储罐角焊缝裂纹漏磁检测有限元分析

戴 光，白明超，杨志军，代瑞龙，任 毅

（东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318）

目前储罐角焊缝裂纹的检测方法有射线检测法、超声波检测法、磁粉检测法、渗透检测法等［1］。但是由于角焊缝的特殊结构，一些检测方法受到限制，不能较准确地进行检测。漏磁检测凭借其特有的优势，在无损检测领域得到了迅猛的发展［2］。目前我国在漏磁检测研究领域取得了许多成果，并应用于储罐底板检测、管道检测等方面，但是对于储罐角焊缝裂纹的研究还较少［3］。笔者结合国内外现有漏磁检测研究进展，提出储罐角焊缝裂纹漏磁检测方法，对确定的结构进行有限元分析，分析裂纹缺陷漏磁场的分布情况，对影响裂纹缺陷漏磁场的因素进行了分析。对比分析了不同情况下的储罐角焊缝裂纹缺陷漏磁场分布特性，得出不同深度、不同位置裂纹缺陷的漏磁场分布曲线。其结论可为后续现场实际操作及定量分析缺陷尺寸提供理论依据。

1 储罐角焊缝裂纹漏磁检测原理

漏磁检测是利用磁现象来检测铁磁材料工件表面及近表面缺陷的一种无损检测方法［4］。采用永磁磁化方式，磁化结构沿着储罐角焊缝进行扫描检测，其基本原理为：若焊缝表面光滑无裂纹、内部无缺陷的铁磁性材料被磁化后，磁力线理论上会完全从铁磁性材料内部通过并构成磁回路［5］。但由于储罐角焊缝的存在，导致材质不连续，磁力线会改变路径，若在铁磁性材料上存在缺陷，由于铁磁材料与缺陷处材质的导磁率不同，磁通一部分在铁磁性材料内部穿过，一部分经过裂纹周围的铁磁性材料，还有一部分则穿过裂纹，漏在附近的空气中，储罐角焊缝裂纹漏磁检测原理如图1所示。通过采用磁敏元件对缺陷漏磁场进行检测，将磁场信号转换成电信号并进行相应处理，就可以得到缺陷的信息［6］。

图1 储罐角焊缝裂纹漏磁检测原理

事实上无论在储罐角焊缝处是否有缺陷的存在，都会存在空气耦合磁场。如图1（a）所示，当储罐角焊缝处没有缺陷产生时，霍尔元件接收到的是空气耦合场的漏磁通。如图1（b）所示，当有裂纹缺陷产生时，接收到的是裂纹漏磁通和空气耦合场漏磁通的叠加。

2 储罐角焊缝裂纹漏磁场分布仿真分析

针对储罐角焊缝裂纹的漏磁场分布情况，取带缺陷的储罐角焊缝为试验对象，分析模型主要包括磁铁、衔铁、极靴、带缺陷的角焊缝［7］。

2.1 有限元几何模型建立

由于三维有限元分析计算量较大，而励磁结构和等效的缺陷形状均为对称形式，为了缩短计算时间，同时又保证一定的计算精度，建立了储罐角焊缝的一部分进行建模分析，大大提高了有限元分析的效率，采用实体建模方法建立储罐角焊缝漏磁检测有限元分析模型，其结构主要由磁化结构、带角焊缝的钢板、角焊缝缺陷、空气层等几部分组成，有限元几何模型如图2所示［8］。模型中由两块厚度为10mm 的钢板相互垂直焊接而成，在角焊缝焊趾部位制造裂纹型缺陷，两块永磁铁和钢板分别垂直，两块永磁铁间由衔铁连接，永磁铁前端连接极靴。

图2 有限元仿真模型

2.2 单元类型选择和材料属性定义［9］

静态磁场有限元分析方法包括标量势法和单元边法，采用单元边法进行分析，定义材料的单元类型为每个单元有20个节点的Solid 117。

每种材料都有其特定的特性，材料特性可以是线性的也可以是非线性的。线性材料通过其相对磁导率MURX、MURY、MURZ 来定义，非线性材料则是通过B－H曲线来描述其导磁特性。其中需要设定空气相对磁导率；衔铁、极靴和被测角焊缝三者都为非线性材料，需要设置相应的B－H曲线；永磁铁作为整体结构的励磁源，需要根据其励磁方向定义矫顽力方向和大小，其中两块永磁铁矫顽力的大小和方向与两钢板垂直。

2.3 各部分材料属性及划分网格

采用映射网格划分把模型划分成规则的六面体，划分网格时，在焊缝和缺陷处的网格划分如图3（a）所示。映射网格划分能获得形状规整的六面体，获得较好的网格质量，划分后的网格如图3（b）所示。

2.4 加载和边界条件定义

模型中载荷是两块永磁铁，故模型无需再进行加载；采用的单元变边法的边界条件只需设置磁力线平行于整体模型表面即可，磁力线垂直边界条件自然满足。

2.5 计算求解和后处理

通过软件计算求解得到计算结果。在有限元软件的后处理中可以以不同形式得到角焊缝缺陷处漏磁场分布，图4为缺陷漏磁场磁感应强度云图，图5为缺陷漏磁场磁感应强度的磁力线图，从图中看出角焊缝缺陷处有明显漏磁场产生。

图3 试块模型网格划分结果

图4 缺陷漏磁场感应强度云图

图5 缺陷漏磁场磁感应强度磁力线

3 基于有限元仿真的角焊缝裂纹漏磁信号分析

3.1 角焊缝处无裂纹

按照上节提到有限元分析方法，建立角焊缝处无裂纹的理想化有限元仿真模型，此模型中水平与竖直钢板厚度均为10mm，焊脚长为10mm，经求解计算后，为方便看到大角焊缝处磁感应强度的分布图，沿焊缝和钢板表面高度为1 mm 进行路径提取。

图6为角焊缝处磁感应强度x方向和y方向分布曲线。

图6 角焊缝无缺陷漏磁场磁感应强度曲线

从图6中可以看到：角焊缝漏磁场磁感应强度水平分量Bx在焊缝中心线处取得最小值，并且近似关于角焊缝中心线对称（不能完全对称是因为模拟储罐底板多出的左侧钢板的影响），这是由于焊缝材质是铁磁性的，部分磁力线沿焊缝穿过，导致通过钢板的磁通密度减少，这使原来漏磁场与空气耦合场所形成的平衡被打破，空气耦合场磁通密度占主导，使得漏磁场磁感应强度水平分量呈现向下的趋势。

还可以看出，大角焊缝处的漏磁场磁感应强度垂直分量By近似关于角焊缝中心线成轴对称（不能完全对称是因为模拟储罐底板多出的左侧钢板的影响），且在角焊缝正中间处为零，这说明在焊缝边沿处漏出钢板和进入钢板的磁通数目最多。

3.2 裂纹位于焊趾处

为检测角焊缝焊趾处裂纹缺陷漏磁场信号，需建立如图2的三维有限元几何仿真模型，此模型中钢板厚度为10mm，焊脚长为10mm，在焊趾处裂纹长度为2 mm，深度分别为钢板板厚的20%、40%、60%、80%，经求解计算后，为方便看到裂纹处漏磁场的分布，沿焊缝和钢板表面高度为1 mm处进行路径提取，图7为裂纹处磁感应强度x方向和y方向分布曲线。

从图7（a）和图7（b）中可以看出，由于角焊缝下焊趾处存在裂纹，在50mm 附近（焊趾处）产生明显的漏磁信号，这是因为裂纹处的钢板变薄，从而使穿过钢板的磁力线数目变小，漏磁通密度随之增大，高于空气耦合场的漏磁通密度，随着裂纹深度的增加，漏磁场水平分量和竖直分量的幅值也随之增大。

图7 裂纹位于焊趾处的磁感应强度对比曲线

3.3 裂纹位于热影响区

由于焊缝的热影响区是整个焊缝的薄弱环节，可能由于焊接工艺采取不当、长期处于载荷作用下或者腐蚀介质中，导致裂纹的产生，所以对角焊缝热影响区的检测显得尤为重要。图8为裂纹在距焊趾3mm 处热影响区的磁感应强度x方向和y方向分布曲线。

图8 裂纹位于热影响区的磁感应强度对比曲线

从图8（a）、（b）中可以看出，由于裂纹存在于角焊缝热影响区，在53mm 附近（裂纹处）产生明显的漏磁信号，随着裂纹深度的增加，漏磁场水平分量和竖直分量的幅值也分别增大。从漏磁场的竖直分量曲线中可以看出2个明显的波谷和一个波峰的情况，第二个较宽的波谷就是由于在热影响区处的裂纹与角焊缝距离较近，2个波形的信号相互叠加形成的结果。

4 试验分析

试验试件选取厚度为10 mm 的Q235 钢板垂直焊接在一起；在角焊缝焊趾处建立两个相同的矩形裂纹缺陷，缺陷长70mm，宽2mm，缺陷深度分别为钢板厚度的40%和80%，用来模拟裂纹缺陷。图9为根据有限元分析尺寸加工组装的储罐角焊缝漏磁检测试验设备。

图9 模拟角焊缝检测试验设备

采用9个高精度霍尔元件传感器，传感器沿钢板角焊缝布置，提离值1mm，选用PCI总线数据采集卡，动态采集缺陷漏磁场垂直分量及传感器位移信息［10］。漏磁信号数据是通过采集系统经过检测试验设备移动采集的，检测试验设备每2mm 采样一个数据点，则检测试验设备行进距离为采样点数的2倍。如图10所示。

图10 不同深度裂纹缺陷漏磁信号

图10是不同深度裂纹缺陷的漏磁扫描信号图，从采集的信号图可以看出缺陷信号幅值与缺陷深度在一定范围内呈近似线性关系，这与有限元分析结果一致。从图中分别提取出漏磁信号峰值通道、每个缺陷位置出现漏磁信号峰值位置的二维曲线，得到了漏磁信号随行进距离变化的关系曲线，如图11所示。

图11 缺陷漏磁信号随行进距离变化的分布

由图11可以看出两个缺陷处明显能够采集到漏磁信号，并且随缺陷深度的增加，漏磁信号峰值呈递增趋势。还可看出，相邻裂纹缺陷峰值位置处的间距为150mm，缺陷的距离为70mm，这与实际裂纹缺陷位置关系相匹配。

5 结语

（1）应用有限元软件建立了角焊缝裂纹缺陷的分析模型，得到了角焊缝裂纹缺陷漏磁场的空间分布，为漏磁信号提取做了准备。

（2）通过分析角焊缝裂纹漏磁场，提取出了角焊缝裂纹缺陷的漏磁信号，分析了角焊缝裂纹缺陷影响漏磁信号的因素。进而得到了裂纹缺陷的尺寸影响漏磁场分布特点：随着深度的不同，裂纹位于角焊缝的焊趾和热影响区的漏磁场分布规律为两者漏磁场的水平分量和竖直分量的峰值均随着深度的增加而增加。

（3）在实验室条件下进行了角焊缝裂纹漏磁检测试验，储罐角焊缝裂纹漏磁检测结果与有限元仿真分析结果基本相符；经过仿真与试验分析验证了储罐角焊缝裂纹漏磁检测的可行性。

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