基于渦流檢測的帶包覆層管測厚理論仿真分析

吳 婧，周鈺明，王學權

（中國核動力研究設計院，四川 成都610041）

1 前言

目前在化工、船舶、航空航天及核工業領域，通常在金屬管表面噴涂金屬或非金屬涂層來提高自身的耐腐蝕性和可靠性[1]，為了控制成本和質量，需要對涂層的厚度進行檢測。目前檢測涂層厚度的無損檢測方法主要有渦流測厚技術[2]、超聲測厚技術[3]、磁性測厚技術[4]、紅外熱波測厚技術[5]及太赫茲檢測技術[6]等。針對導電材料的檢測，渦流檢測具有不需要耦合劑、檢測靈敏度高、可以進行材料屬性的多參數檢測等優點。在渦流檢測過程中，經常遇到各種復雜的情況，為了提高檢測探頭的靈敏度、信噪比以及熱漂移免疫性，會用到互感式探頭。與傳統的絕對式探頭相比，互感式探頭具有更好的靈敏度與靈活性。

本文采用ANSYS 軟件對互感式探頭不同激勵頻率、不同探頭提離和不同涂層厚度等因素進行仿真，提取檢測線圈電壓，分析涂層厚度和渦流檢測信號之間的對應關系，以期實現基于渦流信號幅值特征的包覆層管的厚度識別。

2 渦流測厚原理

將置于被檢工件上方的激勵線圈通有交變電流，激勵線圈周圍會產生交變磁場，由于電磁感應現象，處于交變磁場中的被檢工件內部會產生感應電流即渦流，交變的渦流會產生相應的次級磁場，次級磁場的存在會干擾原磁場的變化，使得穿過檢測線圈的磁通量發生變化，進而導致檢測線圈阻抗和感應電壓的變化。通過測量感應電壓信號，對線圈感應電壓信號的波形進行時域分析，可得到被測金屬板材厚度與線圈感應電壓信號之間的關系，進而利用這種關系來進行金屬板材厚度檢測。對于金屬涂層厚度的測量，隨著涂層厚度的增加，板中渦流分布的區域增加，渦流引起電壓增大。渦流測厚通過測量電壓信號的變化實現對涂層厚度的測量。

3 ANSYS 有限元分析

3.1 有限元模型建立

互感式渦流檢測探頭由兩個獨立的線圈（激勵線圈和檢測線圈）組成，仿真模型包括涂層、基體、激勵線圈、檢測線圈及其鐵芯組成，各部分尺寸如表1 所示。

根據結構參數采用自上而下的方式直接建立二維幾何模型，為激勵線圈及檢測線圈添加外電路，激勵線圈載壓5 V，檢測線圈外接電阻R1，表示開路，以防檢測線圈短路，無感應電壓。

表1 模型參數

3.2 劃分網格并設置邊界條件

為仿真模型劃分網格，形成四面體單元，在涂層及基體趨膚深度內，加密網格，保證結果的精確度。

3.3 求解與結果后處理

設置激勵頻率，進行諧波分析，分別查看管及涂層的電流密度云圖。

3.4 仿真數據分析

為互感式探頭渦流測厚，可直接提取檢測線圈的電壓實部與虛部值，研究檢測涂層厚度對檢測線圈電壓的影響，探頭與被測體之間的距離即提離為0.5 mm，線圈激勵電壓為5 V，激勵線圈頻率選取0.5 MHz、2.5 MHz 及4 MHz，檢測線圈電壓值與涂層厚度的關系，整體呈現正增長趨勢。其中，當激勵線圈頻率為2.5 MHz、4 MHz 時，涂層從0～5 μm 厚度呈現負增長趨勢，涂層厚度為5 μm 和10 μm 時的檢測電壓值低于0 μm。已知隨著激勵頻率的增大，檢測信號的靈敏度隨之增大，當涂層厚度較薄時，探頭的干擾因素較大，檢測精度受限，從而導致檢測線圈電壓下降。當涂層厚度由5 μm逐漸增加至30 μm 時，檢測線圈電壓整體趨勢為隨著涂層厚度的增加而逐漸增加。表2 為激勵頻率為2.5 MHz 時，檢測線圈電壓隨涂層厚度變化的具體值。

表2 涂層厚度對檢測線圈電壓的影響（激勵線圈頻率為2.5 MHz）

保持激勵線圈輸入電壓不變即為5 V，選取激勵頻率為2.5 MHz，依次改變探頭與被測體之間的提離距離為0.1 mm、0.5 mm、1 mm、6 mm，檢測線圈電壓值與涂層厚度的關系圖1 所示，提離值為0.1 mm 及0.5 mm 時，當涂層厚度由5 μm逐漸增加至30 μm 時，檢測線圈電壓整體趨勢為隨著涂層厚度的增加而逐漸增加，提離值較大時，涂層厚度的檢測精度降低，提離效應對檢測產生干擾，涂層厚度擾動信號與提離擾動信號相互作用使得檢測信號出現波動，為得到有用的檢測信號，檢測探頭應盡量緊貼被檢管表面，可取提離值為0.5 mm。

4 結論

本文應用ANSYS 軟件，對基于渦流檢測的帶包覆層管的互感式探頭參數進行了仿真分析，根據仿真結果得出以下結論：①渦流檢測電壓信號隨著涂層厚度的增加總體呈增大趨勢。當涂層從無到有，即從0～5 μm 變化時，電壓呈現為負增長趨勢。考慮到渦流檢測的精度，在進行包覆層厚度測量時，可以選擇5 μm 厚度為零點進行標定，提高檢測結果的準確性。②渦流檢測信號頻率選取2.5 MHz 以保證信號的靈敏度及檢測深度。③渦流測厚時，探頭的提離可選取0.5 mm 及以下。當提離厚度繼續增大時，檢測線圈電壓值受提離干擾較大，失去準確性。

圖1 不同提離下涂層厚度與檢測線圈電壓的關系