交流电磁场检测技术现场应用的影响因素

2023-12-09曹生宁李文波王伟国韩方东刘正存

无损检测 2023年10期

曹生宁,李文波,王伟国,韩方东,刘正存

(1.青海省特种设备检验检测院,西宁 810000;2.中国特种设备检测研究院,北京 100029;3.滨州市特种设备检验研究院滨州 256600;4.济宁鲁科检测器材有限公司,济宁 272000)

交流电磁场检测技术(ACFM)是一种新型的电磁无损检测技术,可以对金属结构焊缝、母材表面及亚表面缺陷进行检测。该技术对导电金属材料均有良好的检测效果,能进行非接触式检测,检测速度快,效率高,故在无损检测领域逐渐推广开来[1-3]。

交流电磁场检测技术是1988年由英国伦敦大学LEWIS教授等最先发现并提出的,其将交变电压降(ACPD)技术中使用的接触式交流电场替换为非接触式的感应磁场,实现了非接触式测量。20世纪90年代,TSC公司首先推出了交流电磁场检测设备,将其应用到水下金属结构的检测中,并取得了一定效果。1989年,石理国和姚木林教授首先对交流电磁场检测技术在缺陷检测方面的原理及应用进行了相关论述。21世纪初,陈国明等对交流电磁场检测技术进行了深入研究,并取得了一定的成果[3-4]。李伟等[4-5]在ACFM 技术检测系统的智能化、检测探头的结构优化、磁场信号处理以及裂纹可视化显示方面取得了一些成果,设计制作出便携式交流电磁场检测系统并成功商业化。除此外,南昌航空大学、中国特种设备检验研究院等高校和研究机构,也对交流电磁场检测技术做了大量工作[6]。

根据ACFM 检测技术的现场应用,分析材料本身性质(包括电导率、磁导率);缺陷的大小(包括缺陷长度、深度);缺陷的位置(包括表面开口深度、缺陷埋藏深度);探头相关参数(包括检测频率、提离高度)等因素对ACFM 技术检测结果的影响规律,通过仿真以及模拟试块验证试验,明确了各因素的影响程度。

1 交流电磁场检测原理

交流电磁场检测是一种电磁感应技术,通过施加交流电的激励线圈,在检测产生对象表面感应出均匀交变电场。当该电场经过缺陷位置后会出现电场线的切割及变化,导致该处磁场发生变化,通过检测磁场强度变化的位置和规律,就可以实现缺陷的检测。

ACFM 检测原理如图1所示,均匀交变电场在工件表面产生均匀的交变磁场,将磁场分为x,y,z三个不同方向的分量(Bx,By,Bz)。通过分析其波形的变化规律,就可以对缺陷进行检测[5-6]。

图1 ACFM 检测原理

2 仿真模型的建立与研究

COMSOL是一款基于有限元理论,以偏微分方程为研究对象的大型数值仿真软件。

2.1 ACFM 检测几何模型的建立

建立有限元三维模型进行仿真分析,模型包括感应线圈、被测金属和求解域三部分,如图2所示。被检工件尺寸为200 mm×100 mm×10 mm(长×宽×高),磁芯为U 型,尺寸为14 mm×26 mm×6 mm(长×宽×高),求解域设置为300 mm×200 mm×150 mm(长×宽×高)的长方体。感应线圈材料设置为铜,求解域部分为空气。

图2 ACFM 检测几何模型

模型网格划分采用“较细化”,划分的网格如图3所示,完整网格包含39 816个域单元、5 760个边界元和602个边单元。

图3 几何模型的网格划分结果

2.2 物理场选择及参数设定

在COMSOL软件中AC/DC(交流/直流)模块选用磁场(MF)作为物理场,求解器设置为频域,频率默认设置为1 k Hz。将空气求解域的所有外边界设置为磁绝缘,矢量磁势A为零。感应线圈选择多匝线圈,线圈匝数设置为200,激励方式为电流激励,选择电流流通方向的横截面为输入面,电流为1 A。

2.3 求解及结果分析

取磁通密度Bx信号幅值最大变化量为Bx信号灵敏度,磁通密度Bz信号波峰波谷间距为Bz信号灵敏度,观察相关因素变化时Bx及Bz信号灵敏度的变化规律。

2.3.1 磁导率及电导率对检测效果的影响

设置缺陷尺寸为5 mm×3 mm×0.2 mm(长×深×宽)。电导率不变,相对磁导率为1～4 000(无量纲),每次扫描步进为400,进行仿真计算,得到不同磁导率下Bx及Bz信号随位移的变化曲线如图4所示,图中T1为相对磁导率,可见Bx信号灵敏度明显低于Bz信号灵敏度。

图4 不同磁导率下Bx 及Bz 信号随位移的变化曲线

磁导率对Bx及Bz信号的灵敏度影响曲线如图5所示。Bz信号对磁导率变化的敏感程度更高,相对磁导率为1～400,Bx信号响应降低90%,Bz信号响应提高175%;相对磁导率大于400后,信号灵敏度变化趋于平缓,Bx与Bz信号分别变化5.2%及5.7%。

图5 磁导率对Bx 及Bz 信号的灵敏度影响曲线

磁导率不变,电导率设置为1×106,5×106,1×107,5×107,1×108,2×108S·m-1,依次进行仿真计算,T2为电导率。不同电导率下Bx及Bz信号随位移的变化曲线如图6所示。从图6可得,Bx信号灵敏度明显低于Bz信号灵敏度。

图6 不同电导率下Bx 及Bz 信号随位移的变化曲线

电导率对Bx及Bz信号的灵敏度影响曲线如图7所示,Bx信号对电导率变化的敏感程度更高,电导率从1×106S·m-1增加到2×108S·m-1,Bx信号响应提高300%,Bz信号响应降低78%。

图7 电导率对Bx 及Bz 信号的灵敏度影响曲线

2.3.2 缺陷长度及深度对检测效果的影响

根据2.3.1仿真结果,选取相对磁导率为200,电导率为5×106S·m-1作为材料基本电磁属性进行仿真。

设缺陷长度为10 mm,宽度为0.2 mm,深度从1 mm 提高至5 mm 进行计算。不同缺陷深度下Bx及Bz信号随位移的变化曲线如图8所示。从图8可得,缺陷长度不变,缺陷Bx信号灵敏度随着缺陷深度的增加单调递增。

图8 不同缺陷深度下Bx 及Bz 信号随位移的变化曲线

设置缺陷深度为3 mm,宽度为0.2 mm,长度从3 mm 提高至10 mm 进行计算。不同缺陷长度下Bx及Bz信号随位移的变化曲线如图9所示,可见,缺陷深度不变,缺陷Bx信号灵敏度随缺陷长度增加单调递减。联合图8,图9可得,缺陷长度或深度变化时,Bz信号始终在缺陷两端点处获得最大值,Bz信号的峰谷间距不受影响。

图9 不同缺陷长度下Bx 及Bz 信号随位移的变化曲线

拟合出该材料下表面开口缺陷深度与Bx信号灵敏度的关系式,即

式中:H为缺陷深度,公式拟合的均方差为0.91。

2.3.3 提离高度对检测效果的影响

设置缺陷尺寸(长度×深度)为5 mm×1 mm,5 mm×3 mm 和5 mm×5 mm,宽度为0.2 mm,提离高度从0 mm 变化至10 mm,缺陷尺寸为每次扫描步进为1 mm,进行仿真计算。不同提离高度下Bx及Bz信号随位移变化趋势如图10所示,可见,随着提离高度的增加,Bx及Bz信号灵敏度明显下降,5 mm×1 mm,5 mm×3 mm 和5 mm×5 mm的缺陷信号下降程度相似,根据仿真数据,推算出提离高度与Bx,Bz信号灵敏度的公式,经计算,得到ΔBx的均方差为0.99,ΔBz的均方差为0.94。

图10 不同提离高度下Bx 及Bz 信号随位移的变化曲线

2.3.4 缺陷埋藏深度对检测效果的影响

设置缺陷尺寸为5 mm×3 mm(长度×深度),宽度为0.5 mm。缺陷尺寸不变,设置埋藏深度为变量,碳钢材料(电导率为1×107S·m-1,相对磁导率为200)从0 mm 提高到4 mm,步进为1 mm;不锈钢材料(电导率为1×106S·m-1,相对磁导率为1)从0 mm 提高到7 mm,步进为1 mm,进行仿真计算。碳钢材料不同埋藏深度下缺陷Bx及Bz信号随位移的变化曲线如图11所示,不锈钢材料不同埋藏深度下缺陷Bx及Bz信号随位移的变化曲线如图12所示。