基于ANSYS 仿真分析的管材涡流检测频率优化研究

陈 军，蔡桂喜，林 莉，崔长春，罗忠兵

(1.大连理工大学无损检测研究所，辽宁 大连 116085；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016；3.辽河石油勘探局油气工程技术处，辽宁 盘锦 124000)

0 引言

涡流检测参数特别是激励频率决定了能否对管材内外表面缺陷进行有效和准确评价。传统涡流激励频率的确定方法主要有试验法和特征频率法，试验法确定的激励频率只对与人工缺陷形状类似的自然缺陷有较高的灵敏度，而特征频率法在计算过程中由于没有考虑材料中的缺陷，所得的结果也与实际检测中的最佳检测频率不符。涡流检测其实质是检测线圈产生交变电磁场与被检对象的相互作用，但管材服役工况复杂，缺陷种类、大小及分布不一，使实际涡流检测时电磁场问题非常复杂，若检测频率选择不当，极易造成缺陷信号的混淆和漏检［1-2］。随着电子信息技术的飞速发展，数值模拟及仿真技术在涡流检测中得到了广泛应用，利用有限元方法进行缺陷信号的仿真，能对检测探头的设计及参数的选择提供有效的理论指导，提高检测精度，同时，仿真数据也能很好地用来分析缺陷参数与电磁场相位、幅度之间的关系，为后期的缺陷反演和定量识别提供有力依据［3-4］。本研究采用的是涡流检测应用最广泛的管材涡流检测系统的缺陷仿真及频率优化方法。

可对涡流电磁场进行分析的有限元软件很多，其中以ANSYS 软件最具代表性。ANSYS 以友好的人机交互界面、良好的用户开发环境、卓越的建模能力、强大的求解功能和非线性分析能力使其在机械、航空、航天、船舶、核工程等领域得到了广泛应用［5-7］。

1 管材涡流检测系统仿真模型的建立

管材涡流检测系统是由被检工件和差动检测探头组成的，被检工件是圆柱形非铁磁性不锈钢管，差动探头是由2 个相隔一定距离的环形铜线圈组成，每个线圈既是激励线圈，又是检测线圈，穿过式探头检测如图1 所示。

为便于分析，作如下假设:

1)电流密度及场量均随时间按正弦规律变化;

2)探头线圈激励电压在其区域内均匀分布;

3)线圈导体中的涡流忽略不计;

4)忽略探头运动速度的影响;

5)忽略位移电流，按似稳场处理;

6)材料的电导率和磁导率均为常数;

由图1 可以看出，整个模型是轴对称的，因此在进行差动探头检测带有环槽轴对称缺陷的管材仿真时，可以将三维问题转化为二维问题来分析，即只需要分析圆柱状模型的一个半截面即可。

按照图2 所示进行仿真建模，不锈钢管外径19 mm，壁厚2 mm，人工缺陷为周向环状，检测线圈采用铜漆包线缠绕150 匝，缺陷及线圈尺寸见表1。

图1 穿过式差动探头检测Fig.1 Through-type eddy current testing with differential probe

图2 缺陷尺寸及线圈形式Fig.2 Dementions of defects and type of coils

表1 缺陷及线圈尺寸Table 1 Dementions of defects and coils mm

2 缺陷信号的仿真

2.1 材料特性

在上述仿真模型中赋予3 种不同介质的相对磁导率μr和常温下的电阻率ρ，具体参数见表2。

表2 材料特性参数Table 2 Material constants used in simulation

2.2 边界条件

在ANSYS 模型中提供磁力线平行边界条件和磁力线垂直边界条件。磁力线平行边界条件对应边值问题的第一类边界条件，其边界上的矢量磁势A 是可知的，通常称为强边界条件，须作为约束条件提出。磁力线垂直边界条件对应边值问题的第二类边界条件和媒质间的交界条件，称为自然边界条件，由泛函求极值自动满足。在上述模型中，对称轴左右两边的几何形状和材料属性都相同，且左右两边励磁相位差180°，因此在ANSYS 中设定边界条件时，只对模型设定第一类边界条件A=0，此时第二类边界条件自动满足［8］。

在ANSYS 模型中线圈采用交变电压U=U0cosωt 进行激励，峰值电压为12 V，设置检测频率并经ANSYS 软件计算线圈电流实部IREAL和虚部IIMAG，进而得到缺陷仿真信号。

2.3 缺陷信号仿真

由ANSYS 计算可以得到检测线圈的电流实部IREAL和虚部IIMAG，则线圈的阻抗Z 为

以两线圈中心连线为x 轴，连线中点为原点O 建立坐标系(图3)。假定缺陷位置是X，两线圈中心的坐标分别为S 和-S，则两线圈的阻抗可写为Z1=f(X-S)和Z2=f(X +S)，两线圈的阻抗差ΔZ=f(X-s)-f(X +S)。实际检测中的缺陷信号是探头与缺陷的相对运动形成的，因此在缺陷信号仿真时只考虑运动位移上有限个位置的阻抗差ΔZ 就能近似得到缺陷信号。

图3 阻抗计算示意图Fig.3 Schematic diagram of impedance calculation

为了保证缺陷信号曲线的平滑连续，取80 个不同的X 值，分别计算Z1和Z2，以ΔZ 的实部为横坐标，虚部为纵坐标，由Origin 软件输出ΔZ 的变化曲线即缺陷信号如图4 所示，在此基础上可通过比较不同频率下缺陷信号幅值和相位，从而确定最佳检测频率。

图4 缺陷信号的仿真Fig.4 Simulation signal of artificial defect

3 检测频率优化

以实际检测中最常用的穿过式探头为例，取不同的激励频率f，可以得到缺陷信号随频率的变化曲线(图5)。采用归一化处理，得到内外壁缺陷归一化信号幅值-频率(A-f)和相位-频率(φf)曲线(图6、图7)。

图5 缺陷信号随频率的变化Fig.5 Simulation signal of artificial defect under different testing frequencies

由图6 可以看出，对于穿过式探头，不论是内、外壁缺陷，灵敏度较高的检测频率均为20、30、50 kHz，最佳频率均为30 kHz。但从图7 可以看出，相同频率下内、外壁缺陷的相位是不同的。为了有效区分内、外壁缺陷，可以采用相位比较法确定最佳检测频率。图8 是不同频率下内、外壁缺陷的相位差曲线，可以看出，当检测频率分别为50、100 kHz 时，内、外壁缺陷的相位差较大，但是100 kHz 时的缺陷信号幅值比50 kHz 时小很多，因此，选用50 kHz 的检测频率既能保证有较高的检测灵敏度，又能对内、外壁缺陷进行有效区分，经实验验证，与实际情况符合较好。对内插式探头可以采用同样方法进行频率的优化。

图6 缺陷信号归一化幅值-频率(A-f) 变化曲线Fig.6 Normallized amplitude of defect signal under different testing frequencies

4 结论

1)利用有限元方法进行缺陷信号的仿真，能对检测探头的设计及参数的选择提供有效的理论指导，提高检测精度，缩短调试时间;而且管材缺陷的仿真数据也能很好地用来分析缺陷参数与电磁场相位、幅度之间的关系，为后期的缺陷反演和定量识别提供有力依据。

图7 缺陷信号相位-频率(φ-f) 变化曲线Fig.7 Phase of defect signal under different testing frequencies

图8 不同频率内、外壁缺陷信号相位差变化Fig.8 Phase difference between inner and outer defect signals under different testing frequencies

2)利用穿过式探头和内插式探头对1Cr18Ni9Ti 不锈钢管的人工缺陷信号进行仿真，通过比较仿真信号的幅度和相位，不仅得到了对内外壁缺陷灵敏度都很高的检测频率，而且还可确定能有效区分内外壁缺陷的检测频率，实现了根据实际工况对涡流检测频率的优化。

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