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 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063；2.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，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，但在鐵磁材料實施渦流檢測時，由于磁導率的波動引起渦流檢測中有較大的噪聲信號，以至于難于檢測出缺陷，因此一般采用遠場渦流檢測或通過對鐵磁管道進行飽和磁化的方式，以降低其磁導率等影響，再實施渦流檢測。然而與非鐵磁性材料相比，鐵磁材料具有獨特的特性，并非是非鐵磁性材料檢測機理的簡單延伸，因此鋼管磁飽和的渦流檢測磁特性影響機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一步的認識，并在理論計算和試驗仿真的基礎(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]在鋼管渦流檢測實踐中發(fā)現(xiàn)鋼管過飽和磁化后渦流檢測會出現(xiàn)內(nèi)外壁缺陷信號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。

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率處理的方式，計算了磁化后鐵磁管道的磁導率分布，以及磁化后對管道進行渦流檢測時線圈的阻抗的變化，從信號相位和幅值上分析了磁導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踐具有指導作用。

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。檢測管道磁導率由B-H曲線給出，電導率為1.03×106S/m；磁化線圈的相對磁導率為1，電導率為0.58×108S/m。渦流檢測線圈的相對磁導率為1，電導率為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，依次提取磁化后每個單元的磁導率值，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，這就排除了計算引起的誤差以及便于磁導率的重新賦予，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

當單線圈激勵面電流密度為3.5×107A/m2時，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，其采樣點數(shù)為300個。由此可知，經(jīng)過磁化后的鐵磁性管道會在缺陷處產(chǎn)生漏磁通且會影響管壁的磁導率分布，尤其是在缺陷附近，其磁導率會產(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率分布，整個管壁范圍的磁導率都下降很多，其在矩形缺陷底部相對磁導率由最高值600下降到平均值為6左右，如圖3b中的藍色區(qū)域，但在矩形缺陷兩翼，磁導率還是比較大，只下降了幾百單位左右，這就導致了磁導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，當激勵頻率為10kHz，缺陷深度為1mm、寬度為1mm時，將2.1磁化后管壁所得的磁導率參數(shù)按照磁化模型管壁的單元序號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率狀態(tài)，進而進行渦流檢測；另提取管壁缺陷下方磁化后的磁導率（相對磁導率為6），以此磁導率作為管道的材料參數(shù)進行渦流檢測仿真，同時保證管道、缺陷、空氣、網(wǎng)格的不變，由同一管道不同磁導率狀態(tài)下的渦流檢測信號可得圖4所示阻抗信號圖，黑色“8字”圖形反應(yīng)了磁化后磁導率不均勻性和缺陷引起的渦流檢測信號，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率（相對磁導率為6）和缺陷引起的渦流檢測信號，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率，對無缺陷的管壁，待賦予磁導率參數(shù)后，進行一次渦流檢測，渦流檢測信號如圖5所示，并無明顯的“8字”形信號，而是近似一條直線。將圖4中含有磁導率不均勻性和缺陷兩種因素影響的渦流檢測信號與圖5中的渦流檢測信號進行差分，所得結(jié)果如圖6所示，可以得到一個完整的“8字”形渦流檢測阻抗信號圖，其渦流阻抗相位角為85.26o，幅值為29.25Ω，由此可知，當管道被磁化后，對管壁進行渦流檢測時，即使無缺陷，管壁磁化后的狀態(tài)還是對渦流檢測信號有一定的影響的。

圖5 無缺陷時渦流檢測阻抗圖

圖7 磁導率影響下渦流檢測阻抗圖

將圖6中阻抗信號與圖4中紅色“8字”阻抗信號進行差分所得結(jié)果如圖7，這都是僅由磁化后磁導率不均性引起的渦流阻抗信號，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。可見磁導率不均性對渦流阻抗信號的影響還是比較大的，由此信號可能會對缺陷的判定產(chǎn)生一定的影響，導致缺陷的誤判。

3 結(jié)論

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

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

3）當管道無缺陷時，管道磁化后的狀態(tài)還是對渦流檢測阻抗信號有一定影響的，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)合探傷時信號產(chǎn)生機理研究[J].機械工程學報,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:機械工業(yè)出版社,2003.