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管道内表面缺陷的涡流检测方法

杨理践，郭晓婷，高松巍

【摘要】摘要：针对管道检测中内、夕卜壁缺陷难以区分的问题，采用提高检测线圈分辨率的涡流检测方法，实现了管道内壁缺陷的识别，解决了内外缺陷确认难题。利用ANSYS仿真软件建立了线圈探头和待测管段的实体模型，通过仿真，得出了缺陷几何尺寸对线圈探头产生磁场的变化规律，仿真中通过改变线圈探头的匝数、缺陷深度等条件，分析了轴向方向磁感应强度的特征。同时结合仿真分析结果，开发了线圈探头实验装置，并利用该装置实现了45#钢板的检测。试验结果表明：在钢板的缺陷处，输出电压信号峰值差值精确到mV级别，该精度级别可实现对管道内壁缺陷的检测。

【期刊名称】仪表技术与传感器【年(卷)，期】2014(000)010【总页数】4【关键词】涡流检测；涡流传感器；有限元仿真；表面缺陷；磁感应强度

0引言

目前，涡流检测技术对于管道内夕卜壁上的缺陷的灵敏度是相同的，但对管壁内夕卜缺陷进行区分时却无能为力，因此，为提高辨别管道内夕卜缺陷的分辨率，需设计辅助线圈探头来辨别管道的内外缺陷。

检测线圈是涡流探头的重要组成部分，优化设计线圈的几何参数和形状，可以提高涡流传感器的分辨率［1］。从线圈探头在空间产生的磁场分布情况及磁感应强度大小方面分析，仿真分析线圈几何参数对管道内表面缺陷影响，优化其几何参数，制作了线圈探头对被测试件表面的深度分别为2mm、4mm、6mm

的缺陷以及背面缺陷进行检测，检测输出信号可以对管道内外缺陷进行辨别。

1涡流检测基础理论

1.1涡流检测管道内表面缺陷一般原理

涡流检测在电磁感应的基础上，如图1所示。当通有交变电流的线圈靠近被测导体试件时，由于激励线圈的磁场作用，线圈中产生的交变磁场，在被测试件表面产生涡流。

试件导电性能对涡流的大小及流动形式产生影响。当试件中有缺陷时，涡流分布会发生变化，从而会影响涡流产生的磁场分布，这个磁场反作用使检测线圈中的阻抗发生变化，检测输出的电压信号会在幅值、峰值等处发生变化。因此，通过测量瞬态感应电压信号，就可以判断出被测试件有无缺陷及其性能［2］。

根据法拉第电磁感应定律，得到检测线圈输出电压VP:

▽

(1)

式中：B为磁感应强度；A为感应磁场矢量；s为检测线圈的截面积。

如果被测试件中存在缺陷，就会使磁感应强度B发生变化。

1.2检测线圈参数对磁感应强度的影响

对于线圈参数对磁感应强度产生的影响进行了理论分析，由毕奥沙伐拉普斯定律可知，单匝通有电流的圆导线在轴上产生的磁感应强度为：

(2)

式中：M为真空磁导率；I为通过的线圈的激励电流；r为载流线圈半径；x为轴线上某点到线圈平面的距离。

由多个圆电流相互叠加而成的磁场可看作是截面线圈所产生的。假设线圈匝数

为N匝，通电流I时，电流密度为：

⑶

得到通过每匝线圈电流截面dxdy的圆形电流元为：

⑷

式中：Ra为线圈内径；Rb为线圈外径；C为线圈的厚度。

把式(4)带入式(2)得此处圆形电流元所产生的磁感应强度为：

⑸

对式(5)两边进行积分可以得到在轴线上任意点处产生的磁感应强度为：

(6)

由上式可知，保持线圈内外卜径不变的情况下，轴线上任意点的磁场强度的变化与检测线圈的匝数、厚度、内外径变化有关［3］，文中分析了改变线圈的匝数对磁感应强度的影响。

2有限元仿真及结果分析

2.1有限元仿真

按照试验装置，线圈采用空心圆柱形线圈，由于应用的检测线圈的直径相对于被测管道的直径来说，管道的内表面近似于一个平面，因此，被测试件用钢板代替管道进行试验，利用ANSYS软件进行仿真，仿真过程中按照设备实际几何尺寸，建立二维实体模型；对模型划分网格并加以载荷；为二维模型设置边界条件；最后对其进行求解［4］。

涡流检测线圈和被测导体都视为轴对称结构，采用二维仿真模型，对圆柱线圈与方形被测导体通过对称轴X轴的任意一个对称平面进行建模，由电磁场的轴对称特性，可取二分之一的轴对称平面。涡流仿真分析模型如图2所示。

图2(a)中：沿着轴线方向对整个模型进行剖分，在被测体和线圈的外围存在空气场，进行剖分之后的模型为有限元仿真分析模型。根据实际应用中的要求，设定了仿真模型的几何数据，几何数据如表1所示。

根据表1的数据建立了有表面缺陷的涡流仿真分析的二维实体模型。采用映射-自由混合划分网格方法对二维模型进行有限元法划分网格，划分网格后模型如图3所示。

图3中，根据划分网格方法分别对线圈、钢板以及外围空气场进行划分，探头线圈和被测体采用映射网格划分，单元尺寸设置为0.75mm,空气部分采用自由网格划分方式。每条线上设置的单元尺寸为1.00mm.

对于有限元法的边界条件，轴对称的电磁场的分析符合第一类边界条件即狄利克莱边界条件，设定在该