鍋爐管彎頭曲面對渦流探頭阻抗的影響

李海超,徐志遠,林章鵬,廖亞華

(湘潭大學 機械工程學院, 湘潭 411105)

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鍋爐管彎頭曲面對渦流探頭阻抗的影響

李海超,徐志遠,林章鵬,廖亞華

(湘潭大學 機械工程學院, 湘潭 411105)

對鍋爐管彎頭進行渦流檢測時,彎頭復雜的曲面結構會對檢測結果的準確性產生影響，故分析彎頭曲面對探頭阻抗的影響具有重要意義。通過建立放置式渦流探頭檢測不銹鋼彎頭的ANSYS有限元模型，分析了彎頭彎曲半徑及周向檢測位置的變化對探頭反射阻抗的影響，并進行了試驗驗證。結果表明：彎曲半徑增大時，反射阻抗幅值的變化量增大，相位則減小；探頭從彎頭內側往外側移動時，反射阻抗幅值的變化量逐漸減小，而相位則增大。

渦流檢測；鍋爐管；彎頭；阻抗；有限元法

隨著高參數大容量超(超)臨界機組的發展，作為關鍵承壓部件的鍋爐管的制造廣泛采用了具有高熱強度和高蠕變強度的奧氏體不銹鋼。在長期的高溫高壓環境下，彎頭位置易產生橫向晶界腐蝕裂紋而發生爆管。另外，某些鍋爐管彎頭在制造過程中處理不到位，不能形成性能較好的單相奧氏體組織，短時間運行后易產生表面橫向應力腐蝕裂紋[1-2]。因此，為保障機組安全運行，有必要對彎頭進行定期的無損檢測。近年來，渦流檢測因具有非接觸、速度快、精度高等優點，開始應用于鍋爐管彎頭的無損檢測中[3-4]。

管道渦流檢測分為管內檢測和管外檢測兩種方式。鍋爐管直徑較小，且管內經常存在堆積物，因此不適宜采用管內檢測方式。管外檢測主要有外穿過式和放置式兩種形式。對于連續敷設的鍋爐管排，采用放置式探頭檢測是有效且方便的手段。鍋爐管彎頭具有復雜的曲面結構，導致探頭到曲面的距離(提離距離)難以保持一致，從而干擾檢測信號。如何抑制提離效應對檢測結果的影響是曲面渦流檢測面臨的一個問題，國內外學者從信號處理和探頭設計方面進行了研究。Takagi[5]采用近似方法將蒸汽管道簡化為平板進行求解，但當管道半徑相對線圈半徑不夠大時，這樣的簡化會帶來很大的誤差。張玉華等[6]分析了直管內外壁的凹面和凸面的彎曲半徑大小及提離變化對線圈反射阻抗的影響，并提出利用相位旋轉和信號增強相結合的方法消除提離干擾。宋林等[7]通過將紅外成像與脈沖渦流檢測相結合，應用數值仿真方法，研究了曲面零件裂紋缺陷的脈沖渦流熱特性。針對具有復雜曲面的被測對象，學者們提出采用柔性探頭進行檢測，柔性探頭能夠與復雜曲面緊密貼合或者保持相對位置穩定，有效地抑制了不穩定提離[8-10]。但是，柔性探頭線圈的電感量小而導致檢測信號微弱，且制作的成本較高，因此，圓柱線圈仍是當下渦流檢測的主要探頭形式。總的說來，目前對于曲面渦流檢測，圓柱線圈探頭提離抑制的研究主要是針對平面或簡單弧面，而柔性線圈雖可解決復雜曲面的提離問題，但實際應用較少。

鍋爐管彎頭是由徑向彎曲及軸向彎曲形成的復雜曲面，不同位置處的曲率半徑不同而引起渦流探頭平均提離的變化，從而影響探頭的阻抗輸出。筆者基于有限元法，建立了不銹鋼彎頭渦流檢測的三維仿真模型，分析了彎頭彎曲半徑的變化以及不同的檢測位置對線圈探頭阻抗的影響，揭示了彎頭曲面變化時探頭阻抗的變化規律，對抑制探頭提離變化的干擾及提高檢測結果的準確性提供指導意義。

1　彎頭渦流檢測仿真模型

圖1　彎頭渦流檢測仿真模型

1.1模型建立

在有限元軟件ANSYS中建立如圖1所示的彎頭渦流檢測仿真模型(隱去空氣)。由于彎頭不關于線圈軸線旋轉對稱，故無法簡化為二維軸對稱模型，而只能建立三維模型進行分析。采用基于節點法的3D磁場分析單元SOLID97給彎頭、探頭和空氣建立模型。不銹鋼管道外徑18 mm，內徑8 mm，壁厚5 mm，相對磁導率μr=1，電導率σ=3.82×107S·m-1。考慮到實際管線以水平和豎直走向為主，因此，彎頭角度取90°。彎曲部位的彎曲半徑設置為40～65 mm。探頭線圈外徑7.5 mm，內徑4.5 mm，高3 mm，匝數200，相對磁導率μr=1，線圈置于彎頭中部，其軸線垂直于管壁表面，底面中心到管壁的距離(提離距離)為0.5 mm。為保證線圈磁場的有效衰減，管道和線圈周圍用10倍于線圈外徑的空氣域包圍。

1.2網格劃分

模型單元的劃分是決定有限元仿真精度的一個關鍵因素。考慮到彎頭曲面的特殊性，為在保證精度的同時節約計算機時，采用分塊劃分的思想，其基本原則為：① 由于電渦流的趨膚效應，趨膚深度內至少應該有兩層網格，探頭下方的彎頭磁場變化較快，應劃分較密的單元。② 管壁內磁場的變化梯度從探頭下方往兩端逐漸減小，采用漸變式網格，遠離探頭的彎頭單元尺寸逐漸增大。③ 探頭線圈為激勵和接收元件，應劃分較密單元。④ 空氣域采用自由網格劃分，但應控制單元所允許的最小尺寸，避免出現尖角網格。在劃分單元時，通過選定模型軸向、周向及徑向對應的線段并指定其劃分數目來控制單元的精細程度。

1.3加載與求解

給線圈加載4 V,100 kHz的正弦交流電壓，并耦合線圈所有節點電流。空氣最外層邊界施加磁通量平行條件，模型內介質交界面上的邊界條件為自然邊界條件，在計算中自動滿足。選擇分析類型為諧波分析，對不同的檢測情況分別進行參數化建模和求解。使用Get命令提取線圈中任意節點的電流值，通過計算線圈電壓與電流之比得到線圈阻抗，并進一步算出阻抗的相對變化量<φ;其中，ΔZ=Z-Zair，Z為線圈置于彎頭上方時的阻抗，Zair為線圈置于空氣中的阻抗,φ為相位。

圖2　彎頭上方電渦流密度圖

2　仿真結果分析

圖2為探頭線圈正對彎頭中部外側時管壁中的感應渦流分布。從圖中可看出，電渦流在管壁表面呈空間同心橢圓分布，這是由于彎頭曲面形狀的變化使得線圈到管壁不同位置的提離距離不一致，導致線圈磁場與管壁的耦合強度不同。因此，管壁軸向的感應渦流總體上比周向的感應渦流強，渦流最大值(圖中以MX標記)出現在管壁的軸向。

保持探頭線圈的位置不變，分別在彎頭彎曲半徑r為40,45,50,55,60,65 mm處進行仿真試驗，得到探頭線圈中電流實部和虛部的變化如圖3所示。可以看出，隨著彎曲半徑的增大，電流實部Ireal和虛部Iimag的幅值均逐漸增大，但實部的增加速度更快。

圖3　彎曲半徑r的變化對線圈電流的影響

圖4　彎曲半徑r的變化對線圈反射阻抗ΔZ的影響

彎曲半徑r對探頭線圈反射阻抗ΔZ的影響如圖4所示，可以看出：隨著r從40 mm增加到 65 mm，阻抗的幅值變化由13.04%增加到14.08%，相位Δφ的變化由-167.65°減小到-168.12°，僅改變0.47°。這說明彎曲半徑的變化對反射阻抗的影響主要體現在阻抗幅值上，對相位的影響較小。由于彎頭彎曲半徑r的變化，線圈到管壁表面的平均提離隨之改變，r越大，則平均提離越小，管壁中感應的電渦流越強，阻抗變化越明顯。

圖5　檢測位置θ的變化對線圈電流的影響

保持彎頭的彎曲半徑r為40 mm不變，按照國家標準GB/T 28075-2012 《無損檢測 脈沖渦流檢測方法》劃分管道的周向檢測區域(圖5)，其中區域6、7、8分別和區域4、3、2對稱，因此只考慮區域1～5的情況。依次改變探頭的周向位置θ進行仿真試驗，分別得到如圖5,6所示的探頭線圈電流I及反射阻抗ΔZ的變化規律。從圖中可以發現，探頭從區域1移動到5時，電流實部Ireal、虛部Iimag大小均減小；線圈反射阻抗幅值變化量逐漸減小，在彎頭內側的區域1變化最大(為15.02%)，而在彎頭外側的區域5變化最小(為13.06%)；相位角則逐漸增大，但變化量很小。造成上述現象的原因是：在彎頭彎曲半徑不變的條件下，雖然管道的周向彎曲程度相同，但由于彎頭還存在軸向彎曲，不同θ處的曲面是連續變化的；在彎頭正下方的區域1，探頭線圈的平均提離最小，往上變化檢測位置，平均提離逐漸增大，所以，管壁中感應渦流的強度從區域1往5遞減，對應的線圈反射阻抗變化越來越小。

圖6　檢測位置θ的變化對線圈反射阻抗ΔZ的影響

設R、ωL分別為線圈檢測彎頭時的電阻和電抗，Rair、ωLair分別為探頭線圈處于空氣中的電阻和電抗，則彎頭彎曲半徑和檢測位置改變所形成的阻抗平面分別如圖7,8所示。由于導體內熱能損耗和磁能存儲的緣故，線圈的電阻R增大而電抗ωL減小。彎頭彎曲半徑r增大使得兩者的變化量均增大，符合圖4中ΔZ的變化規律；而檢測位置θ由下而上變化則使得兩者的變化量均減小，符合圖6中ΔZ的變化規律。本質上，這兩個因素變化對阻抗的影響都是由于改變了探頭線圈到管壁的平均提離，從而使得線圈與管壁的電磁耦合強度發生變化。

圖7　彎曲半徑r變化時的線圈阻抗圖

圖8　檢測位置θ變化時的線圈阻抗圖

由以上的分析可知，管道彎頭處彎曲半徑和周向檢測位置的變化均會引起探頭阻抗的改變。而目前在管道渦流檢測中，通常以直管段未腐蝕區域的檢測結果為參考來評估整條管線的腐蝕情況，這勢必會對彎頭的檢測結果帶來一定的誤差。因此，實際檢測中應當按上述規律對彎頭的探頭阻抗值進行補償或修正，以保證彎頭檢測結果的準確性。

3　試驗驗證

搭建如圖9所示的渦流檢測平臺對彎頭試件進行了檢測。試件規格為φ57 mm×5 mm，彎頭角度90°，材料為304不銹鋼。渦流傳感器的型號為MTM-1808，該傳感器內部在輸入端集成了逆變電路，在輸出端集成了阻抗/電壓變換、檢波及濾波電路。因此，傳感器輸入和輸出都為直流電壓。傳感器位于空氣中的輸出電壓U為10 V；置于試件上時由于渦流場感生電壓的削弱作用，輸出電壓小于10 V。反射阻抗ΔZ越大，則削弱作用越強，輸出電壓越小。制作了一個塑料保持架以保證傳感器在不同周向位置的提離距離為0.5 mm不變。給傳感器輸入15 V直流電壓，使用萬用表測量傳感器置于彎頭不同周向位置時的輸出電壓值，其結果如圖10所示。可看出，傳感器從彎頭內側往外側移動時，輸出電壓的幅值逐漸增大，間接反映了反射阻抗逐漸減小的規律，這與圖6(a)所示的阻抗的變化規律一致，從而驗證了上文仿真結論的正確性。

圖9　渦流檢測平臺外觀

圖10　傳感器輸出電壓隨檢測位置的變化 4　結論

通過建立放置式渦流探頭檢測不銹鋼管道彎頭的有限元模型，分析了彎頭處彎曲半徑及周向檢測位置的變化對探頭反射阻抗的影響，并進行了試驗驗證，得出以下結論：彎曲半徑增大時，反射阻抗幅值的變化量增大，相位則減小；探頭從彎頭內側往外側移動時，反射阻抗幅值的變化量逐漸減小，而相位則增大。這兩種現象都是由于探頭到管壁的平均提離發生了改變而引起的。試驗結果對提高鍋爐管彎頭渦流檢測結果的準確性具有一定的指導意義。后續進一步的工作將探討對彎頭渦流檢測結果的補償方法及探頭傾斜的影響等內容。

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The Influence of the Elbow Surface of Boiler Tube on Eddy Current Probe′s Impedance

LI Hai-chao，XU Zhi-yuan，LIN Zhang-peng，LIAO Ya-hua

(School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

The complex structure of elbow surface is the main difficulty which hampers eddy current technique being conducted on boiler tube elbow. Therefore, in order to improve the detection accuracy, it is of great significance to study the influence of the elbow surface on probe’s impedance. In this paper, the finite element model of a pancake probe-coil over a stainless steel tube elbow was established. Influences of the variations of the pipe’s curvature radius and the probe′s circumferential detecting position on the probe’s reflected impedance were respectively studied. Also, an experiment validation of the simulation was conducted. The results are as follows: (i) as the radius of curvature increases, the variation of the reflected impedance amplitude increases but the impedance phase decreases. (ii) as the probe is moved from the inner side of the elbow to the outer side, the variation of the reflected impedance amplitude decreases but the impedance phase increases.

Eddy current testing; Boiler tube; Elbow; Impedance; Finite element method

2015-03-19

國家自然科學基金資助項目(51505406);湖南省教育廳資助科研項目(15C1323)

李海超(1989-),男,碩士研究生,主要從事電渦流無損檢測技術的研究。

10.11973/wsjc201510013

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0056-04