基于有限元法的管子缺陷渦流檢測(cè)的可靠性研究

1、    基于有限元法的管子缺陷渦流檢測(cè)的可靠性研究    韓捷高厚秀廖述圣【摘 要】將有限元分析方法用于渦流定量檢測(cè)的可靠性研究中，渦流探頭采用一對(duì)差動(dòng)式軸繞線圈，通過(guò)對(duì)管子缺陷進(jìn)行模擬和分析，獲得了管子缺陷在不同深度和寬度條件下的定量偏差范圍和定性關(guān)系，證明了可靠性定量分析在缺陷寬度很小時(shí)具有更大的實(shí)用性，從而提高渦流檢測(cè)的效果與精度?！娟P(guān)鍵詞】有限元方法；渦流檢測(cè)；可靠性0 引言渦流檢測(cè)具有檢測(cè)速度快、對(duì)表面缺陷反應(yīng)靈敏等優(yōu)異性能，在導(dǎo)電材料的缺陷檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。隨著渦流檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和檢測(cè)要求的日益提高，不僅要求檢測(cè)出缺陷的有無(wú)，還要對(duì)缺陷進(jìn)行

2、定性、定量分析，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)對(duì)象做出無(wú)損評(píng)價(jià)1。在以往的可靠性研究當(dāng)中，主要有兩種方式來(lái)對(duì)渦流檢測(cè)的可靠性進(jìn)行分析。一是制造大量試驗(yàn)管，然后通過(guò)采集分析統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行可靠性研究。第二種方法是對(duì)核電站實(shí)際缺陷進(jìn)行定量后，取出管對(duì)缺陷進(jìn)行解剖測(cè)量，再用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)評(píng)估渦流檢測(cè)的可靠性。然而前者缺陷加工與計(jì)量的偏差對(duì)可靠性分析造成了一定的難度和成本的增加；后者由于實(shí)際缺陷的偶然性，采樣不夠完整全面，其結(jié)果并不具有普遍性2。利用有限元法進(jìn)行渦流檢測(cè)分析時(shí)，可以研究理想條件下的渦流檢測(cè)，模擬實(shí)際檢測(cè)條件以進(jìn)行分析，方便、迅速地得到檢測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量或計(jì)算已知缺陷產(chǎn)生的阻抗信號(hào)， 從而可以較好的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象的

3、定性研究并對(duì)渦流定量檢測(cè)的可靠性進(jìn)行分析，能夠很大程度上解決和補(bǔ)充試驗(yàn)方法的不足。1 電渦流傳感器的基本工作原理渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，它利用交變磁場(chǎng)作用下被測(cè)工件表面產(chǎn)生不同的渦流分布、大小來(lái)反映工件上缺陷的有無(wú)3。磁場(chǎng)的變化是通過(guò)敏感線圈的阻抗變化來(lái)反映的。線圈的等效阻抗z一般可表示為：式中：、分別是被測(cè)工件的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率；f是激勵(lì)信號(hào)的頻率；x是線圈與被測(cè)工件之間的距離；r是線圈的尺寸因子，與線圈的結(jié)構(gòu)、形狀以及尺寸相關(guān)。可見(jiàn)，線圈阻抗的變化完整而且唯一地反映了被測(cè)工件的電渦流效應(yīng)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，對(duì)不需要的影響因素加以控制，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上式中某個(gè)相關(guān)量的檢測(cè)4。作為接近式傳感器

4、，線圈到被測(cè)工件之間的距離與線圈的阻抗直接相關(guān)，而表面或近表面的缺陷時(shí)，缺陷的存在將引起被測(cè)導(dǎo)體電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而使線圈的阻抗參數(shù)發(fā)生改變5。2 定量分析方法對(duì)于缺陷的深度定量分析方法，目前主要有相位深度定量和幅值深度定量?jī)煞N方法。相位深度定量是根據(jù)制作的標(biāo)定管的人工傷深度與響應(yīng)信號(hào)的相位關(guān)系制作出一條相位深度判傷曲線，對(duì)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的顯示使用該曲線進(jìn)行對(duì)比進(jìn)而得出缺陷的深度估計(jì)值。幅值深度定量主要采用的是測(cè)量不同深度的標(biāo)定管上人工缺陷的幅值，得到幅值缺陷深度判傷曲線，對(duì)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的同類顯示使用該曲線進(jìn)行對(duì)比進(jìn)而得出缺陷的深度估計(jì)值。在核設(shè)備管子在役檢測(cè)中，由于核設(shè)備管子中出現(xiàn)的

5、缺陷與響應(yīng)信號(hào)的相位角及深度之間總是存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且這種關(guān)系的對(duì)應(yīng)性要明顯優(yōu)于響應(yīng)信號(hào)幅值與缺陷深度之間的對(duì)應(yīng)性，因此，通常情況下采用以信號(hào)的相位角評(píng)定缺陷深度的方法。3 缺陷有限元建模應(yīng)用有限元來(lái)分析電磁場(chǎng)，其基本原則是，首先將所處理的對(duì)象劃分成有限個(gè)單元（若干點(diǎn)），然后根據(jù)矢量磁勢(shì)或標(biāo)量電勢(shì)求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點(diǎn)處的磁勢(shì)或電勢(shì)，進(jìn)而求解出其它相關(guān)量，如磁通量密度和地磁場(chǎng)儲(chǔ)能等。計(jì)算完成后將結(jié)果讀入，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)分析4-5。為計(jì)算線圈的阻抗，可由線圈模型上某一點(diǎn)的電壓和電流進(jìn)行求解，時(shí)諧分析的計(jì)算結(jié)果分為實(shí)部與虛部，將其分別讀入ansys分析軟件的后處理器，可得線圈上的

6、電流為ireal，iimag.（ ireal 表示電流實(shí)部，iimag 表示電流虛部），然后根據(jù)公式（2）得出線圈的阻抗：在此，采用的有限元計(jì)算模型為用差動(dòng)式軸繞探頭，采用峰-峰值測(cè)量法（vpp法）對(duì)管子缺陷進(jìn)行渦流檢測(cè)。如圖1所示，管壁中有一個(gè)孔缺陷.設(shè)導(dǎo)體電導(dǎo)率為，缺陷充滿空氣。圖1中，r1和r2為線圈的內(nèi)、外半徑；r1和r2為管的內(nèi)、外半徑；d為缺陷的直徑；d為線圈的間距；h為線圈高度。以下計(jì)算采用的計(jì)算參數(shù)如下： r1為6.0mm， r2為8.0mm，h為1.5mm，d為1.5mm，線圈匝數(shù)為30，頻率為550khz，r1為 8.4mm，r2為9.5mm， 電導(dǎo)率為1.15×

7、106 s·m-1，缺陷寬度從0.05mm-10mm，相對(duì)深度（%t）從5%id-100%-10%od.（其中id表示內(nèi)部缺陷，od表示外部缺陷，%t表示占壁厚的百分比，下同）。4 計(jì)算結(jié)果圖2是由此計(jì)算得出的管子槽寬從0.05mm至10mm，不同深度不同寬度情況下的缺陷相位阻抗關(guān)系曲線：從圖2中可以看出，隨著缺陷寬度的逐漸減小相位變化較快，在最小缺陷寬度（0.05mm）時(shí)相位值趨近于最大值。而隨著缺陷寬度增大到一定程度，相位存在最小值。對(duì)缺陷深度的評(píng)價(jià)，是建立在利用一組不同深度人工缺陷繪制的相位深度標(biāo)定曲線基礎(chǔ)上的，再將計(jì)算結(jié)果中各深度下缺陷所處相位角分別對(duì)應(yīng)到相位深度標(biāo)定曲線上，

8、可以得到對(duì)應(yīng)缺陷的最大深度及最小深度，由此得到缺陷相位定量及偏差范圍，進(jìn)而可以從上述數(shù)據(jù)中歸納出以下幾種變化趨勢(shì)，以及這些變化在實(shí)際檢測(cè)中的意義：1）對(duì)于外缺陷，在相同寬度下不同深度管槽的相位角隨著深度加深而單調(diào)減小；對(duì)于內(nèi)缺陷，在相同寬度下不同深度管槽的相位角隨著深度加深而單調(diào)增大。2）對(duì)于內(nèi)缺陷，在缺陷寬度較小時(shí)單調(diào)變化，但在缺陷寬度進(jìn)一步增大時(shí)，內(nèi)環(huán)槽曲線則呈現(xiàn)不同的規(guī)律，這時(shí)對(duì)于內(nèi)缺陷，在檢測(cè)過(guò)程中可能存在大于標(biāo)定曲線100%的相位角從而被誤判為外缺陷，此時(shí)判傷曲線已經(jīng)失去準(zhǔn)度，可靠性不高。3）隨著槽外缺陷深度的增加，相位角極值范圍逐漸變大；隨著槽內(nèi)缺陷深度的減小，相位角極值范圍也在逐漸變小。由此可得出缺陷深度越小相位的變化范圍越小，檢測(cè)結(jié)果的深度定量偏差范圍越小，可靠性也就越高。因此對(duì)于可靠性定量分析在缺陷寬度很小時(shí)具有更大的實(shí)用性?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1姚運(yùn)萍，韓捷.核電站管道缺陷渦流定量檢測(cè)的可靠性分析j.核動(dòng)力工程，2009，30（4）：17-20.2徐可北，周俊華.渦流檢測(cè)m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：21-39.3丁天懷，陳祥林.電渦流傳感器陣列測(cè)試技術(shù)j.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，20（1）：1 -5.4韓捷，