涡流检测缺陷定量评估的研究

　　涡流检测技术被广泛地应用于石油化工、电力工业、铁路系统及航空航天等领域,主要对金属材料中表面缺陷的位置、形状及几何参数进行识别,以实现对金属结构使用寿命的评估,提高使用的可靠性,保障设备安全运行。

　　在传统的涡流检测系统中,通常采用通以交变电流的扁平圆形激励线圈,根据电磁感应原理,在金属试件表面附近的浅层区域内感应出电流,因为这种感应电流的不均匀性限制了其对缺陷深度变化的灵敏度,因此不能实现对缺陷深度的定量分析。并且在结果分析中,采用检测线圈的阻抗变化来判别缺陷,实际检测中需要标定模块,因此不能直观精确地反映缺陷细节。在此,研究了在均匀感应电流基础上,表面缺陷邻近空间感应磁场的分布特点,直接建立磁场量值和缺陷几何参数之间的联系,可以更直接地获取精确的缺陷信息,同时实现对缺陷的长度和深度的定量分析。

　　由于解析法应用对场域的形状及介质种类的要求较高,只能用于简单的场域形状和单一的介质[1],对于实际应用中一些复杂的电磁场问题,解析法难以求得精确的解。随着计算机技术的发展,电磁场数值分析理论和方法得到了快速发展,其中包括有限元法,它是目前应用最广泛的一种数值算法。以下采用有限元数值仿真,对金属平板中表面缺陷附近的电磁场建立相应的麦克斯韦方程组,然后将其在整个研究区域上进行离散化,获得一组近似的代数方程,并设定正确的边界条件,最后求解磁场量的空间分布,利用磁场的变化特点来实现金属结构中缺陷的定量评估,这为表面缺陷的非接触式定量检测提供了理论依据,使之易于实现在役自动化检测,同时也为优化涡流无损检测技术提供了新的思路。

　　1　有限元仿真试验模型

　　1.1　磁场分布的数学模型

　　在对金属平板表面裂纹周围空间的磁场数值仿真中,可将其空间求解区域划分为两部分,即含有导电媒质但不含激励源电流的涡流区和包含源电流的非涡流区。假设试件是一各向同性的金属板材,电导率σ为常量。根据麦克斯韦方程组可知,金属导体区的控制方程组为^[2]

　　式中　H———磁场强度,A/m

　　E———电场强度,V/m

　　B———磁通量密度,Wb/m²

　　t———时间,s

　　在导体外部空气层中,控制方程组为

　　式中　Js———源电流密度,A/m²

　　在电磁场的有限元数值求解中,引入矢量磁位A和标量电位φ,其定义如下(加入Lorentz条件,以保证场域解的唯一性^[1])