鋼絲繩斷絲缺陷渦流檢測方法

于小杰 李旭東 解社娟 李 鵬 王 昊,3 陳振茂

1. 陜西省無損檢測與結(jié)構(gòu)完整性評價工程技術(shù)研究中心，機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室，西安交通大學(xué)，西安，7100492.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，烏魯木齊，8300113.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，烏魯木齊，832003

0 引言

鋼絲繩是一種廣泛應(yīng)用在提拉設(shè)備中的重要承載部件。斷絲是鋼絲繩使用過程中常見的缺陷形式，一旦斷絲趨于集中，鋼絲繩的承載強度將被嚴(yán)重削弱，因此對鋼絲繩斷絲程度進(jìn)行無損評價是鋼絲繩探傷最主要的內(nèi)容[1]。目前鋼絲繩無損檢測的主流方法是漏磁檢測方法。漏磁法具有操作方法簡單、顯示結(jié)果直觀、檢測靈敏度高等優(yōu)點，但是同樣存在設(shè)備復(fù)雜、檢測效率較低的不足[2]。本文探究采用渦流方法進(jìn)行鋼絲繩無損檢測的可行性，以發(fā)揮其非接觸、無需耦合劑、檢測速度快且靈敏度高的優(yōu)勢[3]。目前鋼絲繩渦流檢測已取得了一定的進(jìn)展，如曹青松等[4]選用雙探頭低頻投射式檢測方式對自制鋼絲繩進(jìn)行了電渦流檢測，可實現(xiàn)鋼絲繩斷絲定量檢測，但其探頭選用傳統(tǒng)餅式探頭，在鋼絲繩中感生的渦流主要沿周向流動，對軸向斷絲缺陷的檢測效果較差，無法通過一次掃描判斷斷絲缺陷的周向位置。

本文基于數(shù)值模擬設(shè)計開發(fā)了一種可對鋼絲繩斷絲缺陷進(jìn)行有效渦流檢測的探頭，并進(jìn)行了有效性實驗驗證。

1 鋼絲繩渦流檢測方案

渦流檢測(eddy current testing，ECT)是一種基于電磁感應(yīng)原理，檢測導(dǎo)體材料表面和近表面缺陷的無損檢測方法。將通有交流電的線圈靠近鋼絲繩時，導(dǎo)電性鋼絲的表面和近表面會感生出渦流。感生渦流產(chǎn)生的磁場反作用于檢測線圈會產(chǎn)生渦流檢測信號。當(dāng)鋼絲繩出現(xiàn)斷絲缺陷時，缺陷處電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的變化會影響感應(yīng)渦流和磁場的強度和分布,導(dǎo)致檢測線圈信號變化。通過記錄并分析檢測線圈信號即可檢測到鋼絲繩斷絲缺陷[5]。

傳統(tǒng)的內(nèi)穿軸繞式(bobbin)激勵線圈產(chǎn)生的渦流主要沿鋼絲繩周向流動[6]，由于不同鋼絲繩之間的接觸電阻較大，這種探頭無法實現(xiàn)渦流檢測的最佳效果。如圖1所示，本文擬根據(jù)渦流檢測原理設(shè)計具有特殊繞線方式的渦流檢測探頭，以在鋼絲繩中感生出主要沿鋼絲繩軸向流動的渦流，提高渦流檢測對鋼絲繩斷絲缺陷進(jìn)行檢測評價的有效性[7]。

圖1 軸向外穿式渦流探頭Fig.1 Axial outer eddy current probe

2 基于退化向量位法的有限元數(shù)值模擬

2.1 基于退化向量位和棱邊有限元的渦流檢測數(shù)值模擬方法

退化向量位(Ar)法的原理是對分析區(qū)域進(jìn)行分割(圖2)，并在不同區(qū)域采用不同電磁場變量，以避免對電流源進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分[8]。

圖2 Ar法計算區(qū)域的劃分Fig.2 Division of calculation area by Ar method

圖2中全體解析區(qū)域分割為衰減區(qū)域、混合區(qū)域和正常區(qū)域，其中衰減區(qū)域采用變形矢量磁位Ar、混合區(qū)域和正常區(qū)域采用通常矢量磁位A描述其電磁渦流場[9]。檢測對象導(dǎo)體區(qū)域一般為正常區(qū)域本身或包含在正常區(qū)域中。衰減區(qū)域和正常區(qū)域通過滿足以下邊界條件的混合區(qū)域相結(jié)合：

n×A=n×(Ar+As)

(1)

(2)

式中，μ和μ0分別為檢測對象材料和空氣的磁導(dǎo)率；Hs為源電流在自由空間產(chǎn)生的磁場強度；As為源電流在自由空間產(chǎn)生的磁向量位；n為Гtr上的單位法向量；×A為磁感應(yīng)強度。

2.2 鋼絲繩渦流檢測數(shù)值計算模型

為簡化鋼絲繩渦流檢測數(shù)值計算，首先提出了圖3所示的正方形階梯狀數(shù)值模型來模擬計算鋼絲繩的渦流檢測問題，其中各鋼絲繩股線采用2×2個正方形單元來近似。為模擬不同鋼絲股線之間的接觸電阻，本文在鋼絲單元之間設(shè)定接觸區(qū)域單元并采用較小電導(dǎo)率與相對磁導(dǎo)率，以表征不同鋼絲繩股線之間近乎空氣區(qū)域的非導(dǎo)電狀態(tài)。

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(a) xy平面網(wǎng)格示意圖

(b) 三維模型示意圖 鋼絲繩股線 股線間的接觸區(qū)域 空氣單元圖3 鋼絲繩仿真模型示意圖Fig.3 Simulation model of wire ropes

在本模型中，外徑10 mm的鋼絲繩被設(shè)定為大小為15.5 mm×15.5 mm×60 mm的長方體模型。模型長度取為60 mm是考慮到長度大于直徑的4倍，在其中部設(shè)置檢測探頭時邊界的影響不大。同時，考慮到鋼絲繩的螺旋升角，模型采用240°螺旋扭轉(zhuǎn)角度。本模型共有48 000個六面體單元，52 111個節(jié)點。圖3a中鋼絲繩股線材料為碳素鋼，相對磁導(dǎo)率為100，電導(dǎo)率為10 MS/m；鋼絲繩股線之間的接觸區(qū)域相對磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為100 S/m。缺陷區(qū)域設(shè)定在模型外側(cè)鋼絲區(qū)域，形狀為截面積大小為2 mm×4 mm的長方形槽，深度d分別設(shè)定為1 mm、2 mm、3 mm，以考慮不同深度缺陷對檢測信號的影響。

2.3 探頭仿真模型設(shè)計

數(shù)值仿真采用了由單個線圈自行激勵與檢測的絕對式探頭(圖4)，考慮其沿鋼絲繩軸向進(jìn)行掃查時的檢測信號，以明確其對斷絲缺陷的檢測能力[10]。線圈具體參數(shù)如表1所示。

圖4 仿真探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Probe in simulation

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

圖5所示為新型探頭和常規(guī)餅式探頭在鋼絲繩中感生的渦流場。對比可得，常規(guī)餅式探頭所感生的渦流主要沿鋼絲繩周向，而本文設(shè)計的新型探頭沿鋼絲繩軸向分量較大，更適合檢測沿鋼絲繩軸向分布的斷絲缺陷。

(b) 常規(guī)餅式探頭感生渦流場圖5 鋼絲繩中渦流場分布Fig.5 Eddy current in wire ropes

為研究探頭對斷絲缺陷檢測的有效性，對前述不同深度槽型缺陷的檢測信號進(jìn)行了數(shù)值模擬。分別計算掃描含缺陷鋼絲繩和不含缺陷鋼絲繩的檢測信號，并將其進(jìn)行差分計算。計算中掃描點間隔取為1 mm，選取了21個掃描點，缺陷設(shè)定在掃描區(qū)域的中部。

圖6給出了對不同缺陷計算所得差分檢測信號的幅值和相位。由圖6可知，在缺陷處探頭阻抗信號幅值和相位都會發(fā)生顯著變化，隨著缺陷深度的增加，線圈阻抗信號幅值也逐漸變大，而阻抗平面內(nèi)的相位角則逐漸變小。數(shù)值仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的探頭可以有效檢測鋼絲繩表面存在的模擬斷絲缺陷。

(a) 信號幅值

(b) 阻抗平面圖6 絕對式探頭掃描缺陷時檢測信號Fig.6 Signals for defects by absolute probe

3 絕對式鋼絲繩檢測探頭和實驗驗證

基于數(shù)值模擬結(jié)果分別設(shè)計開發(fā)了絕對式和TR式渦流檢測探頭，并利用含人工缺陷的鋼絲繩模擬試件和實際鋼絲繩試件進(jìn)行了實驗。

3.1 絕對式探頭和試件

考慮到實際檢測過程中需要將鋼絲繩安裝于探頭內(nèi)以實現(xiàn)在線檢測，首先開發(fā)了可將環(huán)形線圈探頭分割為兩個半環(huán)的絕對式渦流檢測探頭。探頭結(jié)構(gòu)如圖7所示，在兩個內(nèi)徑為20 mm、外徑為30 mm、高度為10 mm的半環(huán)形骨架上分別利用0.1 mm的漆包線均勻繞制200匝，制成絕對式線圈。

圖7 絕對式探頭Fig.7 Absolute probe

圖8 鋼絲繩模擬試件Fig.8 Wire ropes imitation specimen

3.2 渦流檢測實驗系統(tǒng)

圖9示出了搭建的鋼絲繩渦流檢測實驗系統(tǒng)，其中，激勵電壓2.5 V，激勵頻率100 kHz。首先將探頭分割為兩部分，將試件置入后組裝成完整環(huán)狀，然后放置進(jìn)行通道平衡操作；然后由電動掃查臺驅(qū)動鋼絲繩模擬試件勻速通過環(huán)形檢測探頭，同時利用渦流檢測裝置(Eddyfi Ectane2渦流探傷儀)和Magnifi信號采集軟件進(jìn)行渦流檢測和信號采集[11]。

圖9 實驗系統(tǒng)Fig.9 Experimental system

3.3 絕對式探頭實驗結(jié)果

圖10給出了利用開發(fā)的探頭和檢測系統(tǒng)對模擬試件進(jìn)行渦流檢測幅值信號的實驗結(jié)果，3個深度分別為1 mm、2 mm、3 mm的長方形槽缺陷位于掃描點18 mm、58 mm、90 mm處。檢測信號中對應(yīng)缺陷位置可見明顯的缺陷擾動信號，且信號幅值隨缺陷深度的增大而增大，驗證了所設(shè)計探頭的有效性[12]。

圖10 絕對式探頭掃描碳素鋼圓棒檢測信號圖Fig.10 Signals of carbon steel bar by absolute probe

為比較實驗和檢測結(jié)果，首先對檢測信號進(jìn)行了標(biāo)定處理，然后利用標(biāo)定處理實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。標(biāo)定利用1 mm深度缺陷的檢測信號進(jìn)行，使其大小和計算信號一致，確定幅值和相位標(biāo)定系數(shù)，基于標(biāo)定系數(shù)對其他實驗信號進(jìn)行標(biāo)定。

圖11所示為標(biāo)定后的2 mm和3 mm深度缺陷檢測信號和仿真信號的比較，結(jié)果表明，實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的形狀和幅值均基本一致。

(a) d=2 mm

(b) d=3 mm圖11 數(shù)據(jù)標(biāo)定后對比結(jié)果Fig.11 Comparison of data with calibration

4 互感式鋼絲繩檢測探頭設(shè)計和驗證

4.1 互感式探頭結(jié)構(gòu)和實際鋼絲繩試件

實驗發(fā)現(xiàn)，雖然絕對式線圈探頭可以有效檢出模擬試件中的缺陷，但也存在信號幅值較小以及噪聲較大的問題，該問題在檢測實際鋼絲繩時尤為明顯。

為此本文開發(fā)了互感式檢測探頭以進(jìn)一步提高其實際檢測性能。新探頭一是通過加大線圈內(nèi)外壁之間的間隔，減小線圈外壁導(dǎo)線產(chǎn)生渦流對內(nèi)壁導(dǎo)線產(chǎn)生渦流的抵消作用；二是通過增加線圈的高度，擴大探頭檢測范圍；三是通過采用內(nèi)置餅式線圈作為檢出元件進(jìn)行互感模式檢測，增強檢測的穩(wěn)定性。

相比于上文中的絕對式探頭，新的互感式探頭在激勵線圈的尺寸上進(jìn)行了優(yōu)化，并添加了檢測效果更好的內(nèi)置餅式線圈進(jìn)行檢出信號的采集，核心的激勵線圈繞線方式保持不變。因此所提出的絕對式探頭和互感式探頭均可感生出軸向渦流，屬軸向渦流探頭類型。

考慮到實際在線檢測時的安裝問題，采用了圖12所示的由兩個半圓形激勵線圈和兩個餅式檢測線圈構(gòu)成的互感陣列式檢測探頭。探頭中兩個半環(huán)形激勵線圈高為40 mm、內(nèi)徑為12 mm、外徑為72 mm、匝數(shù)為150；放置于激勵線圈骨架內(nèi)的檢出線圈高為10 mm、內(nèi)徑為6 mm、外徑為10 mm、匝數(shù)為500。

(a) 激勵線圈

(b) 檢出線圈

(c) 探頭組裝方式示意圖圖12 互感式探頭Fig.12 Mutual inductance probe

考慮到前述絕對式探頭已同時進(jìn)行了仿真與實驗，明確了感生渦流的分布和檢測效果，而互感式探頭具有相同激勵方式，以下僅針對互感式探頭的檢測性能進(jìn)行實驗。利用外徑為10 mm的鋼絲繩分別制作了帶有3個槽缺陷的鋼絲繩試件以及帶有3個孔缺陷的鋼絲繩試件。試件和缺陷如圖13所示。3個槽缺陷的尺寸分別為4 mm×1 mm×2 mm、4 mm×1 mm×3 mm和4 mm×2 mm×2 mm。3個孔缺陷的尺寸分別為φ1 mm深2 mm，φ2 mm深2 mm，φ1 mm深3 mm。選擇2 mm和3 mm的缺陷深度是考慮鋼絲繩所用鋼絲直徑為2.5 mm，兩個缺陷深度可反映單根鋼絲完全斷裂對檢測信號的影響程度。

(a) 4 mm×1 mm槽缺陷

(b) 4 mm×2 mm槽缺陷

(c) φ 2 mm孔缺陷

(d) φ 1 mm孔缺陷圖13 鋼絲繩試件示意圖Fig.13 Wire rope specimens

4.2 互感式探頭實驗過程和結(jié)果

圖14 實際掃查過程示意圖Fig.14 Scanning progress

如圖14所示，利用互感式探頭和圖9所示的實驗系統(tǒng)對實際鋼絲繩試件進(jìn)行渦流檢測實驗。檢測中設(shè)置探頭環(huán)向位置使其中一個檢測線圈位于缺陷正上方。實際采用的激勵電壓為2.5 V，激勵頻率為測試后選定的最佳頻率10 kHz。沿鋼絲繩長度方向掃查所得檢測信號，如圖15所示，圖中同時給出了兩個餅式檢測線圈的檢測信號，其中“靠近缺陷線圈”為在缺陷正上方檢測線圈的檢測信號，“遠(yuǎn)離缺陷線圈”為此時另一個檢測線圈的檢測信號。

(a) 槽缺陷

(b) 孔缺陷圖15 互感式探頭掃描鋼絲繩檢測信號圖Fig.15 Signals of wire ropes by mutual inductance probe

第一根槽缺陷鋼絲繩共掃查了210 mm距離，尺寸為4 mm×1 mm×2 mm、4 mm×1 mm×3 mm和4 mm×2 mm×2 mm的3個槽缺陷中心分別位于掃查點35 mm、105 mm、175 mm處。帶有孔缺陷的第二根鋼絲繩同樣掃查了210 mm距離，尺寸為φ1 mm深2 mm、φ2 mm深2 mm和φ1 mm深3 mm的3個孔缺陷中心分別位于掃查點35 mm、105 mm、175 mm處。

由圖15可知，無論是槽缺陷還是孔缺陷，檢出線圈的電壓信號幅值在缺陷處都發(fā)生了明顯變化，可通過觀察電壓信號幅值的變化來判斷斷絲缺陷具體的軸向位置。通過比較可以看出，當(dāng)缺陷深度一定時，尺寸較大的缺陷電壓信號幅值更大；當(dāng)缺陷大小一定時，深度大的缺陷電壓信號幅值更大。實際上，如表2所示，缺陷信號的大小和缺陷的斷面積密切相關(guān)。由于缺陷斷面積對應(yīng)斷絲數(shù)量，故可依據(jù)表2結(jié)果和實際檢測信號的大小來確定斷絲的數(shù)量。

為對鋼絲繩斷絲缺陷進(jìn)行定量評價，需要明確缺陷大小與檢測信號之間的相關(guān)性。考慮到鋼絲繩斷絲數(shù)量對其安全性至關(guān)重要，依據(jù)檢測結(jié)果探究了斷絲數(shù)量與互感式探頭檢出信號峰值間的關(guān)系。表2給出了3個槽缺陷與3個孔缺陷的斷面積、斷絲數(shù)量與其相應(yīng)的檢出線圈電壓峰值信號，斷面積與斷絲數(shù)量之間并未嚴(yán)格對應(yīng)是由于鋼絲繩扭轉(zhuǎn)所致。根據(jù)表2中前四行數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合可得信號幅值y與斷絲數(shù)x具有如下關(guān)系：

表2 不同斷絲缺陷檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Detection data of different wire breakage defects

y=0.051 25x+0.01

(3)

利用式(3)可以基于檢測信號推測斷絲數(shù)量。為驗證其有效性，采用表2中最后兩行檢測數(shù)據(jù)對斷絲數(shù)進(jìn)行了評價。當(dāng)信號峰值y為0.23 V和0.33 V時，對應(yīng)的斷絲數(shù)x為4根和6根，評價結(jié)果與實際情況相符。

如圖15b所示，若兩個缺陷的電壓信號幅值相近，即使其大小和深度不同，對應(yīng)的斷絲數(shù)也基本相同。檢測過程中，兩個相對180°放置的檢出線圈中靠近缺陷的檢出線圈電壓信號幅值大于遠(yuǎn)離缺陷的檢出線圈電壓信號幅值，造成這一現(xiàn)象的原因是兩個檢出線圈與缺陷之間的距離不同。因此可通過比較兩側(cè)檢出線圈的電壓信號幅值來判斷斷絲缺陷具體的周向位置。

以上實驗結(jié)果可以說明，所設(shè)計渦流檢測探頭對實際鋼絲繩模擬斷絲缺陷的檢測非常有效。

5 結(jié)論

(1)本文提出了一類主要感生軸向渦流的新型鋼絲繩渦流檢測探頭，基于數(shù)值模擬和實驗驗證了探頭對鋼絲繩斷絲缺陷的有效性。

(2)建立了鋼絲繩及渦流檢測探頭數(shù)值仿真模型，利用Ar有限元法計算了相應(yīng)渦流分布和渦流檢測信號，通過數(shù)值模擬初步驗證了探頭和方法的有效性。設(shè)計制作了絕對式鋼絲繩渦流檢測探頭和模擬試件，搭建了渦流檢測實驗系統(tǒng)，驗證了探頭和方法的有效性。

(3)針對鋼絲繩渦流檢測實際應(yīng)用，提出了采用大型激勵探頭和互感式檢測模式的探頭優(yōu)化方案。通過對含不同大小人工缺陷的實際鋼絲繩試件進(jìn)行渦流檢測，證明改良后的渦流檢測探頭可有效檢測鋼絲繩2根以上的斷絲缺陷，驗證了渦流檢測方法對鋼絲繩斷絲缺陷檢測的可行性和所開發(fā)渦流檢測探頭的有效性。