩形缺陷進(jìn)行數(shù)值模擬，得到漏磁信號特征與缺陷特征之間的關(guān)系，從而可更好地定量檢測缺陷[10]。

1　三軸交流漏磁檢測原理

三軸交流漏磁檢測原理(圖1)以傳統(tǒng)的交流漏磁檢測原理為基礎(chǔ)，當(dāng)鐵磁性材料被交流磁化器磁化后，若被測試件表面光滑沒有缺陷且內(nèi)部沒有夾雜物，進(jìn)入導(dǎo)體的磁力線將全部通過被測試件；若存在缺陷，會(huì)導(dǎo)致缺陷處及其附近的磁阻增加而使得缺陷附近的磁場發(fā)生畸變，磁力線發(fā)生彎曲。此時(shí)通過傳感器對材料表面進(jìn)行掃查，對漏磁場信號進(jìn)行分析和處理就可得到缺陷的相關(guān)信息[11]。

圖1　三軸交流漏磁檢測原理

三軸交流漏磁檢測技術(shù)是將缺陷處形成的三維漏磁矢量場分為軸向、徑向和環(huán)向分量，并在U型磁軌之間緊貼管壁處放置三相正交霍爾傳感器，分別測量出缺陷漏磁場的軸向、徑向和環(huán)向漏磁分量，可以更多地測量和記錄缺陷的信息，提高管道表面缺陷的檢測精度以及缺陷的識別能力[12]。

由于交流漏磁檢測的趨膚效應(yīng)，進(jìn)入被測試件的磁化場受到渦流場的影響，進(jìn)入被測試件的磁力線分布在其表面，因此更易于表面缺陷的檢測。關(guān)于渦流的基本方程如下[6]：

(1)

(2)

式中：A為磁失勢；μ為被檢工件磁導(dǎo)率；J0感應(yīng)渦流密度；φ為電場標(biāo)量勢；σ為電導(dǎo)率。

2　漏磁場仿真模型

本文采用Ansoft Maxwell 16.0對U型磁軌模型的磁化場進(jìn)行三維建模分析。為簡化模型，只取用了鋼管的上半部分，由于磁化器較小，因此對結(jié)果沒有影響，圖2為漏磁模型的正視圖和俯視圖。

在模型中，線圈加載交流電流有效值I=0.8 A，磁軌左右兩側(cè)各纏繞的線圈匝數(shù)N=100，磁軌的相對磁導(dǎo)率為2 300，鋼板為20號鋼，鋼管型號為φ159×5，常溫情況下其相對磁導(dǎo)率為236，電導(dǎo)率為5.5 MS/m，勵(lì)磁頻率為1 000 Hz，加載Radiation Boundary輻射邊界條件。網(wǎng)格劃分情況見圖3。

圖2　漏磁模型

圖3　網(wǎng)格劃分情況

3　軸向長度改變對漏磁信號的影響

模型中的缺陷為橫向缺陷，橫向缺陷的環(huán)向長度、軸向長度和徑向長度分別對應(yīng)為模型中缺陷的長度(length)、寬度(width)和深度(depth)。為了研究缺陷寬度的改變對漏磁信號的影響，在標(biāo)準(zhǔn)缺陷長、寬、深度分別為20,1,3 mm 的基礎(chǔ)上，保持長度和深度不變，改變寬度分別為0.5，1，1.5，2，2.5，3 mm。

在鋼板上方d=0.5 mm處設(shè)置磁通密度查看路徑。該路徑是模擬探頭的檢測位置，設(shè)置為軸向方向，以缺陷中心作為路徑的中點(diǎn)，路徑長度L=16 mm。x=8 mm處為缺陷的中心位置。

圖4為三相正交的霍爾元件檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量，無論是軸向、徑向還是環(huán)向都能檢測到缺陷的存在，相對于傳統(tǒng)的二維有限元仿真有著較為明顯的優(yōu)勢。

環(huán)向分量Bx與軸向長度的關(guān)系如圖4(a)所示，從中可以發(fā)現(xiàn)：環(huán)向分量Bx的波動(dòng)范圍隨著軸向長度的增加而變大，雖然對軸向長度的界定有一定的幫助，但是其數(shù)值非常小，且很難發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。

圖4　磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁通密度軸向分量By隨軸向長度變化的關(guān)系如圖4(b)所示，可以看出：在軸向長度從0.5 mm遞增到3.0 mm的過程中，軸向分量By是一個(gè)波峰形狀，其幅值呈遞減的趨勢，當(dāng)軸向長度增加到一定程度，其波峰已經(jīng)變得非常緩和，甚至有變成2個(gè)波峰的趨勢。

磁通密度徑向分量Bz呈波峰波谷型，其幅值隨著軸向長度的增加而減小，且波峰波谷的間距隨著軸向長度的增加而增加，因此徑向分量Bz對于缺陷軸向長度的界定有著重要的作用，可以作為缺陷軸向長度界定的特征值。其中，徑向分量波峰波谷間距與缺陷軸向長度呈線性遞增的趨勢(圖5)，其擬合優(yōu)度高達(dá)0.997 2，可以作為軸向長度的界定方程：

y=0.823 8x+0.758 4， R2=0.997 2

(3)

式中：y為徑向分量波峰波谷間距(mm)；x為缺陷軸向長度(mm)；R2為擬合優(yōu)度。

4　徑向長度改變對漏磁信號的影響

為研究缺陷徑向長度的改變對漏磁信號的影響，在標(biāo)準(zhǔn)缺陷環(huán)向、軸向和徑向長度分別為20，1，3 mm的基礎(chǔ)上，保持環(huán)向和軸向長度不變，改變徑向長度分別為1，1.5，2，2.5，3，3.5，4 mm。

在改變?nèi)毕輳较蜷L度的過程中，由圖6可以明顯地看出：缺陷徑向長度的改變只能引起磁通密度分量幅值的變化，軸向分量中波谷的位置以及徑向分量中波峰波谷的相對位置都沒有發(fā)生改變，這證明了改變?nèi)毕輳较蜷L度不能引起磁通密度分量中波峰波谷相對位置的變化。

環(huán)向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx同樣與缺陷徑向長度的改變沒有明確的關(guān)系，因此沒有做出其對應(yīng)的關(guān)系圖形。

由圖6(a)可以看出：軸向分量By的幅值隨著徑向長度的遞增呈增加的趨勢，在1 mm遞增到1.5 mm的過程中，幅值增加得比較快，在徑向長度從1.5 mm增加到4 mm的過程中，幅值的增加幅度比較緩和，近似于指數(shù)函數(shù)的增加趨勢，可以作為缺陷徑向長度界定的特征值。數(shù)值擬合曲線如圖7(a)所示，其擬合優(yōu)度高達(dá)0.998 2，可以作為徑向長度的界定方程，擬合方程為

(5)

式中：y為軸向分量幅值(mT)；x為缺陷徑向長度(mm)。

磁通密度徑向分量Bz與缺陷徑向長度的關(guān)系如圖6(b)所示，其幅值隨著徑向長度的增加呈冪函數(shù)遞增的趨勢，擬合優(yōu)度達(dá)0.992 4。由于其幅值增加的速度比較小，分辨率比較低，可以作為缺陷徑向長度的輔助界定方程。做出其數(shù)值擬合曲線，如圖7(b)所示，其擬合方程為

y=1.896x0.849， R2=0.992 4

(6)

式中：y為徑向分量幅值(mT)；x為缺陷徑向長度(mm)。

圖7　深度擬合曲線

5　缺陷角度改變對漏磁信號的影響

改變矩形缺陷磁力線和缺陷的角度近似于管道上的復(fù)雜缺陷，在建立的模型中具體表現(xiàn)為缺陷的旋轉(zhuǎn)，圖8為磁力線在缺陷處的折射俯視圖。改變?nèi)毕菪D(zhuǎn)的角度，由0°～180°，從0°開始以15°的大小遞增。

圖8　磁力線在缺陷處的折射俯視圖

當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)，橫向缺陷變?yōu)榭v向缺陷，繼續(xù)增加角度，縱向缺陷又變回橫向缺陷，在這個(gè)變化過程中，根據(jù)不同介質(zhì)分界面上的連續(xù)性邊界條件[12]，當(dāng)磁力線在缺陷處發(fā)生折射時(shí)，有如下公式：

(7)

(8)

從圖8可以看出：若θ2>θ1=θ，那么折射后的磁力線與X正向成銳角，則環(huán)向磁通密度分量Bx為正值；若θ2<θ1=θ，折射后的磁力線與X正向成鈍角，則Bx為負(fù)值。

圖9中只取了環(huán)向和軸向的4個(gè)具有代表性的磁通密度分量與角度變化的曲線圖，徑向曲線圖有著相同的規(guī)律，在這里不進(jìn)行重復(fù)分析。通過磁通密度各分量的幅值與角度的關(guān)系可以得到其數(shù)據(jù)擬合曲線，見圖10。由圖10(a)可以看出：環(huán)向分量Bx幅值與角度近似于正弦函數(shù)關(guān)系，其擬合優(yōu)度較高，R2=0.996 3，方程為

y=5.122sin(2.03x-1.015π)

(9)

式中：y為環(huán)向分量幅值(mT)；x為缺陷旋轉(zhuǎn)角度值(°)。

圖9　磁感應(yīng)強(qiáng)度

軸向分量By的幅值與角度也近似于正弦函數(shù)關(guān)系，其擬合優(yōu)度高達(dá)0.985 3。圖10(b)為數(shù)據(jù)擬合曲線，方程為

y=9.635+4.404sin(1.934x+0.531π)

(10)

式中：y為軸向分量幅值(mT)；x為缺陷旋轉(zhuǎn)角度值(°)。

考慮到x∈[0,π]，因此只需通過這2個(gè)方程就可以確定唯一的角度值。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)缺陷由橫向缺陷旋轉(zhuǎn)為縱向缺陷時(shí)，傳感器無法檢測到漏磁場的變化，因此軸向勵(lì)磁的方式無法檢測出縱向缺陷的存在。通過仿真得到的結(jié)果與理論一致，證明了理論分析的正確性，也證明了磁通密度環(huán)向和軸向分量在界定復(fù)雜裂紋缺陷時(shí)有很重要的意義。

圖10　角度擬合曲線

6　結(jié)論

三軸交流漏磁檢測方法相對于傳統(tǒng)的檢測方法可以提高對缺陷的識別度，從而較多地記錄缺陷的信息。針對矩形缺陷的漏磁場信號特征進(jìn)行了三維有限元仿真，結(jié)果表明：

1) 只有缺陷寬度的改變可以引起徑向分量波峰波谷位置的相對變化，因此由波峰波谷的相對位置可以界定缺陷的寬度。

2) 缺陷的深度與磁通密度的軸向分量幅值有著擬合優(yōu)度極高的線性關(guān)系，配合徑向分量幅值可以近似地界定缺陷的深度。

3) 缺陷長度與磁通密度的軸向和徑向分量幅值的擬合優(yōu)度很接近但都不是特別高，利用兩者的搭配對于缺陷長度的界定有一定的幫助。

4) 環(huán)向磁通密度分量在橫向缺陷檢測中的作用不大，但隨著缺陷旋轉(zhuǎn)角度的增加，其磁通密度分量的幅值呈正弦函數(shù)的變化趨勢，且擬合優(yōu)度極高，因此環(huán)向磁通密度分量對復(fù)雜矩形缺陷的定量分析有很重要的意義。

本研究僅數(shù)值模擬了矩形缺陷的漏磁信號，下一步將擴(kuò)充到更多的缺陷形式并建立各種缺陷的漏磁信號特征分類。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Signal Analysis of Tri-Axial AC-MFL Inspection for the Rectangular Defect

LIAO Xiao-xiao1，ZHOU Shao-qi1，BAI Jin-chun2

(1.Department of Petroleum Supply Engineering, Logistic Engineering University,Chongqing 401311, China; 2.The No. 61255thTroop of PLA, Linfen 043000, China)

For the problem of relationship between signal of tri-axial AC-MFL inspection and quantitative analysis of defects, a finite element of AC-MFL detection system was build by adopting Ansoft Maxwell program to simulate the 3-D static situation in the method of control variables. Results show that the change of defect length, width, depth and rotation angle will cause different magnetic field leakage signal. Three-axis magnetic flux leakage signal feature could be used for quantitative analysis of defects. In particular, it was shown that axial magnetic flux density had an important significance for quantitative analysis of complex defects. The results demonstrate the validity of the theoretical analysis.

tri-axial; AC-MFL; defect; signal characteristic; finite element analysis

2016-03-28

廖肖曉(1991—)，男，湖北谷城人，碩士研究生，主要從事無損檢測技術(shù)研究，E-mail:312343912@qq.com。

format：LIAO Xiao-xiao，ZHOU Shao-qi，BAI Jin-chun.Signal Analysis of Tri-Axial AC-MFL Inspection for the Rectangular Defect[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):106-112.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.017

TG115.28

A

1674-8425(2016)09-0106-07

引用格式：廖肖曉，周紹騎，白金春.三軸交流漏磁檢測矩形缺陷信號特征分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):106-112.