基于CIVA仿真的電渦流檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化

陳健飛1，于成龍，王安泉3，周先軍

(1.中國(guó)石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心，東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266580;3.勝利油田檢測(cè)評(píng)價(jià)研究有限公司，東營(yíng) 257000)

渦流缺陷檢測(cè)是指利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)測(cè)量被檢工件內(nèi)感生渦流的變化來(lái)確定缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。為提高渦流檢測(cè)的效率,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者做了大量的研究，諸如通過(guò)有限元分析、理論推導(dǎo)等方法對(duì)傳感器的部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[1-8]，但還是缺乏整體、系統(tǒng)的參數(shù)研究。筆者運(yùn)用了CIVA仿真軟件，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的正交實(shí)驗(yàn)，較為全面地分析了不同影響因素發(fā)生變化時(shí)對(duì)最終結(jié)果的影響，并總結(jié)了不同因素的影響顯著性程度以及對(duì)結(jié)果波動(dòng)的貢獻(xiàn)率大小，最終提出了最優(yōu)的探頭尺寸參數(shù)，以及實(shí)際調(diào)試過(guò)程中不同參數(shù)的推薦調(diào)試順序。

1 電渦流傳感器CIVA軟件仿真模型

CIVA軟件作為新興的無(wú)損檢測(cè)仿真軟件，同傳統(tǒng)的有限元仿真軟件相比，更為專(zhuān)業(yè)，操作更為簡(jiǎn)潔。待測(cè)板材的材料參數(shù)如表1所示。

表1 待測(cè)板材材料參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)用CIVA軟件中的檢測(cè)模擬模塊(3D)，被測(cè)試件是尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為100 mm×100 mm×10 mm的板材，采用5 mm×0.2 mm×1 mm (長(zhǎng)×寬×深)的缺陷來(lái)模擬裂紋，缺陷位置位于板材表面，探頭位于板材有缺陷的表面一側(cè)。采用CIVA軟件中BEM方式下的自由劃分模式進(jìn)行缺陷網(wǎng)格劃分，具體劃分如圖1(a)所示。

圖1 仿真模型的網(wǎng)格劃分圖與掃描區(qū)域及掃描設(shè)置

探頭采用普通圓柱形線圈(不含鐵磁芯)，線圈與板材間設(shè)置為空氣域，探頭的掃描方式采用柵形方式，步數(shù)及步長(zhǎng)如圖1(b)所示。掃描需要確保掃描區(qū)域覆蓋缺陷區(qū)域。更改相關(guān)的檢測(cè)參數(shù)[9-10]，通過(guò)模擬仿真得出響應(yīng)電壓幅值來(lái)評(píng)價(jià)缺陷檢測(cè)的敏感度，響應(yīng)電壓幅值越大表明對(duì)缺陷越敏感。最終的仿真模型及模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真模型及模擬結(jié)果

2 正交實(shí)驗(yàn)

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)影響因子和水平的考察。筆者先選取合適的影響因子和水平，確定合適的正交表并完成實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)直觀分析法，方差分析法及貢獻(xiàn)率分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[11]。

2.1 探頭因素影響

針對(duì)與探頭相關(guān)的影響因素，在不考慮各因素之間交互作用的前提下，考慮5因子5水平正交實(shí)驗(yàn)，選用L25(56)正交表，因子水平表如表2所示。

表2 探頭因子水平表

用正交表L25(56)安排的實(shí)驗(yàn)共有25個(gè)不同水平的組合，在這些水平組合之下，保持激勵(lì)頻率500 kHz，激勵(lì)電流100 mA不變，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，統(tǒng)計(jì)各實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)電壓幅值，響應(yīng)電壓幅值越大，代表對(duì)缺陷越敏感，實(shí)驗(yàn)結(jié)果越好。

(1) 鉻鎳鐵合金(Inconel 600)板結(jié)果分析

對(duì)25次缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果(響應(yīng)電壓幅值的平均值)的直觀分析計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，對(duì)鐵合金板而言，最優(yōu)的水平組合為A4B5C2D5E1，其與25個(gè)實(shí)驗(yàn)中最好的水平組合A3B5C2D4E1(15號(hào)實(shí)驗(yàn))有所不同，所以增加了最優(yōu)組實(shí)驗(yàn)，模擬得到A4B5C2D5E1組合下的響應(yīng)電壓幅值為2 736.66 mV，大于15號(hào)實(shí)驗(yàn)1 553.67 mV的響應(yīng)電壓幅值，進(jìn)一步確定優(yōu)方案為A4B5C2D5E1。對(duì)于鐵合金板的缺陷檢測(cè)，最主要的影響因子為D(線圈匝數(shù))，其次是E(提離距離)，而該實(shí)驗(yàn)中的極差最小，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)誤差較小，實(shí)驗(yàn)可靠性高。

鐵合金板方差分析結(jié)果如表4所示(表中*代表在顯著性水平0.01上是顯著的，**代表在顯示性水平0.05上是顯著的)。

表3 鐵合金板直觀分析計(jì)算結(jié)果

表4 鐵合金板方差分析結(jié)果

從方差分析表可以看出，F(xiàn)D>F0.05(4,4)=6.39，F(xiàn)E>F0.01(4,4)=4.11，因子D與因子E分別在顯著性水平0.05和0.01上是顯著的，其他因子則不夠顯著。貢獻(xiàn)率的數(shù)據(jù)同樣說(shuō)明了因子D與因子E對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較大，貢獻(xiàn)率分別為56.38%和10.01%，因子A、B、C的貢獻(xiàn)度較小，而因子B的貢獻(xiàn)更是僅占到了1.02%，故可認(rèn)為因子A、B、C相對(duì)而言不重要。

(2) 鋁合金(Aluminum Alloy 2024)板結(jié)果分析

對(duì)鋁合金缺陷板，重復(fù)上面的正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣運(yùn)用直觀分析法進(jìn)行分析，得到優(yōu)方案為A4B3C2D5E1，影響程度為RD>RE>RA>RC>RB。在優(yōu)方案條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的響應(yīng)電壓幅值為2 482.144 mV。

方差分析法得到各因子的F比為：FA=4.27，F(xiàn)B=1.47，F(xiàn)C=4.23，F(xiàn)D=24.52，F(xiàn)E=6.47，同鐵合金板相比，因子D更加顯著，而因子E愈加趨近于顯著性水平0.05的臨界值。各因子的貢獻(xiàn)率分別為：A，7.80%;B,1.12%;C,7.69%;D,56.04%;E,13.05%；誤差e，14.30%。從貢獻(xiàn)率分析，因子D最為重要，同鐵合金板相比，因子E的貢獻(xiàn)率開(kāi)始提高，誤差的影響開(kāi)始減小。

(3) 銅(Cooper)板結(jié)果分析

同理可得到銅缺陷板的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直觀分析法得到的優(yōu)方案為A4B3C2D5E1，因子的影響程度為RD>RE>RA>RC>RB，同鋁合金缺陷板相比，其在優(yōu)方案與因子的影響程度上，基本無(wú)變化。在優(yōu)方案A4B3C2D5E1條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的響應(yīng)電壓幅值為2 454.78 mV。

方差分析法得到各因子的F比為：FA=4.74，F(xiàn)B=1.68，F(xiàn)C=4.59，F(xiàn)D=26.26，F(xiàn)E=7.25,各因子的貢獻(xiàn)率分別為：A,8.21%;B,1.50%;C,7.90%;D,55.48%;E,13.73%；誤差e，13.18%。同鐵合金與鋁合金板相比，銅板隨著材料電導(dǎo)率的增加，因子D(線圈匝數(shù))的貢獻(xiàn)率越來(lái)越小，因子E(提離距離)的貢獻(xiàn)率越來(lái)越大。

(4) 小結(jié)

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，得到不同材料缺陷板的檢測(cè)最優(yōu)探頭參數(shù)如表5所示。

綜上所述，對(duì)不同材料檢測(cè)時(shí)，探頭的尺寸參數(shù)受實(shí)際情況影響，本身可改變的范圍較小，所以在模擬時(shí)，探頭的尺寸參數(shù)對(duì)最終結(jié)果的影響較小。另外，線圈匝數(shù)的增加會(huì)使感應(yīng)磁場(chǎng)增強(qiáng)；提離距離越小，電渦流的強(qiáng)度越大。優(yōu)方案中，線圈匝數(shù)取最大值以及提離距離取最小值也是符合實(shí)際理論的。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合精度需求與實(shí)際工況，盡量取大的線圈匝數(shù)以及小的提離距離。

表5 不同材料缺陷檢測(cè)探頭的最優(yōu)參數(shù)表

2.2 其他因素影響

確定探頭的尺寸參數(shù)，使內(nèi)徑為1.6 mm，外徑為2.4 mm，高度為1.2 mm，線圈匝數(shù)為300。考慮3因子3水平正交實(shí)驗(yàn)，選用L9(34)正交表，因子水平表[12-15]如表6所示。

表6 因子水平表

對(duì)鐵合金的直觀分析結(jié)果(響應(yīng)電壓幅值的平均值)如表7所示。

從表7可以看出，對(duì)于激勵(lì)頻率與激勵(lì)電流值應(yīng)該盡量取大，提離距離盡量取小，提離距離的選擇對(duì)應(yīng)了探頭因素實(shí)驗(yàn)中提離距離的選擇。從直觀分析可以看出，影響程度RX>RY>RZ。對(duì)于鋁合金與銅板的直觀分析，結(jié)果基本上與鐵合金板的相同，優(yōu)方案取X3Y3Z1，因子間的影響程度大小也相同，同樣為RX>RY>RZ。

對(duì)鐵合金的方差分析結(jié)果如表8所示。

表7 鐵合金板直觀分析結(jié)果

表8 鐵合金板方差分析結(jié)果

從表8可以看出，因子X(jué)、Y、Z同樣在0.05顯著性水平上顯著,各因子的貢獻(xiàn)率也分別達(dá)到了43.97%,28.54%和25.00%，誤差e1的貢獻(xiàn)率相比其他因子的小，可以認(rèn)為誤差在此次實(shí)驗(yàn)中起到的作用可以忽略。對(duì)鋁合金板與銅板的方差分析結(jié)果基本相同，兩次試驗(yàn)的各因子同樣在0.05顯著性水平上顯著。鋁合金板各因子的貢獻(xiàn)率分別為：因子X(jué)，31.18%；因子Y,34.28%;因子Z,32.92%；誤差e1,0.6%。對(duì)于銅板，各因子的貢獻(xiàn)率為:因子X(jué),29.37%;因子Y,34.93%;因子Z,34.25%;誤差e1,1.45%。隨著被測(cè)工件電導(dǎo)率的增大，因子X(jué)(激勵(lì)頻率)的貢獻(xiàn)越來(lái)越小，因子Y(激勵(lì)電流)和因子Z(提離距離)的貢獻(xiàn)越來(lái)越大，提離距離貢獻(xiàn)率的增大驗(yàn)證了之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

不同材料時(shí)，各影響因子對(duì)檢測(cè)結(jié)果的貢獻(xiàn)度如圖3所示。

圖3 不同材料時(shí)，各影響因子對(duì)檢測(cè)結(jié)果的貢獻(xiàn)率

綜上所述，在實(shí)際測(cè)試中，為使設(shè)備最快達(dá)到最佳測(cè)試狀態(tài)，各參數(shù)的調(diào)節(jié)先后順序?yàn)椋簩?duì)于鐵合金板為因子X(jué),Y,Z；對(duì)于鋁合金板，為因子Y,Z,X；對(duì)于銅板，為因子Y,Z,X。

3 結(jié)論

(1) 基于電渦流方法對(duì)金屬板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，探頭自身的尺寸參數(shù)相對(duì)其他參數(shù)，其可調(diào)節(jié)的范圍不大，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的貢獻(xiàn)率相對(duì)較小；而調(diào)節(jié)較為方便的激勵(lì)頻率、激勵(lì)電流、提離距離等參數(shù)，對(duì)最終結(jié)果影響的貢獻(xiàn)率較大。在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇較大的激勵(lì)頻率、激勵(lì)電流、線圈匝數(shù)以及較小的提離距離。

(2) 隨著被測(cè)試件電導(dǎo)率的增加，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響比較大的幾個(gè)因素中，激勵(lì)頻率與線圈匝數(shù)的貢獻(xiàn)率越來(lái)越小，激勵(lì)電流與提離距離的貢獻(xiàn)率越來(lái)越大。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，可優(yōu)先調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)率大的參數(shù)，以節(jié)省調(diào)參時(shí)間。

(3) 在其他影響參數(shù)確定的情況下，探頭內(nèi)徑與探頭高度對(duì)最終結(jié)果的影響較大，在文中正交實(shí)驗(yàn)給出的探頭尺寸參數(shù)中，可優(yōu)先選擇探頭內(nèi)徑為1.6 mm，探頭高度為1.2 mm的尺寸，而探頭外徑與這兩者相比，貢獻(xiàn)度較小，可認(rèn)為不重要，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選擇。