钢管漏磁探伤中孔洞缺陷的漏磁场分析

1、试验研究ND T 无损检测2005年第27卷第12期钢管漏磁探伤中孔洞缺陷的漏磁场分析王贤琴, 阮江军, 杜志叶(武汉大学电气工程学院, 武汉430072摘要:针对钢管孔洞缺陷进行了分析。分别从数学模型和仿真软件建模等方面对孔洞缺陷进行了漏磁场分析, 并且将采集的漏磁信号进行处理, 得出孔洞半径与漏磁信号之间的关系, 为孔洞缺陷信号的识别提供了一定的参考依据。关键词:漏磁检测; 钢管; 孔洞; 仿真; 缺陷识别中图分类号:T G 115. 28文献标识码:A文章编号 Study on the Leakage Fields of C avities T esting of Steel Pipes

2、2RUAN Jiang 2jun , DU Zhi 2yeof , Wuhan University , Wuhan 430072, China Abstract :in steel pipes were analyzed. The magnetic flux leakage fields of cavities were studied on the basis of mathematical model and the three dimensional model made with emulation software Ansoft. The magnetic flux leakage

3、 signals were processed and the relationship between the signals and cavity radius was obtained , which offered a reference for the recognition of cavity signals.K eyw ords :Magnetic flux leakage testing ; Steel pipe ; Cavity ; Emulation ; Defect recognition钢管在石油、天然气、化工、冶金以及城市水暖供应等部门中广泛应用, 而工业管道的工作条

4、件非常恶劣, 容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部的潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故。因此, 钢管质量可靠性检测是非常必要的。在无损探伤方法中, 漏磁场检测以其高效、无污染、自动化及高可靠性等优点在铁磁性材料领域得到了广泛应用。在实际工程中, 孔洞是铸造和焊接等过程中常见的缺陷。但实际上很少有人进行该方面的研究, 因为孔洞缺陷难以人工制作。所以下面通过理论分析和三维有限元软件建模仿真等方法来研究孔洞这一缺陷类型, 从仿真分析得到的漏磁场信号中, 提取出漏磁信号峰值、峰峰值和波宽等特征量, 并分析它们与孔洞半径的关系, 为缺陷的定量分析提供了判定依据。1缺陷漏磁场的理论计算钢管缺陷漏磁检测(M F

5、L 的原理是, 钢管被直收稿日期:2004210202流线圈或永久磁铁磁化后, 在其缺陷处磁力线发生弯曲, 并有一部分磁力线泄漏出钢管表面, 形成漏磁场, 利用磁感应元件(霍尔元件等 在钢管表面作相对切割磁力线运动产生感应电流, 通过对感应电流信号的提取来对缺陷进行定性和定量分析1,2。漏磁场分布的计算有解析法和数值法两种。1. 1解析法用解方程的方法解出所求的量是解析法的实质, 而确定可解的、反映客观规律的数学模型是关键。由于缺陷形状、大小和材质等方面的差异, 漏磁场分布情况很复杂, 为方便研究, 一般将复杂漏磁场进行分类归纳, 采用近似模型分析计算。1966年, Sheherbinin 和

6、Zast sepin 最早给出漏磁场简单的解析方程, 也就是磁偶极子模型。通常对工件的点状孔洞等缺陷用等效点偶极子模型来模拟3,4。点磁荷m 在空间某点P 所产生的磁场强度为H =r3式中r 为空间中某一点P 到点磁荷m 的距离。相距为2a 的两个点磁偶极子在空间任一点所946 王贤琴等:钢管漏磁探伤中孔洞缺陷的漏磁场分析N D T 无损检测 2005年第27卷第12期产生的磁场分量为H x =(x +a 2+y 23/2-(x -a 2+y 23/2H y =(x +a 2+y 23/2-(x -a 2+y 23/2这个模型虽然较好地解决了漏磁场的空间分布问题, 但磁偶极子模型是对复杂磁问题

7、的简化, 磁偶极子的分布是和材料磁的非线性、磁化强度和缺陷的形状密切相关的。为解决上述问题, 数值法更有优势。1. 2数值法漏磁场的本质是缺陷引起的电磁场, 要从场的角度了解它的特性。数值计算方法是基于对整个磁场的分布, 可以模拟任意形状大小的缺陷。电磁场的理论是以麦克斯韦方程为基础的。电流密度J 在磁导率磁场H 和磁感应强度B =B =(H H其中是随着H 的变化而变化的。因为铁磁性材料的磁导率是磁通密度的函数, 磁路是非线性的。所以, 在直流磁化时要注意, 使磁性材料磁化到临近饱和状态, 这样才能避免磁化状态对缺陷检测灵敏度的影响。引入矢量磁位A , 使B = ×A则由上述式可得

8、 ×A =J在实际探伤中探头速度变化产生感应电流会影响漏磁场的求解。修正上式可得2 ×A =J -t+v (×A 式中电导率v 探头速度大量的研究表明, 要在三维空间内解决漏磁场的数值计算问题, 用解析法几乎是不可能的, 而利用计算机进行有限元数值计算是唯一可行的方法。2Ansoft 仿真Ansoft 是全球领先的以电磁场技术为核心的电子设计自动化专业软件,这里使用低频三维电磁场仿真软件(Maxwell 3D Field Simulator , 采用有限元法对电磁场进行求解, 建立三维仿真模型研究孔洞半径变化时钢管漏磁场的分布情况5。仿真模型以内径<90mm

9、 、壁厚5mm 的钢管为例(图1 , 采用直流磁化, 并且用屏蔽罩隔离外界干扰, 优化内部磁场。图1三维仿真模型该模型在求解过程中有两大难点, 一是磁化强度的确定; 二是网格的剖分。2. 1磁化强度在确定磁化强度时, 既要力求检测到可靠的漏磁信号, 又要保证较好的信噪比。磁化应针对铁磁性材料的磁特性进行。图2为铁磁性材料的磁化特性曲线和磁导率的变化曲线6。磁导率定义为磁通密度随磁场强度的变化率=H图2磁化特性曲线图2中P m 为材料的最大磁导率点, H 0为磁导率取最大值时的磁场强度。从有利于缺陷信号检测的角度来看, 材料中的磁化强度应>H 0, 漏磁场强度和磁通量将随着激励磁场强度的增

10、大而增加, 当磁化至近饱和区以后, 磁感应强度的增加缓慢。而从提高信噪比的角度来讲, 磁化强度应处于H 0值附近, 此时缺陷产生的漏磁场会达到最大, 从而可获得相对于背景漏磁场的最大变化磁场。所以综合考虑,056 王贤琴等:钢管漏磁探伤中孔洞缺陷的漏磁场分析N D T 无损检测 2005年第27卷第12期应确定磁化强度在近饱和位置。2. 2网格剖分在剖分网格时, 既要保证一定的精度, 又要考虑求解速度。Ansoft 软件采用的是自适应剖分, 以提高求解问题的速度和效率。自适应网格剖分的原理是, 对模型前处理完成后, 先进行初始化剖分, 求解后计算出有关参数和每个网格的能量误差值, 然后系统按照

11、预先设定的网格添加比例在能量误差最大处添加网格, 进行优化。如此反复, 直至求解域中最大能量误差值或求解次数满足预定目标。但是由于漏磁探伤中缺陷相对于钢管来说是非常小的, 因此, 自适应剖分结果在缺陷及其附近区域的收敛性不好。所以还要进行人工细化。采取人工干预的办法将手工剖分与自适应剖分相结合。自定义手工剖分以缺陷的中心为焦点, 整个求解域的边界开始, ,图3钢管仿真模型剖分图寸标准, , 再进行自适应剖分计算。该模型自定义剖分后的情况如图3所示。由图可见, 缺陷附近的网格数目大幅度增加, 此时再利用自适应法求解就可以达到要求了。3信号处理仿真采集到的缺陷漏磁信号如图4所示。图4钢管孔洞缺陷的

12、漏磁信号对漏磁信号提取峰值、峰峰值和波宽等特征量。首先找出图4信号中的极大值点b 和极小值点a 和c , 然后求得相邻的一对极值之差的绝对值即左峰峰值|V ab |和右峰峰值|V b c |, 若满足|V ab |-|V b c |, 则缺陷信号峰峰值V pp =2(|V ab |+|V b c | , 区域(a -c 为缺陷信号。采集孔洞半径不同时的特征量数据进行学习。分别作出漏磁信号峰值V p 、峰峰值V pp 和波宽W 随孔洞半径变化的曲线(图5。图5漏磁信号曲线图为了能对孔洞半径r 进行定量评价, 采用最小二乘法对试验数据进行曲线五次拟合, 从而确定了孔洞半径与各特征量之间的数学关系V

13、 p =a 13(r 5, r 4, r 3, r 2, r , 1 V pp =a 23(r 5, r 4, r 3, r 2, r , 1 W =a 33(r 5, r 4, r 3, r 2, r , 1 式中a 1, a 2, a 3分别为拟合系数。用牛顿迭代法解方程组, 即可得出孔洞半径r 。另外采集一组数据对该方法进行验证, 结果如表1所示。由表1可知该方法基本可行。表1孔洞实际半径r 实与定量计算半径r 计的比较mmr 实r 计误差r 实r 计误差10. 9950. 00598. 4570.54322. 341-0. 341109. 8380. 16233. 483-0. 483

14、1312. 9920. 00844. 361-0. 3611413. 990. 0155. 214-0. 2141514. 9980. 00266. 216-0. 2161717. 0077. 468-0. 4681918. 9990. 00187. 8460. 1544结论详述了钢管孔洞缺陷的漏磁场计算, 用Ansoft 软件进行了三维仿真, 并对取得的仿真数据进行了处理, 提出定量分析孔洞半径与漏磁信号的峰值、峰峰值及波宽之间关系的方法, 对工程实践有一定的(下转第672页156 服务指南SERV ICE DIR EC TOR Y ND T 无损检测 2005年第27卷第12期(上接第651页参考价值。该方法亦可用于其它缺陷的定量分析。参考文献:1李家伟, 陈积懋. 无损检测手册M .北京:机械工业出版社,2002.2Mandayam S , Udpa L , et al. Invariance transforma 2tions for magnetic flux leakage signals J .IEEE Transactions on Magnetics ,1996,32(3 :1577-1580. 3汪友生. 基于漏