钢管漏磁探伤中孔洞缺陷的漏磁场分析

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
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 。Ansof t 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 。
磁场 H 和磁感应强度 B 之间的关系由ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ克斯韦方
程组和相应的边界条件确定
×H = J B = μ( H) H 其中μ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
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 、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
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μ 的介质中形成的稳定
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
μ
=
ΔB ΔH
图 2 磁化特性曲线
图 2 中 Pm 为材料的最大磁导率点 , Hμ0 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 > Hμ0 , 漏磁场强度和 磁通量将随着激励磁场强度的增大而增加 , 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 Hμ0 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 ,
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 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 ] 。
试验研究
ND T 无损检测
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 。
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 ,从 整个求解域的边界开始 ,由外向内逐级划分区域 ,分 别设定每个区域内网格的最大尺 寸标准 ,逐次添加网格 。剖分器按 照系统的设定添加网格完毕 ,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 。
(下转第 672 页) 2005 年 第 27 卷 第 12 期 651
服务指南 SERV ICE D IR EC TO R Y
ND T 无损检测
(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.
表 1 孔洞实际半径 r实 与定量计算半径 r计 的比较 mm
r实
r计
误差
r实
r计
误差
1
0. 995
0. 005
9
8. 457
0. 543
2
2. 341 - 0. 341
10
9. 838
0. 162
3
3. 483 - 0. 483
13
12. 992
0. 008
4
4. 361 - 0. 361
14
13. 99
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 FL ) 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] 。
3 信号处理
仿真采集到的缺陷漏磁信号 图 3 钢管仿
如图 4 所示 。
真模型剖分图
图 4 钢管孔洞缺陷的漏磁信号
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 bc | ,若满足| | V ab | - | V bc | | ≤
关键词 :漏磁检测 ;钢管 ;孔洞 ;仿真 ;缺陷识别 中图分类号 : T G115. 28 文献标识码 :A 文章编号 :100026656 (2005) 1220649203
Study on the Leakage Fields of Cavities in Magnetic Flux Leakage Testing of Steel Pipes
度的影响 。
引入矢量磁位 A ,使
B = ×A
则由上述式可得
×
1 μ
×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]
×
1 μ
×A
=
J
-
σ5A 5t
+σv (
×A)
式中 σ———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
0. 01
5
5. 214 - 0. 214
15
14. 998
0. 002
6
6. 216 - 0. 216
17
17. 0
0
7
7. 468 - 0. 468
19
18. 999
0. 001
8
7. 846
0. 154
4 结论
详述了钢管孔洞缺陷的漏磁场计算 ,用 Ansof t 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
点磁荷 m 在空间某点 P 所产生的磁场强度为
H
=
mr r3
式中 r 为空间中某一点 P 到点磁荷 m 的距离 。
相距为 2 a 的两个点磁偶极子在空间任一点所
2005 年 第 27 卷 第 12 期 649
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
产生的磁场分量为
Hx
=m
ε,则缺陷信号峰峰值 V pp =
1 2
( | V ab |
+ | V bc | ) , 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
WANG Xian2qin , RUAN Jiang2jun , D U Zhi2ye (College of Elect ric Engineering , Wuhan U niversity , Wuhan 430072 , China)
Abstract : Cavities in steel pipes were analyzed. The magnetic flux leakage fields of cavities were st udied o n t he basis of mat hematical model and t he t hree dimensional model made wit h emulation software Ansoft . The magnetic flux leakage signals were p rocessed and t he relatio nship between t he signals and cavit y radius was obtained , which offered a reference fo r t he recognition of cavity signals.
x+a [ ( x + a) 2 + y2 ]3/ 2
-
[(x -
x- a a) 2 + y2 ]3/ 2
Hy
=m
y [ ( x + a) 2 + y2 ]3/ 2
-
[(x -
y a) 2 + y2 ]3/ 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的简化 ,磁偶
计算机进行有限元数值计算是唯一可行的方法 。
2 Ansof t 仿真
A nsoft 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
6 50 2005 年 第 27 卷 第 12 期
[ 2 ] Mandayam S , Udpa L , et al. Invariance t ransfo rma2 tio ns fo r magnetic flux leakage signals [ J ] . IEEE Transactio ns o n Magnetics ,1996 ,32 (3) :1577 - 1580.
Keywords :Magnetic flux leakage testing ; Steel pipe ; Cavity ; Emulatio n ; Defect recognitio n
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 。
V p = a1 3 ( r5 , r4 , r3 , r2 , r , 1) ′ V pp = a2 3 ( r5 , r4 , r3 , r2 , r , 1) ′ W = a3 3 ( r5 , r4 , r3 , r2 , r , 1) ′ 式中 a1 , a2 , a3 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 。