带保温层管道腐蚀缺陷的脉冲涡流检测技术仿真

    目前,石油、化工等行业使用的压力管道多数具有外覆盖层(包括保温层和保护层),往往需要先去掉管道外的覆盖层,然后采用常规无损检测方法进行检测,最后再重新包裹上外覆盖层。对包覆层的处理工作不仅大大延长了检测时间,而且增加了检测成本,尤其是对在役运行的压力管道,必须先停止运行再进行检测,对企业的损失更大。因此,研究对管道的内壁腐蚀状况进行不拆除外覆盖层的无损检测技术具有重要的实际意义。

    在涡流检测的基础上发展起来的脉冲涡流检测技术,不仅具有常规涡流检测的优点,而且可以实现大提离条件下的导体材料表面或近表面缺陷的检测[1]。因此,脉冲涡流检测技术不仅可以用于不拆除外覆盖层的管道内壁腐蚀状况的检测,而且可以实现管道的在役检测。

    脉冲涡流检测技术是为亚表面缺陷检测而专门开发的一种技术[2],但其理论研究尚不完善,而且压力管道内壁的腐蚀情况非常复杂,实际检测比较困难。为了得到更好的准确度和灵敏度,有必要先进行计算机仿真分析,以研究理论分析和参数设定的合理性和正确性。其中,基于有限元分析的AN-SYS软件由于强大的分析、处理和求解功能,在实际工程电磁场分析中得到了广泛的应用。笔者以带包覆层的压力管道为检测对象,利用ANSYS软件,对脉冲涡流检测技术进行了分析研究。

1　脉冲涡流检测基本原理

    脉冲涡流检测技术的理论基础是法拉第电磁感应定律。当在变化的磁场中放置一块导体时,导体中就会产生感应电流。脉冲涡流探头由激励线圈和检测线圈组成,给激励线圈加载一个重复的具有一定占空比的方波脉冲,线圈中产生的瞬时电流就会产生变化的磁场,变化的磁场在被检试件上会感应出瞬时涡流,在试件中传播,形成一个衰减的涡流场,检测线圈则输出一系列电压-时间信号。被检试件的几何缺陷、电磁导率及尺寸变化等因素都会引起被检试件内涡流场的变化,然后涡流场的变化又会引起检测线圈输出的电压-时间信号的变化。通过分析检测线圈输出的电压-时间信号的变化,可确定被检试件的缺陷等情况[3]。

2　ANSYS电磁场仿真理论基础

    ANSYS软件以麦克斯韦方程组作为电磁场分析和研究的依据和出发点。麦克斯韦方程组是由法拉第电磁感应定律、安培环路定律、高斯电通定律和高斯磁通定律四个定律组成,其微分形式如下:

    式(1)~(4)是非限定形式,适用于任何媒质,但要完整求解还需要三个本构方程。在具体应用中,对于各向同性的线性媒质,三个本构方程如下:

    同时,在有边界条件和初始条件的约束时,电磁场微分方程才有确定解。但工程实践中,要精确得到问题的解析解,除了极个别情况,通常是很困难的。只能根据具体情况给定的边界条件和初始条件,用数值解法求其数值解。有限元法是其中最为有效、应用最广的一种数值计算方法。为便于数值求解,电磁场的计算中分别定义了两个量,把电场和磁场变量分离,即矢量磁势A和标量电势φ,分别形成一个独立的电场或磁场的偏