钢管饱和磁化下涡流检测有限元仿真研究

　　0 引言

　　涡流检测作为一种重要的无损检测方法，在核电、石油、航空等领域应用广泛，而对非铁磁性管道的检测，涡流检测技术的应用已经非常成熟，但在铁磁材料实施涡流检测时，由于磁导率的波动引起涡流检测中有较大的噪声信号，以至于难于检测出缺陷，因此一般采用远场涡流检测或通过对铁磁管道进行饱和磁化的方式，以降低其磁导率等影响，再实施涡流检测。然而与非铁磁性材料相比，铁磁材料具有独特的特性，并非是非铁磁性材料检测机理的简单延伸，因此钢管磁饱和的涡流检测磁特性影响机理对缺陷的定量评定有重要意义。

　　目前国内外在非铁磁材料涡流检测研究较多，但饱和磁化下涡流检测的研究较少，康宜华等[1,2]对饱和磁化下涡流检测的原理有进一步的认识，并在理论计算和试验仿真的基础上证明饱和磁化下涡流检测存在漏磁和涡流两种效应;林俊明等[3]在钢管涡流检测实践中发现钢管过饱和磁化后涡流检测会出现内外壁缺陷信号相位无法分辨的问题。B. Helif[4]等发现铁磁材料在热处理和表面处理后其表面缺陷仍能够通过涡流检测发现;A.V.SUKHIKH等[5]通对比分析了磁饱和前后钢管的涡流检测信号。

　　本文建立了钢管饱和磁化的内插式涡流检测的有限元模型，以矩形槽表征裂纹类缺陷，提出了两种模型间磁导率处理的方式，计算了磁化后铁磁管道的磁导率分布，以及磁化后对管道进行涡流检测时线圈的阻抗的变化，从信号相位和幅值上分析了磁导率和缺陷对阻抗信息的影响，以期对铁磁材料涡流检测的工程实践具有指导作用。

　　1 仿真模型的构建

　　1.1 饱和磁化涡流检测有限元模型

　　图1是内插式涡流探头检测饱和磁化后铁磁管道的涡流检测模型，考虑模型的对称性，使用2D轴对称模型替代三维实体模型。被检管道内径D为56mm，壁厚H为2mm，长度L为160mm。直流磁化线圈内径D1为66mm，外径D2为72mm。涡流检测线圈内径d1为52mm，外径d2为55mm，

线圈宽度ι为1.5mm，间距d为1.5mm。管内充满空气，管外自由区建模时设置了圆柱环形空气，空气层厚度为30mm。管壁缺陷为矩形槽以模拟裂纹类缺陷，且为管外壁周向刻槽。缺陷如图1所示，矩形槽宽度c为1mm，深度h为1mm。检测管道磁导率由B-H曲线给出，电导率为1.03×106S/m;磁化线圈的相对磁导率为1，电导率为0.58×108S/m。涡流检测线圈的相对磁导率为1，电导率为0.58×108S/m;线圈匝数N为500匝。

　　1.2 饱和磁化涡流检测有限元仿真方法

　　如图2所示，在饱和磁化涡流检测有限仿真的过程中，采用直流线圈对管道进行一次磁化，通过对比来研究管道磁化后的状态对涡流检测的影响，最后分析阻抗差异得出结论。在磁导率的处理问题上，对已经划分好有限元网格的管壁，通过单元表操作命令[6]，按照管壁网格单元序号，依次提取磁化后每个单元的磁导率值，并把这些值保存在数组中，在后面的涡流检测模型中，保证管壁、缺陷、空气层与磁化模型参数的一致性，尤其是对于管壁和缺陷网格两者是一致的，这就排除了计算引起的误差以及便于磁导率的重新赋予，并做到了磁化后管道材料参数与涡流检测时管道材料参数的不变性。