燃氣管道電渦流裂紋檢測仿真研究

曹建樹，王鵬智，吳浩玚，紀衛(wèi)克

(北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617)

1 引言

隨著中國天然氣市場迎來爆發(fā)式增長，燃氣管道使用率與日俱增[1]。《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出，在“十三五”期間，目標新增油氣管道總里程為5.7×104km，年增長超過1×104km[2-3]。為保障燃氣管道正常工作，避免發(fā)生事故和不必要的資源浪費，需對管道進行損壞排查和維護工作。多頻渦流檢測是燃氣管道渦流檢測的新興技術，相比其它檢測技術具有非接觸、檢測速度快、成本低、無需耦合劑等優(yōu)點[4-8]，對于燃氣管道無損檢測具有重要意義。

電渦流傳感器是渦流檢測的核心部件，提離值、激勵頻率等檢測參數(shù)會直接影響電渦流傳感器的檢測性能。由于各種金屬材料具有不同的磁導率、電導率等電磁特性，因此，利用Comsol有限元分析方法[9]，對不同材料管道進行多頻渦流檢測，本文以4340#鋼材料的金屬管道為研究對象，研究得出該檢測材料最優(yōu)提離值、激勵頻率等參數(shù)，此方法可有效降低試驗耗時、優(yōu)化檢測精度[10]。

本研究以電磁感應原理為基礎，采用有限元分析法，針對電渦流傳感器探頭的電磁特性、探頭線圈提離值、激勵頻率等物理參數(shù)進行仿真研究，為優(yōu)化電渦流傳感器用于燃氣管道疲勞裂紋檢測提供了理論依據(jù)[11]。

Comsol Multiphysics有限元仿真軟件，相比于其它模擬軟件更適用于多物理場耦合問題的求解。通過選擇或定義不同專業(yè)的偏微分方程進行任意組合即可實現(xiàn)多物理場的直接耦合分析[12]。本文所研究的渦流檢測為電場、磁場以及空氣場的三場耦合分析，以4340#鋼為材料的二分之一管道作為仿真對象，通過分析不同激勵頻率以及提離值等物理參數(shù)情況下管道外壁磁場、渦流場的變化規(guī)律，得出適用于4340#鋼為材料的金屬管道渦流檢測最優(yōu)參數(shù)，并使用Jentek senser渦流檢測系統(tǒng)進行試驗驗證，實際的檢測試驗結果與仿真結果一致。

2 電渦流傳感器檢測

2.1 電渦流傳感器工作原理

燃氣管道渦流無損檢測技術是目前檢測結果較精準的一種檢測方法。以電磁感應原理及麥克斯韋方程作為電磁場分析的基礎，利用交變電場做切割磁感線運動產生交變磁場，交變磁場分布在被測試件區(qū)域，從而形成渦流場，麥克斯韋方程組如式(1)—(4)所示。

(1)

(2)

?·B=0

(3)

?·D=ρ

(4)

式中H為磁場強度，J為電流面密度，D為導體表面電通量密度，E為電場強度，B為磁通密度，ρ為電荷體密度，式(1)為全電流方程的微分形式，也稱安培-麥克斯韋方程，表明空間某一點磁場的旋度等于電場強度與電流密度變化率的和。式(2)表明空間某一點電場的旋度等于磁感應強度的變化率。式(3)表明磁通密度B的散度恒為零。式(4)表明在時間變化率條件下，導體表明電通量密度恒為該點自由電荷體密度[13]。

電渦流傳感器工作原理如圖1所示，該渦流傳感器稱為柔性陣列式渦流傳感器，線圈分為初級繞組及次要繞組，線圈中通有電流ID。當線圈靠近被測金屬導體并按一定方向運動時，次要繞組周圍將產生磁場H，由電磁感應原理可知，此變化的磁場H會使被測金屬導體表面產生感應電流，即文中所述渦流場。與此同時，金屬導體表面產生的感應渦流又會產生新的交變磁場，并且削弱該磁場H的強度，導致次要繞組的阻抗產生波動。使用渦流檢測系統(tǒng)通過分析次要繞組阻抗波動情況得出金屬試件表面裂紋狀態(tài)。

圖1 電渦流傳感器工作原理

試件材料的電導率及磁導率是被測金屬表面產生的感應電流大小的主要影響因素。被測金屬表面存在疲勞裂紋時，其導電性能會產生變化，從而對渦流分布以及磁場密度產生影響，通過改變次要繞組中線圈的阻抗值進而改變檢測信號輸出的幅值、峰值以及相位。使用渦流檢測系統(tǒng)通過分析次要繞組阻抗波動情況得出金屬試件表面裂紋狀態(tài)。在本實驗研究過程中，著重探究提離值及激勵頻率對渦流檢測質量的影響。

2.2 電渦流傳感器激勵頻率影響

電渦流傳感器初級繞組及次級繞組通入交流電時，被測管道外表面產生感應電流，同時產生的感應渦流會感生出影響原本磁場阻抗值的磁場，由此可知管道上的電流將會分布不均，使得管道上深層渦流減少。尤其是在頻率較高的情況下，感應渦流大多分布在管道的表面上，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應。

趨膚深度在渦流檢測中意義重大，趨膚深度是將渦流密度衰減到其表面渦流密度的1/e時的密度，用δ表示：

(5)

如式(5)中可知，滲透深度與繞組上激勵頻率、被測金屬材料的電導率及磁導率成反比，若測量同一管道試件時，影響滲透深度的主要因素為激勵頻率。

如圖2、3所示，針對同一種被測材料，繞組輸入的激勵頻率越高，渦流的滲透深度越淺，反之越深。因此，電渦流傳感器檢測深度與檢測靈敏度不可兼得，需要控制在合適的范圍內才可提高檢測質量。

圖2 激勵頻率低時滲透深度

圖3 激勵頻率高時滲透深度

2.3 電渦流傳感器提離值影響

渦流檢測過程中，傳感器距被測管道表面的距離稱為提離值，提離值的變化將會引起傳感器阻抗值變化從而影響檢測結果的質量。

因此探究提離效應對檢測結果具有何種影響對優(yōu)化電渦流傳感器檢測精度具有較大意義。

3 電渦流傳感器建模

3.1 幾何模型

燃氣管道電渦流傳感器仿真模型如圖4所示，以被測管道實際尺寸建模，去管道二分之一進行模擬，空氣場等效為球體來建立，將柔性MWM陣列式渦流傳感器初級繞組及次級繞組等效為線圈，置于管道裂紋正上方。

圖4 電渦流傳感器建模

其中各個組成部分參數(shù)如下：空氣場半徑為100mm，繞組線圈主半徑為5mm，繞組線圈小半徑為1mm，被測金屬管道長度為60mm，管道外徑25mm，內徑20mm，被測管道厚度10mm，裂紋半徑0.5mm，深度1mm，提離距離1mm，繞組匝數(shù)500。

3.2 材料定義

模型建立完成后定義各項材料，其中，球型空氣場材料選擇air，繞組線圈選用的材料為copper，被測管道材料為4340#鋼，該材料膨脹系數(shù)小，導熱系數(shù)較高，密度均勻常用來做Comsol有限元仿真中的鐵磁性鋼板材料。材料具體各項參數(shù)如表1所示。

表1 材料各項參數(shù)

3.3 網格劃分

使用Comsol軟件對燃氣管道電渦流檢測時，選用低頻電磁場模塊中AC/DC(mf)添加物理場，對電渦流傳感器施加狄利克萊磁絕緣邊界條件，即磁矢勢為0。在磁場中選擇多匝線圈物理場，進而施加電場以及確定線圈的匝數(shù)等參數(shù)。其中在多匝線圈物理場中需給繞組添加幾何分析，確定線圈上1A交流電流的方向，具體如圖5所示。

圖5 繞組線圈電流方向

本文電渦流模型仿真過程中使用自由剖分四面體網格，系統(tǒng)自動將所選擇的區(qū)域劃分成無數(shù)個自由剖分四面體，由于本文所研究主要時繞組線圈以及被測金屬管道相關參數(shù)，需要對線圈和被測體劃分較小，因此最大單元尺寸選擇0.5mm。具體如圖6所示。

圖6 網格劃分

對模型進行求解設置，輸入激勵頻率1000Hz，經求解與后處理可得感應電流密度以及磁通密度模。如圖7、圖8所示。

從圖7中可得當激勵頻率為1000Hz時，被測管道感應電流密度最大值為1.2×106A/m2，位于線圈正下方裂紋附近，根據(jù)變形圖可知，線圈發(fā)生電磁感應原理使被測金屬管道表面的感應電流具有一定的滲透深度，而感應電流的密度與深度成反比。并且隨著金屬管道與通電線圈距離的增大，感應電流的密度也隨之減小，遠端幾乎為零。

圖7 電流密度模

如圖8所示，當激勵頻率為1000Hz所產生的磁感應強度B最大值為0.05T，線圈正下方裂紋附近的磁感應強度較大，其余部分逐漸減小。

圖8 磁通密度模

4 仿真分析及實驗驗證

4.1 激勵頻率對渦流檢測性能影響

渦流無損檢測過程中，線圈通入正線交變電流后會在管道表面形成感應電流，這種感應電流即為渦流，通常是首尾閉合的曲線。燃氣管道電渦流無損檢測過程中，激勵頻率f對檢測的精準性具有較大的影響。激勵頻率可以改變管道上渦流滲透深度、線圈的阻抗大小、以及磁感應強度的大小，因此分析不同激勵頻率對燃氣管道感應電流的影響對渦流檢測系統(tǒng)有著至關重要的意義。本文研究當激勵頻率分別為50Hz、100Hz、200Hz、500Hz以及1000Hz時被測金屬管道電渦流的分布情況及幅值變化情況。具體如圖9所示。

圖9 不同激勵頻率下被測管道電渦流分布

根據(jù)圖9可以得出，通電線圈正下方缺陷處感應電流密度最小，這是由于管道缺陷處屬于空氣層，無法感應到電流因此無法形成渦流場，管道缺陷處至管道遠端，金屬管道產生的感應電流密度先增大后減小，在線圈半徑對應管道中間位置處，金屬管道產生的感應電流密度最強。

隨著線圈激勵頻率的增長，被測金屬管道感應電流密度成倍增長，當激勵頻率為50Hz時，金屬管道表面最大感應電流為1.2×105，當激勵頻率為1000Hz時，金屬管道表面最大感應電流為1.2×106。

但是隨著感應電流的增大，電渦流滲透的深度卻在逐漸減小，即集膚深度在逐漸減小。模擬結果顯示，當激勵頻率分別為50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz時，集膚深度分別為3.86mm，2.72mm，1.88mm，1.13mm，0.79mm。

根據(jù)上述電渦流集膚深度計算公式驗證模擬深度值，式中：f為線圈激勵頻率，μ為被測金屬管道材料磁導率，σ為被測金屬管道材料電導率。將上述參數(shù)帶入公式可得各頻率集膚深度如下表2所示。

表2 不同頻率下集膚深度理論及模擬值

集膚深度模擬過程中產生的誤差在允許范圍內可忽略不計，并且模擬值集膚深度同理論值都具有一致的下降趨勢，因此可以得出理論計算結果與仿真結果一致。

激勵頻率不僅對被測金屬管道表面感應電流、集膚深度產生影響，還會影響通電繞組的電抗值與阻抗值。如圖10所示。

圖10 通電繞組電抗阻抗與激勵頻率關系

分析可得隨著通電繞組激勵頻率的增長，繞組的電阻值及電抗值同激勵頻率成正比。其中電抗值呈線性增長關系，而電阻值在低頻緩慢增長，激勵頻率越高時，增長比例越大。激勵頻率不但會影響被測金屬表面感應渦流強度，而且還會決定渦流在管道內滲透的深度，針對本文所研究的4340#管道材料，仿真分析及下文實驗分析可知當激勵頻率為100Hz時，可以在保障感應渦流強度的同時兼顧管道滲透深度，檢測效果最優(yōu)。

4.2 提離值對渦流檢測性能影響

燃氣管道電渦流無損檢測過程時，通電繞組與被測金屬管道的距離往往影響著檢測的質量，因此探究提離值對渦流檢測性能的影響具有重要意義。為研究不同提離值對于渦流無損檢測質量的影響，在激勵頻率為1000Hz，電流大小為1A，線圈匝數(shù)500各參數(shù)一定的情況下，選取以下不同大小的提離值：0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm，得出被測燃氣管道磁場分布如圖11所示。

圖11 提離值對渦流檢測的影響

如圖11(a)所示，當激勵頻率為1000Hz，提離值為0.5mm時，被測金屬管道因電磁感應原理產生的磁場最強，峰值達到0.06T，在管道裂紋處呈漣漪狀向管道末端擴張。隨著提離值a的逐步遞增，被測金屬管道整體磁場分布并無太大變化，但磁感應強度的最大值由0.06T逐步降低至0.03T左右，整體磁感應強度正逐步減小。隨著提離值的增長，被測金屬管道表面的磁感應強度逐漸衰弱。并且被測管道上感應電流密度峰值同時減小，降低的程度隨著提離值大小改變，表明管道上磁場強度正逐步降低，本文研究的4340#管道采用0.5mm提離值時，檢測效果最優(yōu)。

為驗證仿真結果采用Jentek Sensors渦流檢測系統(tǒng)進行了提離值影響實驗驗證。選用一段與模擬中材料一致的4340#鋼被測管道，采用電火花加工模擬出疲勞裂紋，如圖12所示。

圖12 渦流檢測實驗管道

為提高實驗結果的精準性，穩(wěn)定提離值的變化，在管道裂紋上方貼不同厚度的特氟龍膠布，厚度分別為0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm。使用該方法避免了檢測時提離值的波動，可以較好復現(xiàn)出模擬的真實情況，從而達到驗證模擬的目的。實驗結果如圖13所示。從圖(a)中可知該設備可以較好的完成金屬管道裂紋的檢測，可以明顯看出裂紋處磁場強度的變化。在管道四周處磁場強度最低，在裂紋處磁場強度最大。當提離值為0.5mm時，管道除裂紋處呈現(xiàn)藍綠色幅值為33.0，提離值為1mm時，管道呈現(xiàn)淺藍色幅值為32.5，提離值為1.5mm時，管道呈現(xiàn)紫色幅值為32，提離值為2mm時，管道呈現(xiàn)藍紫色幅值為31.5，提離值為2.5mm時，管道呈現(xiàn)紫色幅值為31。由此可見，隨著提離值的增大，金屬管道外表面除裂紋處的磁場強度呈現(xiàn)下降的趨勢，實驗研究與模擬結果一致。

圖13 渦流提離值實驗結果

5 結論

燃氣管道外表面疲勞裂紋是可能導致管道斷裂的危害性缺陷。通過有限元仿真與實驗研究，研究利用多頻渦流檢測技術使用柔性陣列式探頭檢測以4340#鋼為材料的管道外壁疲勞缺陷的問題，主要研究激勵頻率及提離值對該材料渦流檢測質量的影響。

1)仿真結果表明，管壁渦流疲勞裂紋檢測結果并非與輸入激勵頻率成正相關，而是針對不同金屬材料具有最優(yōu)參數(shù)。渦流檢測提離值與磁場強度成負相關。

2)渦流場的分布及其變化規(guī)律與磁場情況類同，檢測管壁疲勞裂紋時依據(jù)金屬材料選定最優(yōu)物理參數(shù)進行檢測可有效提高管壁渦流疲勞裂紋檢測質量，通過仿真分析得出本文所研究的4340#管道適用的最優(yōu)激勵頻率為100Hz、最優(yōu)檢測提離值為0.5mm。

3)實驗研究結果與仿真結果一致，得出了以4340#鋼為材料的管壁疲勞裂紋渦流檢測最優(yōu)參數(shù)，研究結果對于渦流無損檢測和管道探傷具有指導意義和參考價值。