鋼質薄板低頻勵磁檢測技術原理仿真及試驗

張曉斌,戴　光,蔣　俊,郭　凱,羅　貞,陳華林

(1.廣西特種設備檢驗研究院, 南寧 530219；2.東北石油大學, 大慶 163318 ；3.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院, 南京210028)

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鋼質薄板低頻勵磁檢測技術原理仿真及試驗

張曉斌1,2,3,戴光2,蔣俊3,郭凱1,羅貞1,陳華林1

(1.廣西特種設備檢驗研究院, 南寧 530219；2.東北石油大學, 大慶 163318 ；3.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院, 南京210028)

石化產品大型儲罐底板應用了大量的鋼質薄板，這些鋼質底板受工作環境影響易產生嚴重腐蝕。為保證儲罐底板的安全，必須定期或不定期安全檢測。對基于低頻勵磁技術的鋼質平板檢測技術進行了分析，利用有限元技術對其檢測原理進行了仿真；對兩種典型腐蝕缺陷進行了仿真和驗證試驗。結果表明，仿真結果與試驗檢測結果相符。

低頻勵磁檢測;儲罐底板;檢測原理;仿真

原油儲備已成為一個國家必備的戰略物資，其盛裝容器——常壓儲罐的安全運行，不僅關系到一個地區的穩定，也直接影響到國家經濟命脈的安全運行。目前儲罐底板的檢測主要采用漏磁檢測的方法，該技術的研究在國外起步得較早，在理論與檢測儀器的研究上都取得了豐碩成果[1-2]。二十世紀90年代后期，我國相關研究機構也開始了罐底板漏磁無損檢測裝置的研究工作，并取得了較大的成就[3-7]。

但由于漏磁設備較重且與底板有較強磁吸力，檢測人員勞動強度較大，且帶有剩磁;而隨著現代檢測技術的不斷發展，國外已有低頻勵磁檢測技術應用到儲罐底板檢測上。低頻勵磁檢測技術具有檢測設備較輕、能有效區分上下底板的缺陷、無剩磁等優點，越來越被國內科研人員所關注，并逐漸成為研究熱點[8-9]。筆者在此背景下開展了其檢測原理及典型腐蝕缺陷仿真及試驗工作。

1　低頻勵磁檢測原理

漏磁檢測對與磁通矢量無正交分量的二維缺陷不敏感, 而渦流檢測對與渦流矢量無正交分量的二維缺陷也不敏感, 但這兩者的二維不敏感缺陷是正交的。低頻勵磁檢測是一種電渦流檢測和漏磁檢測復合的檢測系統。其檢測原理分解為二部分，一部分是在極靴正下方形成渦流場;另一部分是感生渦流場圍繞被測試件內部進行磁路重新分布，而形成磁路渦流場。如圖1所示,整個檢測系統由電磁激勵部分和信號拾取部分構成, 低頻激勵電流經激勵線圈所產生的磁通Qj=Qi+Qk。磁通Qi為由電渦流產生的主磁通,Qk為空間散射的漏磁通。當試件內部無缺損時,Qj給出的信號為零。當缺陷進入掃描系統的響應區時, 因缺陷對主磁通Qi和渦流場的擾動而使Qk出現非對稱分布, 由此在Qj中產生失衡信號。

圖1　磁路渦流漏磁場分析示意

2　低頻勵磁檢測原理仿真

仿真軟件采用ANSYS Maxwell，該軟件可以幫助工程師完成電磁設備的3D/2D有限元仿真分析,可完成靜態、頻域以及時域磁場與電場仿真分析。Maxwell最大的優勢在于其具有自動化的分析流程;工程師在實際應用時，只需要指定模型的幾何形狀，材料屬性以及關鍵的輸出參數，Maxwell就可自動生成高質量的自適應網格。

圖2　探頭結構示意

2.1仿真模型參數

線圈匝數300，線圈大小φ0.5 mm，激勵頻率10 Hz，電壓大小12 V。平板厚10 mm，平板材料相對磁導率250，電導率7 140 000 S·m-1；銜鐵材料相對磁導率60 000，電導率100 S·m-1；線圈材料相對磁導率0.999 991，電導率5.8×107S·m-1；空氣材料相對磁導率1，電導率0。探頭結構示意見圖2。網格采用四面體單元劃分，線圈、銜鐵及平板的網格單元最大尺寸為1 mm，探頭的網格單元最大尺寸為0.1 mm，單元總數為34 500個，網格劃分如圖3所示。

圖3　網格劃分示意

2.2仿真結果

(1) 對銜鐵位于無缺陷的位置和有缺陷的位置分別進行仿真，結果如圖4所示。

圖4　有關缺陷位置的渦流場及渦流磁路感應矢量圖

由圖4可知：① 低頻勵磁檢測實際上是渦流檢測和漏磁檢測的復合檢測。② 當平板沒有缺陷時，激勵線圈鐵芯中的感應磁場形成一個回路即從鐵芯一端發出，經過被測試件后被鐵芯另一端接收。③ 當平板有缺陷時，在缺陷的上部形成漏磁場。

(2) 方形孔與錐形孔缺陷仿真

如同實際檢測一樣,對整個連續檢測過程的3D仿真需要耗費巨大的資源，筆者確定在某個位置進行定點仿真，即在140 mm的平板上，從距缺陷20 mm 處開始，每隔5 mm進行一次仿真，然后對仿真得到的數據使用MATLAB軟件進行數值擬合，得到各種情況下的磁場感應強度；相位角可根據得到的復矢量值計算得到。其中,方形孔的尺寸：10 mm×10 mm×10 mm，錐形孔的尺寸：φ10 mm×3 mm。

圖5　不同掃查方式下,方形孔與錐形孔缺陷的磁場與相位仿真結果

由圖5可知：① 方形缺陷的磁感應強度曲線呈現雙峰的特點，錐形缺陷的磁感應強度曲線由雙峰匯聚成單峰。② 背面掃查時，對缺陷的磁感應強度影響較大，但對相位的影響較少。

由上面結論可知，低頻勵磁檢測技術可有效發現背面缺陷，同時通過相位信號更易判別缺陷。

3　低頻勵磁檢測試驗

為了驗證仿真結果，制作了7塊試板共150個缺陷，缺陷類型包括平底孔、平底方孔、錐形孔、圓孔等。利用美國TESTEX公司Falcon Mark Ⅱ SR/JR最新增強型儲罐無損檢測系統對所制作的試板進行掃查。

圖6　某塊試板的實物圖片

圖7　不同掃查方式下,方形孔與錐形孔缺陷的檢測結果 由圖7和表1可知：試驗結果與仿真結果相符。即方形缺陷的磁感應強度曲線呈現雙峰特點，錐形缺陷的磁感應強度曲線呈現由雙峰匯聚成單峰的特點；缺陷的相位曲線與磁感應強度曲線呈相似狀，通過相位信號更易判別背面缺陷。

表1　正背面掃查相位與磁場強度比較

4　結論

(1) 低頻勵磁檢測是一種電渦流檢測和漏磁檢測復合的檢測系統，可有效發現鋼質平面底板正反面缺陷。

(2) 缺陷的低頻勵磁檢測信號呈現雙峰特性。

(3) 底板背面缺陷對檢測信號的磁感應強度影響較大，而對缺陷的相位信號影響較小;因此，在實際檢測時可主要依據相位信號來判別是否存在缺陷。

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檢測工藝參數：f為10 Hz，提離高度h為1 mm，檢測速度v小于6 m·min-1，32通道掃查。限于篇幅，文章僅列出方形孔和錐形孔的檢測圖，如圖7所示。

Simulation and Experiment on Testing Principle of Low Frequency Electromagnetic for Steel Sheet

ZHANG Xiao-bin1,2,3, DAI Guang2, JIANG Jun3, GUO Kai1, LUO Zhen1, CHEN Hua-lin1

(1.Guangxi Special Equipment Inspection and Research Institute, Nanning 530219, China;2.Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;3.Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute, Nanjing 210028)

A large amount of steel sheet is used for petrochemical product storage tank bottom and the tank bottom will produce serious defect because of the corrosion. In order to ensure the safety of tank, the tank bottom must be tested regularly or irregularly. The test technology principle is studied by simulation and experiment based of the low frequency electromagnetic for steel sheet in the paper, and two typical corrosion defects are also studied by simulation and experiment, and the experimental result is in accordance with the simulation.

Low frequency electromagnetic testing (LEFT); Tank bottom; Test principal; Simulation

2015-04-13

2015年廣西科技計劃資助項目(25-10)

張曉斌(1972-),男,博士,教授級高級工程師,主要從事先進無損檢測技術研究、失效分析工作。

10.11973/wsjc201512011

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0046-03