基于Ansoft软件的钢管漏磁检测三维有限元仿真研究

    钢管广泛应用于石油、化工和冶金等工业部门,由于工业钢管的工作条件恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏、缺陷扩展以致引起事故而造成危害。漏磁检测方法(MFLT)以其缺陷检测能力强、信号处理方便、易于实现检测自动化的特点被广泛应用于各种在线或智能爬行式无损检测设备中。

    用物理试验的方法研究各种形状缺陷的漏磁场信号特征具有很大的局限性,对钢管内部出现的一些微小裂纹和气泡等缺陷很难进行物理模拟,因而很难获得大量的实测数据以用于缺陷的定量检测。而数值仿真可以在钢管的任意位置模拟任意形状的缺陷,通过选择适当的剖分方式,细化缺陷以及缺陷附近的区域,就可获得比较精确的漏磁场信号^[1]。通过对各种形状及尺寸的缺陷进行仿真计算,可获得大量缺陷漏磁信息,为钢管在线测试系统提供准确的磁化参数和缺陷定量的识别参数。

1　三维非线性磁场有限元计算原理

    静磁场的求解原理如下:

    (1)通电导体内部的电流密度J为

    根据式(3)~(6)的约束关系,利用有限元法可求解漏磁检测模型中的A值。

2　建立仿真模型

2.1　Ansoft电磁场有限元分析软件

    Ansoft是美国Ansoft公司开发的一款用于求解电磁场问题的有限元分析软件。与其它有限元分析软件不同的是,该软件利用其公司的专利技术———自适应分析法作为基本的网格剖分方法,使求解问题的速度和效率得到提高。自适应法求解的过程如图1所示,对模型的前处理完成以后,进行初始化剖分,对整个问题域进行求解,计算出整个求解域的求解参数和每个网格的能量误差值,这就完成了一次求解。接下来,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,对网格进行一次添加和优化完毕,再进行下一次的计算,直到求解域中最大的能量误差值或求解的次数满足预定的目标值为止。每一次的计算结果都可以在软件的控制面板中以图形或数据的方式显示,所有的计算过程可以自动进行,一般情况下可以节约网格数量,提高计算效率。

2.2　检测装置结构

    漏磁检测装置的检测部分如图2所示。装置采用双线圈直流励磁方式,漏磁检测元件采用高灵敏度的霍尔元件。为了提高设备的电磁兼容性,在线圈的外部用薄铁皮覆盖,薄铁皮一可作为磁屏蔽,避免内外磁场相互干扰,二可给螺旋管线圈提供一个外磁路,有助于改善内部区域的磁场分布。工作时,钢管以恒定速度v沿轴向运动,双线圈产生的轴向恒定磁场加在钢管的待检区域,当钢管壁内的缺陷部分移过霍尔元件时就会有漏磁信号输出。