基于有限元法的混合勵磁漏磁檢測勵磁源耦合分析*

孫立強(qiáng) 解 明 朱紅波 王 迪 魏耀東 周永新

(1.中國石油大學(xué)(北京)；2.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

基于有限元法的混合勵磁漏磁檢測勵磁源耦合分析*

孫立強(qiáng)**1,2解 明1,2朱紅波2王 迪2魏耀東1周永新2

(1.中國石油大學(xué)(北京)；2.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

分析了儲罐底板漏磁檢測過程中混合勵磁源的耦合問題。采用ANSYS有限元分析軟件建立混合勵磁源磁化過程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到混合勵磁中電磁安匝數(shù)和永磁鐵厚度對勵磁效果的影響，分析了混合勵磁裝置對不同壁厚底板的磁化效果，確定所采用的混合勵磁結(jié)構(gòu)達(dá)到檢測要求時底板厚度和電磁安匝數(shù)的關(guān)系。

儲罐底板 漏磁檢測 勵磁源 耦合 有限元

隨著石油化工工業(yè)的迅速發(fā)展，儲罐的需求量日益增加，隨之而來的安全問題也倍受關(guān)注。儲罐的罐底是最易腐蝕的部位，需進(jìn)行經(jīng)常性的缺陷檢測[1]。漏磁檢測因低成本、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)在儲罐底板、管道等的無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。漏磁檢測的核心是被測工件的磁化，目前普遍采用單一勵磁方式對被測工件進(jìn)行磁化(直流線圈勵磁或永久磁鐵勵磁)。直流線圈勵磁會產(chǎn)生一定熱量，且通入電流越大，發(fā)熱越多，一般需要較大體積的磁化器才能使試件磁化至飽和，使缺陷處產(chǎn)生漏磁場[3]。永磁鐵由于尺寸固定，磁化能力固定不變，對不同厚度工件磁化時，有時不能使厚板磁化飽和，有時勵磁強(qiáng)度過大，磁化結(jié)構(gòu)與工件吸力過大，操作困難，所以需采用多種不同尺寸結(jié)構(gòu)的永磁鐵方能滿足要求。筆者在漏磁檢測原理的基礎(chǔ)上，探討了一種直流電磁線圈與永久磁鐵相結(jié)合的混合勵磁磁化方法。采用有限元數(shù)值模擬分析電磁和永磁的耦合問題，主要分析混合勵磁中電磁安匝數(shù)、永磁鐵厚度等對勵磁效果的影響，及混合勵磁裝置對不同壁厚底板的磁化效果，為混合勵磁磁化法的儲罐底板漏磁檢測儀器設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用提供一定基礎(chǔ)依據(jù)。

1 漏磁檢測原理與混合勵磁磁化

漏磁檢測是用磁化部件把待檢工件磁化后，通過探頭采集缺陷處產(chǎn)生的畸變磁力線(漏磁場)來檢測鐵磁材料工件表面和近表面缺陷的一種無損檢測方法[4]，原理如圖1所示。要實(shí)現(xiàn)對工件的檢測，前提是工件要先被磁化到飽和或近飽和狀態(tài)[5]，如圖2所示，外界勵磁源提供的磁化場強(qiáng)度不夠強(qiáng)時，缺陷處不會出現(xiàn)漏磁場，只有外界勵磁源把工件磁化到一定程度時，缺陷處才會有漏磁場產(chǎn)生，探頭可以接收到這些漏磁場，從而判斷缺陷的存在與否和嚴(yán)重程度。

圖1 漏磁檢測原理示意圖

圖2 不同磁飽和度時缺陷處磁力線分布

混合勵磁磁化是電磁與永磁勵磁兩種勵磁源的相互作用，共同實(shí)現(xiàn)勵磁任務(wù)，是對單一勵磁概念的整合與延伸[6]。筆者將混合勵磁思想應(yīng)用于儲罐底板漏磁檢測領(lǐng)域中，對圖1中的磁化部件部分采用圖3所示的直流線圈與永磁磁化相結(jié)合的磁化方法，在永磁體提供一定的磁化場的基礎(chǔ)上，通過改變直流線圈中電流來調(diào)節(jié)磁化場的大小。當(dāng)被檢測的儲罐底板較薄的時候，利用永磁鐵勵磁即可將被檢測底板磁化飽和；當(dāng)板厚增加，永磁鐵不能使被檢測儲罐底板磁化飽和的時候，將直流線圈通電，采用電磁永磁勵磁法使被檢測底板磁化飽和，進(jìn)而進(jìn)行檢測。

圖3 混合勵磁磁化部件

2 混合勵磁漏磁檢測勵磁源耦合有限元分析

應(yīng)用ANSYS14.0對混合勵磁的磁化部件、帶缺陷的檢測平板建立數(shù)值模擬模型。主勵磁部分采用U形磁軛線圈勵磁，輔助勵磁部分采用在U形磁軛中加入一定厚度永久磁鐵(后續(xù)分析確定)，永磁磁場與電勵磁磁場形成一個串聯(lián)磁路，實(shí)現(xiàn)對待磁化構(gòu)件的磁化。數(shù)值模型通過定義單元類型、材料屬性后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示，再經(jīng)過加載、定義邊界條件和求解等過程完成對檢測過程的有限元仿真模擬，模擬后可通過提取模型中缺陷處漏磁場相關(guān)參量進(jìn)行分析。

圖4 混合勵磁漏磁檢測有限元仿真模型

2.1單一勵磁源與混合勵磁源對比分析

為分析在單一勵磁方法勵磁下和混合勵磁法勵磁缺陷處漏磁場的分布情況，筆者以6mm檢測鋼板為檢測對象，鋼板上缺陷直徑6mm，深度50%板厚，即3mm，分別建立電磁勵磁(U形磁軛中無永磁鐵，安匝數(shù)5 000)、永磁鐵勵磁(永磁鐵厚度初定8mm，線圈中電流為0)和相同條件下二者混合勵磁3種不同的勵磁部件的數(shù)值模擬模型，進(jìn)行有限元計(jì)算，提取計(jì)算結(jié)果中相同缺陷上方1mm處的漏磁場空間分布，圖5、6為3種勵磁部件磁化條件下缺陷漏磁場水平分量和垂直分量空間分布對比圖[7]。可以看出， 3種勵磁部件進(jìn)行磁化時，缺陷處都有漏磁場產(chǎn)生，混合勵磁部件磁化過程缺陷處漏磁場幅值最強(qiáng)，說明該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電磁和永磁勵磁共用一個磁路，充分利用電勵磁調(diào)節(jié)方便和永磁鐵磁化強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，在勵磁效果上實(shí)現(xiàn)二者的疊加。

圖5 不同磁化結(jié)構(gòu)下缺陷漏磁場水平分量分布曲線

圖6 不同磁化結(jié)構(gòu)下缺陷漏磁場垂直分量分布曲線

圖7所示的混合勵磁條件下有限元分析結(jié)果中的磁場強(qiáng)度矢量圖也顯示，在二者共同作用時，磁力線在U形磁軛中穿過，與檢測工件形成閉合回路，并在缺陷處有漏磁場溢出。但是在勵磁過程中需要注意線圈中電流方向，保證二者磁場方向一致。

圖7 磁場強(qiáng)度矢量圖

2.2永磁鐵尺寸對缺陷漏磁場影響

為了確定所需永久磁鐵的尺寸(主要指永磁鐵厚度，因仿真模型中的寬度和長度尺寸都已經(jīng)確定)，采用有限元分析方法，確定采取多大厚度的永久磁鐵能滿足對工件的初步磁化。按2.1節(jié)有限元分析模型，線圈中電流設(shè)置為0，改變永磁鐵的厚度，提取缺陷處漏磁場參量，分析不同永磁鐵尺寸對缺陷漏磁場的影響。

圖8給出的是在電磁線圈不通電流，改變模型中永磁鐵厚度時對壁厚為4mm的底板，直徑為6mm，深度為50%壁厚的缺陷有限元模擬結(jié)果，得到不同厚度永磁鐵缺陷漏磁場水平分量分布曲線。

圖8 不同厚度永磁鐵缺陷漏磁場水平分量分布曲線

由圖8可以看出，在底板厚度和缺陷尺寸一定情況下，當(dāng)磁鐵厚度小于8mm時，缺陷處漏磁場的強(qiáng)度隨著模型中永磁鐵的厚度的增加而增大；但是當(dāng)磁鐵厚度大于10mm時，磁鐵厚度繼續(xù)增加，缺陷處漏磁場強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)橛来盆F厚度為10mm時，厚度為4mm的鋼板已經(jīng)被磁化至飽和。而常見的儲罐底板厚度一般為4～10mm,一般邊緣板又較中幅板厚，所以為了混合勵磁提供一定的初步磁化，確定磁鐵的厚度為10mm，這樣在壁厚小于或等于4mm時可以不用外加電流就可完成缺陷檢測，當(dāng)板厚增加時，就可借助電磁線圈中通入一定電流，實(shí)現(xiàn)對檢測底板磁化至飽和以不影響檢測效果。

2.3電磁安匝數(shù)對缺陷漏磁場影響

保持永磁鐵尺寸固定不變(厚度為10mm)，線圈安匝數(shù)設(shè)定為不同值，以10mm鋼板為檢測對象，鋼板上建立直徑6mm，深度50%板厚的圓柱形缺陷，進(jìn)行數(shù)值模擬時，分別對混合勵磁部件中電磁線圈部分的安匝數(shù)設(shè)定為0、4 000、8 000、12 000和16 000。計(jì)算得到如圖9所示的不同安匝數(shù)時缺陷上方1mm處漏磁場水平分量分布曲線。

圖9 不同安匝數(shù)缺陷漏磁場水平分量分布曲線

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)對于10mm厚的鋼板，混合勵磁漏磁檢測中安匝數(shù)對缺陷處漏磁場分布存在影響。當(dāng)安匝數(shù)為0時，即只有永磁鐵勵磁情況下，產(chǎn)生的磁通量密度水平分量較小，隨著安匝數(shù)的增大，永磁鐵和線圈共同完成勵磁，缺陷漏磁場磁通量密度水平分量逐漸增大，但當(dāng)安匝數(shù)大于10 000后，繼續(xù)增加安匝數(shù)時，漏磁場分量的幅值基本保持穩(wěn)定。這是由于10mm厚鋼板在永久磁鐵和電磁安匝數(shù)10 000安匝共同作用下已被磁化至飽和。

2.4底板厚度對缺陷漏磁場影響

筆者設(shè)計(jì)的混合勵磁部件中永磁鐵能使4mm的被測平板磁化到飽和狀態(tài)，當(dāng)板厚增加時，需要借助直流電線圈一起勵磁才能使磁化飽和。為了研究在相同情況下，被測底板厚度對缺陷處漏磁場空間分布的影響，在勵磁部件不變的情況下，設(shè)定安匝數(shù)為5 000，取板厚分別為4.0、6.0、8.0、10.0、12.5、15.0mm的6種底板為檢測對象，每塊板上設(shè)置直徑為6mm，深度為50%板厚的圓柱形缺陷。利用ANSYS14.0軟件分別計(jì)算并提取每塊鋼板缺陷上方1mm處的漏磁場空間分布，6塊板缺陷上方提取出的磁通量密度的水平分量如圖10所示。

圖10 不同板厚缺陷漏磁場水平分量分布曲線

從圖10中可以看出，被測板厚在漏磁檢測過程中對檢測結(jié)果存在影響。在其他條件都相同的前提下，隨著底板厚度的增加，尤其厚度大于8mm后，水平分量幅值成近似線性減小趨勢，出現(xiàn)的這一現(xiàn)象主要由被測底板的磁化飽和度不同所致，板厚的增加會導(dǎo)致被測底板磁化飽和度的下降，磁信號也就減弱。

在板厚不大于8mm的3塊平板上模擬檢測時，缺陷漏磁場的幅值比較接近，說明在此安匝數(shù)下的混合勵磁部件可以使3塊底板磁化到近飽和狀態(tài)。在板厚大于10.0mm的底板模擬檢測時，缺陷漏磁場的幅值差別較大，是因?yàn)樵谏鲜龌旌下┐艞l件下沒有達(dá)到磁飽和，當(dāng)板厚增加時，可通過加大勵磁電流的方法來增強(qiáng)整個磁化結(jié)構(gòu)的勵磁能力，保證使比較厚的被測底板被磁化到飽和或近飽和。

根據(jù)不同板厚、不同安匝數(shù)下漏磁信號的分布情況，可得到混合勵磁下(永磁鐵厚度10mm)使不同板厚達(dá)到磁飽和時的安匝數(shù)(表1)。這個關(guān)系對基于混合勵磁的漏磁檢測缺陷量化提供一定幫助，為以后現(xiàn)場應(yīng)用提供一定依據(jù)。

表1 混合勵磁條件下不同厚度底板 磁飽和所需的安匝數(shù)

3 結(jié)束語

混合勵磁磁化方法中電磁和永磁勵磁共用一個磁路，可通過調(diào)節(jié)安匝數(shù)來適應(yīng)不同的底板厚度。確定了混合勵磁部件中永磁鐵的適合尺寸，通過分析安匝數(shù)和底板厚度兩項(xiàng)影響混合勵磁磁化效果的因素，得到漏磁信號分布特性與底板厚度、磁化線圈安匝數(shù)之間的關(guān)系，對后續(xù)基于混合勵磁法的漏磁檢測儀器的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

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ExcitationSourceCouplingAnalysisinMagneticFluxLeakageDetectionBasedontheFiniteElementMethod

SUN Li-qiang1,2, XIE Ming1,2, ZHU Hong-bo2, WANG Di2, WEI Yao-dong1, ZHOU Yong-xin2

(1.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.KaramayVocationalTechnicalCollege,Karamay834000,China)

The coupling of hybrid excitation source in magnetizing the magnetic flux leakage testing of the tank bottom plate was analyzed; and ANSYS software was adopted to establish mathematical model of the hybrid excitation source magnetization process so as to calculate electromagnetic ampere turn in the hybrid excitation and the influence of permanent magnet thickness on the excitation effect as well as the mixed excitation device’s magnetization effect on the bottom plate boasting of different wall thicknesses, including the determination of the relationship between electromagnetic ampere turn and bottom plate’s thickness when hybrid excitation structure adopted satisfies the detection requirements.

tank bottom plate, magnetic flux leakage testing, excitation source, coupling, finite element

**孫立強(qiáng)，男，1986年10月生，講師。北京市，102249。

*新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015211B003)。

TQ053.2

A

0254-6094(2016)05-0660-05

2016-02-21)