小徑管周向裂紋渦流傳感器幾何參數(shù)優(yōu)化

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(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

圖1 傳統(tǒng)外穿式渦流探頭檢測(cè)結(jié)果示例

直徑小于89 mm,壁厚相對(duì)較薄的管道廣泛用作發(fā)電廠的受熱管,如過(guò)熱器、省煤器、再熱器、水冷壁等。如圖1所示，在采用傳統(tǒng)外穿式渦流探頭對(duì)小徑管檢測(cè)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在檢測(cè)尺寸為5 mm×0.1 mm×0.1 mm(長(zhǎng)×寬×深)周向缺陷時(shí)，探頭的輕微信號(hào)幾乎將檢測(cè)信號(hào)淹沒，在檢測(cè)尺寸為2 mm×0.1 mm×0.1 mm(長(zhǎng)×寬×深)缺陷時(shí)幾乎沒有檢測(cè)信號(hào)，即在檢測(cè)該類管道上的周向裂紋缺陷時(shí)，常規(guī)差分式渦流探頭的檢測(cè)能力差，筆式探頭耗時(shí)較長(zhǎng)、陣列探頭價(jià)格昂貴。

渦流檢測(cè)中,當(dāng)裂紋方向與渦流方向垂直時(shí)，裂紋具有較強(qiáng)的切斷渦流能力，對(duì)渦流場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)較大，對(duì)渦流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)的影響更大，根據(jù)此原理筆者設(shè)計(jì)了一款針對(duì)小徑管周向缺陷的渦流傳感器，并針對(duì)該傳感器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到較高的檢測(cè)靈敏度。

YOUNG等[1]針對(duì)熱交換管中出現(xiàn)的周向缺陷設(shè)計(jì)了傾斜繞制的穿過(guò)式探頭，結(jié)果表明，該探頭對(duì)周向缺陷的檢測(cè)比傳統(tǒng)Bobbin探頭有更高的靈敏度。XIN[2]針對(duì)核電熱交換管中任意方向的缺陷設(shè)計(jì)了新型旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)渦流探頭。YE[3]研究了兩款旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)渦流探頭，采用三相繞組作為激勵(lì)，接收裝置分別為線圈和GMR(巨磁阻傳感器)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的放大電路及接收信號(hào)處理。MACHADO等[4]針對(duì)任意方向的缺陷(包括周向缺陷)設(shè)計(jì)了5款新型探頭,用于檢測(cè)核反應(yīng)堆中的奧氏體鋼管，這些探頭均采用平面梯形繞制激勵(lì)線圈，結(jié)果顯示其比傳統(tǒng)的探頭對(duì)周向缺陷有更高的靈敏度。于亞婷等[5]在文章中指出了線圈的匝數(shù)、厚度、截面形狀對(duì)傳感器靈敏度的影響。郭麗霞[6]設(shè)計(jì)了脈沖渦流探頭，分析了鐵芯的半徑、高度對(duì)磁場(chǎng)變化的影響。周德強(qiáng)[7]針對(duì)脈沖渦流矩形傳感器參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證。

以上研究人員對(duì)渦流傳感器參數(shù)優(yōu)化所做的工作，為筆者的探頭優(yōu)化工作提供了參考。

1 仿真模型的建立

建立該傳感器的有限元模型,并進(jìn)行仿真分析，整體建模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 渦流探頭有限元3D模型

對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體如下：銅管尺寸(內(nèi)徑×壁厚×長(zhǎng)度)為10.5 mm×1 mm×200 mm，相對(duì)磁導(dǎo)率為0.999 991，電導(dǎo)率為5.8×107S·m-1。磁性材料尺寸(內(nèi)徑×壁厚×長(zhǎng)度)為12.5 mm×2.5 mm×8 mm，由于磁性材料磁感應(yīng)強(qiáng)度B會(huì)隨著磁場(chǎng)H的變化而變化，故導(dǎo)入其對(duì)應(yīng)的B-H曲線來(lái)設(shè)定材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。激勵(lì)電流設(shè)置為1 A，線圈匝數(shù)為100。在管道上設(shè)置周向裂紋缺陷尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為10 mm×0.9 mm×1 mm。

圖3 仿真模型幾何參數(shù)示意

2 磁場(chǎng)分布分析

通過(guò)有限元分析試件在渦流探頭作用下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和渦流分布，如圖4，5所示。在該渦流探頭的激勵(lì)下，線圈部分和裸露的磁導(dǎo)體部分分別在管道上感生出沿管道周向流動(dòng)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流沿管道軸向流動(dòng)(見圖5)，通過(guò)仿真可看出該渦流探頭在管道上激勵(lì)出一個(gè)均勻的軸向渦流場(chǎng)。

圖4 管道磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖5 管道渦流分布圖

當(dāng)管道上存在缺陷時(shí)，如圖6所示，缺陷處的渦流場(chǎng)發(fā)生畸變，缺陷位置的渦流強(qiáng)度也發(fā)生了變化，該渦流場(chǎng)的畸變是由裂紋引起的，故可以利用渦流在缺陷處的變化來(lái)檢測(cè)缺陷。

圖6 缺陷處渦流分布云圖

3 參數(shù)優(yōu)化與結(jié)果分析

3.1 接收裝置優(yōu)化

磁傳感器作為渦流探頭的檢測(cè)裝置，其放置位置的合理性對(duì)檢測(cè)能力有關(guān)鍵作用，如圖6所示，在裂紋的兩個(gè)端口產(chǎn)生渦流場(chǎng)擾動(dòng)，此處磁場(chǎng)變化量最大，作為檢測(cè)裝置的磁傳感器應(yīng)布置在磁場(chǎng)強(qiáng)度最大的位置。通過(guò)仿真分析，提取缺陷尖端處上方的磁感應(yīng)強(qiáng)度作為研究對(duì)象，以完好管道相同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度作為參考信號(hào)，用缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度減去參考信號(hào)得到差分信號(hào)，差分信號(hào)越大，對(duì)于表征缺陷越有利，該位置越適合放置接收裝置。如圖7所示，無(wú)論在完好管道還是在缺陷管道，磁感應(yīng)強(qiáng)度均隨著距離的增加逐漸減小，通過(guò)兩者的差分信號(hào)看出試件上方0 mm(管壁)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的差分值最大，因此在確定接收裝置時(shí)應(yīng)緊靠試件表面放置。

圖7 缺陷處y方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

3.2 激勵(lì)裝置優(yōu)化

3.2.1 磁環(huán)幾何參數(shù)

首先采用單一變量法對(duì)磁環(huán)的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，由于管壁的外徑是定值，故磁環(huán)的內(nèi)徑為定值，此小節(jié)通過(guò)有限元仿真的方法討論磁環(huán)的厚度和寬度對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響，為避免單一點(diǎn)帶來(lái)的試驗(yàn)偶然性，在缺陷處分別選point1、point2、point3三個(gè)點(diǎn)，并測(cè)量其磁場(chǎng)強(qiáng)度，若三點(diǎn)表現(xiàn)出相同的規(guī)律性，則證明結(jié)果可信性較高?？刂拼怒h(huán)的厚度不變，磁芯的寬度從1 mm增加到10 mm，每次增加1 mm；第二組試驗(yàn)控制磁芯寬度不變，磁芯厚度從1 mm增加到6.5 mm，每次增加0.5 mm。根據(jù)3.1節(jié)得出的結(jié)論，在缺陷上方0 mm處提取磁感應(yīng)強(qiáng)度值，以在完好管測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度作為參考信號(hào)，用在缺陷管的相同位置測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度減去參考信號(hào)獲得差分信號(hào)。在檢測(cè)同一缺陷時(shí)，差分信號(hào)峰值的大小反映了傳感器的檢測(cè)靈敏度，峰值越大，表示傳感器檢測(cè)能力越強(qiáng)，靈敏度越高。

point1處磁環(huán)厚度變化時(shí)的差分信號(hào)如圖8所示，3個(gè)測(cè)量點(diǎn)處磁環(huán)厚度變化時(shí)的差分信號(hào)峰值如圖9所示。由圖8，9可見，磁環(huán)厚度在1～2.5 mm間時(shí)，磁環(huán)厚度對(duì)磁場(chǎng)的影響不大；當(dāng)磁環(huán)厚度大于2.5 mm時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著磁環(huán)厚度的增大而不斷增強(qiáng)，在4 mm處達(dá)到最大值，約1.1 mT左右；當(dāng)磁環(huán)厚度大于4 mm后，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸變小。

圖8 point1處磁環(huán)厚度變化時(shí)的差分信號(hào)

圖9 3個(gè)測(cè)量點(diǎn)處磁環(huán)厚度變化時(shí)的差分信號(hào)峰值

圖10 point1處磁環(huán)寬度變化時(shí)的差分信號(hào)

圖11 3個(gè)測(cè)量點(diǎn)處磁環(huán)寬度變化時(shí)的差分信號(hào)峰值

point1處磁環(huán)寬度變化時(shí)的差分信號(hào)如圖10所示，3個(gè)測(cè)量點(diǎn)處磁環(huán)寬度變化時(shí)的差分信號(hào)峰值如圖11所示。可見磁環(huán)寬度在1～7 mm時(shí)，差分信號(hào)峰值隨著磁環(huán)寬度的不斷增大而增大，然后開始減小。從圖11可以看出，當(dāng)磁環(huán)的寬度在7 mm時(shí)，差分信號(hào)的峰值最大，渦流傳感器的靈敏度最高。

3.2.2 磁環(huán)的間距

通過(guò)有限元仿真的方式，其他參數(shù)不變，分別將磁環(huán)間距從1～4 mm，每次增加0.5 mm，采用差分信號(hào)的方式得到隨間距變化的差分信號(hào)峰值的變化曲線，point1處磁環(huán)間距變化時(shí)的差分信號(hào)如圖12所示，3個(gè)測(cè)量點(diǎn)處磁環(huán)間距變化時(shí)的差分信號(hào)峰值如圖13所示。由圖12，13可見，兩磁環(huán)的間距在2 mm以內(nèi)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度均約為0.6 mT，磁環(huán)間距對(duì)磁場(chǎng)的影響不大；當(dāng)兩磁環(huán)的間距大于2 mm后，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著磁環(huán)間距的變大而減小，因此兩磁環(huán)的間距要控制在2 mm以內(nèi)。

圖12 point1處磁環(huán)間距變化時(shí)的差分信號(hào)

圖13 3個(gè)測(cè)量點(diǎn)處磁環(huán)間距變化時(shí)的差分信號(hào)峰值

3.2.3 激勵(lì)線圈匝數(shù)

采用試驗(yàn)的方式，對(duì)激勵(lì)線圈的匝數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，匝數(shù)與激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度有著直接關(guān)系，激勵(lì)磁場(chǎng)越大，感生出的渦流場(chǎng)也就越大，檢測(cè)靈敏度才有保證，但是過(guò)多的匝數(shù)會(huì)導(dǎo)致方波上升沿相應(yīng)變慢，阻礙線圈中電流變化，使方波信號(hào)發(fā)生畸變，從而影響檢測(cè)靈敏度。針對(duì)該探頭施加100 Hz，4 A的脈沖波電流源激勵(lì)，匝數(shù)分別為20，30，40，50，60，70，80，均選擇線徑(直徑)0.41 mm漆包線制作7個(gè)探頭，其余參數(shù)保持不變，針對(duì)試樣上①、④、⑦號(hào)缺陷(見表1)進(jìn)行檢測(cè)，提取差分信號(hào)的峰值，結(jié)果如圖14所示。由圖14可見，隨著匝數(shù)的增多，差分值成線性增大，表現(xiàn)出很好的線性度，因此目前匝數(shù)產(chǎn)生的磁場(chǎng)并未造成磁環(huán)過(guò)飽和，靈敏度還有很好的提升空間。

圖14 激勵(lì)線圈不同匝數(shù)時(shí)的差分信號(hào)峰值

3.2.4 激勵(lì)線圈線徑

通過(guò)試驗(yàn)的方式，對(duì)激勵(lì)線圈的線徑進(jìn)行優(yōu)化，通常激勵(lì)線圈是由一定線徑的漆包線繞制而成的，其線徑越大，線圈的電抗越小，從而產(chǎn)生的焦耳熱就會(huì)越少，在線圈上的損耗也會(huì)越少，但是線徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致線圈的匝數(shù)變少，從而使得激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)變?nèi)酰焕谔岣咛筋^的檢測(cè)能力。

在探頭上施加100 Hz，4 A的脈沖波電流源，線徑分別選擇0.21，0.31，0.41，0.57，0.62 mm，匝數(shù)均為50，制作5個(gè)探頭，其余參數(shù)保持不變，針對(duì)試樣上①、④、⑦號(hào)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，提取差分信號(hào)的峰值，結(jié)果如圖15所示。通過(guò)圖15可以看出，在相同的激勵(lì)條件下，線徑為0.3 mm時(shí)的檢測(cè)靈敏度最高，因此在探頭設(shè)計(jì)過(guò)程中線徑確定為0.3 mm。

圖15 激勵(lì)線圈不同線徑時(shí)的差分信號(hào)峰值

4 與常規(guī)探頭的對(duì)比試驗(yàn)

檢測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)、脈沖信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡、渦流探頭、缺陷試塊等構(gòu)成，試驗(yàn)平臺(tái)如圖16所示。將漆包線沿磁性材料周向方向進(jìn)行繞制構(gòu)成激勵(lì)線圈，如圖16(b)所示，將TMR(高性能隧道磁電阻)傳感器垂直放置在兩激勵(lì)線圈中間。接收裝置采用TMR傳感器，該傳感器對(duì)微弱磁場(chǎng)具有較高的靈敏度，可以有效采集微弱磁場(chǎng)信號(hào)。

在黃銅管上加工8個(gè)缺陷，其加工示意如圖17所示，缺陷具體尺寸如表1所示。

圖16 檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)及檢測(cè)線圈實(shí)物

圖17 試件缺陷加工示意

表1 試件缺陷尺寸mm

根據(jù)有限元分析結(jié)果制作新型渦流探頭，同時(shí)繞制傳統(tǒng)周向繞制線圈的常規(guī)渦流探頭，采用4 A，100 Hz的脈沖方波激勵(lì)，對(duì)檢測(cè)試件上的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于脈沖渦流檢測(cè)來(lái)說(shuō)，通常采用時(shí)域信號(hào)差分的方法來(lái)表征缺陷大小，峰值的大小代表缺陷的大小，故對(duì)差分信號(hào)提取峰值，試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的線圈軸向繞制的渦流探頭在各個(gè)缺陷處檢測(cè)得到的差分信號(hào)峰值都比常規(guī)渦流探頭檢測(cè)得到的峰值要大，因此設(shè)計(jì)的渦流探頭對(duì)周向裂紋具有更強(qiáng)的檢測(cè)能力。

圖18 新型探頭與常規(guī)探頭檢測(cè)缺陷的差分信號(hào)峰值對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)有限元仿真和試驗(yàn)的方式研究了針對(duì)小徑管周向缺陷設(shè)計(jì)的渦流探頭的幾何參數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在文章所述激勵(lì)條件下，寬度為7 mm，厚度為4 mm，兩磁環(huán)間距控制在2 mm以內(nèi)，采用直徑0.31 mm漆包線繞制，可以使探頭的檢測(cè)能力最好。在同一試驗(yàn)平臺(tái)下，通過(guò)與常規(guī)探頭的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該探頭對(duì)小徑管周向缺陷具有更強(qiáng)的檢測(cè)能力。