基于双切向涡流的阵列探头设计及仿真

2023-12-09范高廷陈玺名

无损检测 2023年10期

王晋,任毅,郑凯,张卿,范高廷,张宏,陈玺名

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院,南京 210000;2.南京工业大学电气工程与控制学院,南京 211816;3.南京航空航天大学自动化学院,南京 211106)

现有常用于承压设备检测的无损检测技术主要包括磁粉、渗透和超声检测。出于防腐等需要,承压设备外常涂有涂层,在现场检测前需清除设备表面涂层,影响了设备检修检验的时间;同时清除与恢复涂层一般需要在停机状态下进行,增加了企业的运行成本。因此,寻找可在不破坏承压设备外部涂层的前提下,缺陷进行快速检测的方法具有十分重要的意义。涡流检测可在不清除涂层的前提下对设备表面及上表面的裂纹等缺陷进行检测,且具有响应速度快、检测灵敏高、易于实现自动化等优点,因此在带涂层设备检测中具有很好的应用前景。

目前,涡流检测技术已经在带涂层设备缺陷检测中有了大量的研究及一定的应用。彭旭钊等[1]采用差动式线圈对钢管孔类缺陷进行检测。李正龙等[2]采用互感式涡流传感器完成了对飞机多层结构腐蚀情况的检测。此外,科研人员围绕涡流探头的优化也做了大量研究工作。张雯等[3-4]研究了“8”字型聚焦线圈的特性,发现相比于平行于导体表面放置的线圈,“8”字形线圈激励的涡流能量分布更集中,更有利于磁场聚焦。ZHOU 等[5]利用矩形线圈脉冲涡流检测三维有限元模型研究了线圈尺寸对信号的影响,为不同检测情况下探头的设计和选择提供了指导。何赟泽等[6-7]设计了一种三维脉冲涡流探头,该探头由一个矩形激励线圈和三个接收线圈组成,可获取B x、B y与B z三个方向上的磁场曲线,并提出使用三维蝶形图对缺陷进行识别,为实现飞机机身缺陷的成像提供了参考。YUSA 等[8]改变了TR探头(双晶直探头)中接收线圈的位姿,使其与构件表面相切,结果表明利用这种传感器结构能够检测到趋肤深度以下的缺陷。徐帅[9]将这种平切型探头结构用于碳纤维复合材料(CFPR)生产过程中的缺陷检测,效果良好。ONA 等[10]对TR 探头进行了仿真和研究,发现线圈间隙和提离均会影响探头的灵敏度,并提出了在给定提离时优化TR探头结构来减小提离效应、提高检测灵敏度。同时,YE等[11]设计了一种用于检测多层铆钉结构的新型传感器,其由正交激励线圈和线性差分GMR(巨磁阻传感器)阵列所构成,可以有效消除背景干扰噪声的影响,但该传感器整体为刚性结构不适用于复杂结构的检测。XIE 等[12]提出了一种新型磁力传输涡流阵列式分离探头,该探头不仅可以有效识别管道内缺陷的轴向位置和圆周位置,并可以解决管道内缺陷信号饱和的问题。DAURA 等[13]首次提出了采用无线能量传输方法的双共振响应柔性涡流线圈阵列探头,其具有多个共振频率,可通过扫描频率激励获取管道曲面缺陷深度的信息。

文章在上述研究的基础上提出了一种基于双切向涡流的阵列探头,并对其检测原理、性能和阵列结构展开研究。首先,分析了双切向涡流的结构特点和检测原理;其次,通过仿真对探头阵列单元的性能进行分析;最后对整个阵列涡流探头的结构进行设计。试验结果表明,该探头能够同时实现对不同长度和不同角度裂纹的定量分析,进而提高裂纹的检测精度。

1 检测原理

1.1 切向涡流基本原理

对于一般的涡流检测探头,磁场直接耦合产生的U0(激励与接收线圈有接耦合产生的电压信号)信号幅值比ΔU(激光与接收线圈通过试件间接耦合产生的电压信号,包含试件信息)大,且U0容易受到提离、线圈轴心距等信号的影响,从而降低探头的检测性能,因此,需尽量减少直接耦合磁场H1对接收线圈的影响。在此基础上,笔者采用了切向涡流探头,其检测原理如图1所示。首先,将激励线圈和接收线圈正交放置,同时保证激励线圈的轴线与试件表面平行,则由于激励线圈产生的一次磁场H1主要集中在其轴线方向,而接收线圈对此方向的磁场变化不敏感,故可减小一次磁场对检测信号的影响。其次,试件中感应出的涡流场具有一定的方向性,如图1中的蓝线所示。考虑到该类涡流场对某一方向的裂纹缺陷不敏感,因此为消除检测盲区,采用两个相互正交的激励线圈作为激励,同时保证两个激励线圈的轴线均与试件表面平行。由于正交且切向放置的激励线圈会在试件表面产生正交的涡流场,如图1中的蓝色和黄色线所示,则双切向涡流探头不仅可消除直接耦合信号的影响,还可以检测任何角度的缺陷,不存在检测盲区,从而提高对缺陷的检测能力。

图1 切向涡流探头检测原理

1.2 仿真分析

为进一步验证探头设计的可行性,利用COMSOL Multi Physical有限元仿真软件中的AC/DC(交流/直流)模块对所设计探头的单个阵列单元进行电磁场频域分析,单个探头阵列单元的几何模型如图2所示。其中,待测试块的材料为碳钢,厚度为4 mm;试件中裂纹长度为15 mm,深度为2 mm,宽度为0.35 mm;阵列单元中,激励线圈1的外半径为3.8 mm,内半径为2.8 mm;激励线圈2的外半径为2.5 mm,内半径为0.5 mm;接收线圈为矩形线圈,其内边长宽均为1.6 mm,外边长宽均为6.6 mm;激励电流为3 A。

图2 单个探头阵列单元的几何模型

阵列单元位于试件无缺陷位置时,在试件中感应出的涡流分布如图3所示。由图3可知,试件表面产生的涡流具有方向性,且可分解成x和y两个正交的分量,这和理论分析的结果一致。此外,涡流在x方向上的分量明显大于y方向上的分量。这主要是因为激励线圈2与试件的间距大于激励线圈1与试件的间距,因此在当前结构中,激励线圈1处于主导地位。适当增加激励线圈2的尺寸和匝数可缓解这一现象。

图3 阵列单元位于试件无缺陷位置时的涡流分布

阵列单元位于不同角度裂纹缺陷正上方时,缺陷处的涡流分布如图4所示,其中,裂纹的角度指裂纹与x轴的夹角。可见,该阵列单元对任意角度的裂纹缺陷均敏感。此外,对于0°,45°,90°的裂纹,其感应涡流的最大值分别为8.22×108,7.52×108,5.05×108A·m-2。显然,裂纹角度越小,其感应涡流的幅值越大,这是因为裂纹角度越小,阵列单元产生的激励磁场与缺陷的接触面积越大。

图4 阵列单元位于不同角度裂纹缺陷正上方时的涡流分布

2 探头阵列单元性能分析

为进一步分析双切向涡流探头的性能,以0.5 mm 的步长沿y轴对试件进行扫描,讨论检测信号随裂纹长度、角度和探头提离的变化趋势,扫描的坐标原点如图2所示。

2.1 裂纹长度变化

对于裂纹缺陷,长度是最重要的参数之一,因此先讨论阵列单元对不同长度裂纹的检测能力。不同长度裂纹的检测信号如图5所示。由图5可知,原点两侧检测电压信号几乎对称,且原点处的感应电压为0 V;同时,所设计探头能够很好地检测出长为4～15 mm的裂纹,且信号峰值出现的位置几乎不随裂纹长度变化,而信号峰值随裂纹变化明显。为进一步研究信号峰值和裂纹长度的关系,绘制信号峰值变化曲线[见图5(b)]。由图5(b)可知,当裂纹长度为6～10 mm时,信号峰值随裂纹长度的增加而增大,且呈线性关系,说明探头对6～10 mm 长度的裂纹更敏感。对于长度4～6 mm和10～15 mm的裂纹,虽然该阵列单元能够检测,但不能对其进行定量分析。

图5 不同长度裂纹的检测信号

2.2 裂纹角度变化

由于裂纹角度的变化会影响试件中涡流场分布,进而影响检测信号,因此对不同角度的裂纹缺陷的检测信号(见图6)进行分析。由图6可知,裂纹角度的变化不仅会影响信号峰值,也会影响峰值出现的位置。为进一步分析信号随裂纹角度的变化规律,分别绘制信号峰值和峰值位置与裂纹角度的关系曲线,其结果如图6(b),(c)所示。可见,裂纹角度与峰值位置几乎呈线性关系。由于峰值位置几乎不受裂纹长度影响,因此可利用这一特征实现对裂纹角度的定量,进而提高缺陷定量的精度。

图6 不同角度裂纹的检测信号

2.3 不同提离下的性能

此外,考虑到阵列单元的激励和接收线圈尺寸均比较小,容易受到提离因素的影响,因此讨论不同提离下阵列单元的检测能力距离,探头不同提离下的裂纹检测信号如图7所示。由图7可知,当提离为2.0 mm 时,探头仍能够对缺陷进行检测,接收线圈的峰值约为0.014 V;当提离为0 mm 时,接收线圈峰值约为1.4 V。由此可得,提离对阵列单元的影响比较大。基于此,在对整个阵列探头进行结构设计时,需尽量减小探头的提离距离。

图7 探头不同提离下的裂纹检测信号

3 阵列涡流探头结构设计

基于上述对阵列单元的分析,设计如图8所示的阵列涡流探头。探头主要由正交的激励线圈、矩形接收线圈、阵列单元壳体、控制阵列单元运动的调节块和弹簧等结构组成。其中,两个正交的激励线圈和矩形接收线圈安装在单元壳体内;单元壳体按4×2(长×宽)阵列形式均布在探头壳体中,且可通过探头壳体中的调节块和弹簧,沿探头壳体内部凹槽上下滑动(沿箭头所示方向)。为减小阵列单元与试件之间的提离距离,弹簧始终处于压缩状态,以保证阵列单元能够压紧在探头壳体底部。另外,对于焊缝检测,由于焊缝一般高于被检试件表面,当探头移动至焊缝处,单元壳体受挤压可沿探头壳体凹槽方向依次抬起,8个单元壳体均可独立运动,确保顺利通过焊缝。且通过焊缝后,在弹簧弹力作用下,可将单元壳体重新压紧在探头壳体底部,确保探头提离高度最小。