閆貝,李勇,2,李達,劉相彪,李一力,陳振茂,2,王鈞

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室, 陜西 西安 710049;2.西安交通大學 核能結構安全檢測與完整性評價研究中心, 陜西 西安 710049;3.中航飛機股份有限公司 西安制動分公司, 陜西 西安 710075)

脈沖調制渦流檢測金屬構件亞表面腐蝕缺陷研究

閆貝1,李勇1,2,李達1,劉相彪1,李一力1,陳振茂1,2,王鈞3

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室, 陜西 西安 710049;2.西安交通大學 核能結構安全檢測與完整性評價研究中心, 陜西 西安 710049;3.中航飛機股份有限公司 西安制動分公司, 陜西 西安 710075)

亞表面腐蝕缺陷嚴重影響在役裝備關鍵金屬構件的完整性。本文提出一種新型脈沖渦流檢測技術,即脈沖調制渦流檢測技術,探究該技術在金屬構件亞表面腐蝕缺陷檢測和評估中的技術優(yōu)勢。首先,基于退化磁矢位法,建立了脈沖調制渦流檢測金屬構件亞表面腐蝕缺陷的高效有限元仿真模型,仿真分析了脈沖調制渦流檢測信號及其特征與金屬構件亞表面腐蝕缺陷深度間的關聯(lián)規(guī)律,探究了該技術的優(yōu)勢性。同時,搭建了脈沖調制渦流/脈沖渦流雙檢測試驗系統(tǒng),通過試驗,進一步探究兩種技術在金屬構件亞表面腐蝕缺陷檢測中的優(yōu)劣,試驗結果驗證了仿真分析結論。研究表明,對于金屬構件亞表面腐蝕缺陷檢測,脈沖調制渦流檢測技術較脈沖渦流檢測技術,具有更高的靈敏度。

電磁無損檢測; 脈沖調制渦流檢測; 亞表面腐蝕缺陷; 有限元仿真; 靈敏度分析

由于腐蝕、溫差、流動等復雜服役環(huán)境,在役裝備的關鍵金屬構件中易出現(xiàn)亞表面腐蝕缺陷[1-4],由于其隱蔽性不易檢出,故該類缺陷對結構質量和裝備安全危害性極大。為了保障設備安全運行,對在役金屬構件亞表面腐蝕缺陷進行無損檢測和評估至關重要。

傳統(tǒng)脈沖渦流檢測技術[5-7](Pulsed Eddy Current Testing,PEC)通常采用方波電流信號作為激勵,可在一次激勵下獲取金屬構件不同深度的完整性信息。

為了解決方波激勵信號能量分配問題,本文提出基于脈沖調制波[8-10]激勵的新型脈沖渦流檢測技術,即脈沖調制渦流檢測技術(Pulse-Modulation-Based Eddy Current Technique,PMEC),該技術繼承了傳統(tǒng)脈沖渦流檢測技術的優(yōu)勢,同時也避免了激勵信號直流成分和低頻諧波成分占據(jù)大部分激勵能量的弱點,能夠將激勵能量有效分配給能有效覆蓋金屬被測體內部的渦流場所對應的激勵諧波成分,可有效改善檢測系統(tǒng)的信噪比并提升檢測靈敏度。通過本研究組開發(fā)的退化磁矢位法(AR法)對脈沖調制渦流檢測進行仿真,探究了其在金屬構件亞表面腐蝕缺陷檢測中的技術優(yōu)勢,并集中在檢測靈敏度方面與傳統(tǒng)脈沖渦流檢測技術進行了對比與討論。

1 脈沖調制渦流檢測有限元仿真

1.1 基于AR法的脈沖調制渦流檢測有限元仿真模型

針對脈沖調制渦流檢測的仿真分析,本文基于退化磁矢位法(AR)[11],對原有的脈沖渦流檢測高效仿真模型[12-13]進行修改和補充,以建立脈沖調制渦流檢測高效有限元計算模型。

在脈沖調制渦流檢測有限元分析中,計算區(qū)域(如圖1所示)由導體區(qū)域和非導體區(qū)域構成,而非導體區(qū)域由衰減區(qū)域、混合區(qū)域和正常區(qū)域構成。其中,變形矢量磁位Ar為衰減區(qū)域;Ar與As(僅與電流源相關)為混合區(qū)域;通常矢量磁位A=Ar+As為正常區(qū)域;正常區(qū)域包含了導體區(qū)域。

AR方法的控制方程如下。

衰減區(qū)域和混合區(qū)域控制方程為:

×Ar=0

(1)

仿真使用棱邊元,規(guī)范條件為φ=0,則正常區(qū)域和導體區(qū)域控制方程為:

(2)

AR方法的邊界條件為式(3)～(4):

(3)

(4)

采用六面體棱邊元方法對上述控制方程(1)、(2)進行離散處理,瞬態(tài)問題通過Crank-Nicholson直接積分法解決,可得低頻電磁場控制方程為:

(5)

式(5)中I(t)為暫態(tài)激勵電流信號,[K],[C],[M]是全局系數(shù)矩陣。由傅立葉變換可知,將不同頻率的正弦電流信號疊加可得脈沖調制渦流激勵電流信號:

(6)

(7)

1.2 脈沖調制渦流檢測有限元仿真實例

為進一步探究金屬構件亞表面腐蝕缺陷的脈沖調制渦流檢測,本文結合前述脈沖調制渦流檢測有限元仿真模型,建立脈沖調制渦流檢測金屬構件亞表面腐蝕缺陷有限元仿真模型,如圖2所示。

在該模型中,檢測探頭由盤式激勵線圈和磁場傳感器組成,激勵線圈內徑為9.07 mm,外徑為11.95 mm,高為26.26 mm,匝數(shù)為1 600,設計提離為0.5 mm。磁場傳感器放置于激勵線圈底部中心位置,用于拾取暫態(tài)磁場信號。被測試件材質為鋁,其電導率為34 MS/m,相對磁導率為1,無缺陷試件的尺寸為100 mm×100 mm×5 mm。由于金屬構件腐蝕缺陷一般面積較大(遠大于檢測探頭有效覆蓋面積),因此可將其視為金屬構件在厚度方向上的減薄。模型中,設定腐蝕缺陷為下表面缺陷,缺陷深度為1～4 mm。

為了比較在金屬亞表面腐蝕缺陷檢測中兩種技術的優(yōu)劣,在脈沖調制渦流檢測仿真的同時,對同一檢測對象的脈沖渦流檢測進行了仿真,設定兩者激勵電流信號峰值為1 A、占空比為0.5,脈沖渦流激勵電流信號基頻f與脈沖調制渦流調制波頻率fm相同均為20 Hz,脈沖調制渦流載波頻率fc為200 Hz,脈沖調制渦流檢測與脈沖渦流檢測的激勵電流信號如圖3所示。

通過仿真,在獲得檢測信號之后,以無缺陷試件信號作為基準,可得不同深度腐蝕缺陷的脈沖調制渦流/脈沖渦流差分信號,如圖4所示。由圖4可見,差分信號具有明顯的峰值特征,因此,對于脈沖渦流差分信號和脈沖調制渦流差分信號,均提取其差分信號極值作為檢測信號特征量。

為了對比脈沖渦流檢測與脈沖調制渦流檢測對亞表面腐蝕缺陷深度變化的響應靈敏度,在提取差分信號極值之后,采用下式,對兩種檢測技術進行靈敏度分析。

(8)

其中,i=1,2,3,4(不同深度的腐蝕缺陷);ΔBi為不同深度腐蝕缺陷脈沖調制渦流/脈沖渦流差分信號極值;BJ為脈沖調制渦流/脈沖渦流基準信號極值;Si體現(xiàn)了不同深度腐蝕缺陷脈沖調制渦流/脈沖渦流差分信號極值相對其基準信號的變化,即為靈敏度。

為了研究脈沖渦流基頻、脈沖調制渦流調制波頻率和載波頻率對檢測信號及靈敏度的影響,仿真中,以上參數(shù)可變,不同參數(shù)的靈敏度分析結果,如圖5所示。

由圖5可見: ①在金屬構件亞表面腐蝕缺陷深度的評估中,脈沖渦流基頻對檢測靈敏度影響較小,脈沖調制渦流檢測靈敏度主要受其載波頻率的影響; ②在一定頻率范圍內,提高脈沖調制渦流載波頻率,可有效提升檢測靈敏度; ③脈沖調制渦流信號具有比脈沖渦流信號更高的檢測靈敏度。

2 脈沖調制渦流檢測金屬亞表面腐蝕缺陷的試驗研究

2.1 脈沖調制渦流/脈沖渦流雙檢測試驗系統(tǒng)

為了進一步驗證脈沖調制渦流檢測技術在金屬亞表面腐蝕缺陷檢測中的優(yōu)勢,本文進行了相關試驗研究。圖6所示為試驗系統(tǒng)框圖,該系統(tǒng)可實現(xiàn)脈沖調制渦流檢測和脈沖渦流檢測。試驗系統(tǒng)主要包括檢測探頭(激勵線圈和磁場傳感器)、信號發(fā)生器(Tektronix AFG3022C)、功率放大器、濾波放大器、高速數(shù)據(jù)采集卡和計算機。其中,激勵線圈的參數(shù)為:內徑9.07 mm,外徑11.95 mm,高26.26 mm,匝數(shù)1600,線徑0.2 mm。在激勵線圈底部中心位置放置TMR傳感器[14](MultiDimension MMLP57F),用于拾取總磁場垂直于試件表面的分量信號。

信號發(fā)生器用以產(chǎn)生脈沖調制渦流/脈沖渦流激勵信號,為了有效驅動激勵線圈,將幅值為0.4 V的激勵信號放大10倍之后驅動激勵線圈工作。磁場傳感器輸出信號經(jīng)過截止頻率為30 kHz的低通濾波后由信號放大器放大10倍,然后通過數(shù)據(jù)采集卡(ADLINK PCI-9812)進行采集和數(shù)字化,最后由LabVIEW對試驗信號進行處理和分析。為了模擬金屬構件亞表面腐蝕缺陷,試驗中采用如圖7所示試件:在500 mm×100 mm×5 mm的鋁板上加工長為100 mm,寬為100 mm,深度為1～4 mm腐蝕缺陷。

2.2 試驗結果及分析

以試件無缺陷部位的磁場信號作為基準信號,可得不同深度腐蝕缺陷的ΔBi和BJ。由公式(8)可計算得到Si,如圖8所示,試驗結果與仿真結果基本一致。

由圖8可見:1)由于脈沖渦流激勵信號基頻主要影響其檢測信號頻寬,因此脈沖渦流檢測信號對金屬亞表面腐蝕缺陷響應靈敏度受其基頻影響較小,同理,脈沖調制渦流檢測信號對金屬構件亞表面腐蝕缺陷響應靈敏度受其激勵信號調制波頻率影響較小;2)對于脈沖調制渦流檢測信號,其能量主要集中于以載波頻率為中心頻率的一定頻寬范圍內,當載波頻率升高時,其諧波成分在被測金屬構件表層感應的渦流強度提高,渦流場對金屬構件亞表面腐蝕缺陷響應增強,因此在一定范圍內提高載波頻率,脈沖調制渦流檢測信號對金屬構件亞表面腐蝕缺陷響應更為靈敏;3)在金屬構件亞表面腐蝕缺陷檢測中,相比脈沖渦流檢測信號,脈沖調制渦流檢測信號具有更高的檢測靈敏度。

3 結 論

1) 通過建立的脈沖調制渦流有限元模型，仿真獲得金屬構件亞表面腐蝕缺陷脈沖調制渦流檢測信號，并提出差分信號極值作為信號特征量對亞表面腐蝕缺陷進行評估。研究了脈沖調制渦流調制波頻率和載波頻率、脈沖渦流基頻對檢測靈敏度的影響，進一步探究了脈沖調制渦流檢測技術在金屬構件亞表面腐蝕缺陷定量評估中的優(yōu)勢。

2) 通過試驗，研究了脈沖調制渦流檢測技術在金屬構件亞表面腐蝕缺陷檢測中的技術關鍵。在檢測靈敏度方面，與脈沖渦流檢測技術進行了對比，對比結果表明，脈沖調制渦流檢測技術在金屬構件亞表面腐蝕缺陷檢測中具有更高的檢測靈敏度，驗證了有限元仿真結論的正確性。

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(責任編輯 楊小麗)

Research on pulsed-modulation-based eddy current evaluation of subsurface corrosion in defect metallic structures

YAN Bei1,LI Yong1,2,LI Da1,LIU Xiangbiao1,LI Yili1,CHEN Zhenmao1,2,WANG Jun3

(1.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2.Rsearch Centre for Inspection and Evaluation of Nuclear Structural Integrity,Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 3. AVIC Aircraft Co., Ltd. Xi’an Brake Branch, Xi’an 710075, China)

Subsurface corrosion defect severely influences the integrity of crucial components of in-service apparatus. In light of this, this paper proposes a new pulsed eddy current technique (PEC), namely pulsed-modulation-based eddy current technique (PMEC), and intensively investigates its advantages regarding inspection and evaluation of subsurface corrosion defect in metallic structures. The correlations of PMEC signals and their features with subsurface corrosion in different depths are firstly analyzed via the finite element analysis based on the numerical PMEC model established using reduced magnetic vector potential method. The advantages of PMEC over PEC are identified via simulations. In parallel, an experimental system implementing PMEC as well as PEC is built up. Through experiments, PMEC and PEC are further compared regarding inspection of subsurface corrosion defect in conductors. The experimental results are found to be in agreement with those from simulations. The results from both simulations and experiments indicate that compared with PEC, PMEC has higher sensitivity to subsurface corrosion defect in metallic structures.

electromagnetic nondestructive evaluation; pulsed-modulation-based eddy current technique; subsurface corrosion; finite element modeling; sensitivity analysis

1006-4710(2015)03-0374-05

2015-03-02

國家自然科學基金資助項目(51477127)。

閆貝,男,碩士生,研究方向為電磁無損檢測理論與試驗。E-mail:yanbei@stu.xjtu.edu.cn。

李勇,男,副教授,博士,研究方向為結構完整性和裝備安全理論與技術。E-mail:yong.li@mail.xjtu.edu.cn。

TG115.28

A