钢质薄板低频励磁检测技术原理仿真及试验

张晓斌,戴　光,蒋　俊,郭　凯,罗　贞,陈华林

(1.广西特种设备检验研究院, 南宁 530219；2.东北石油大学, 大庆 163318 ；3.南京市锅炉压力容器检验研究院, 南京210028)



钢质薄板低频励磁检测技术原理仿真及试验

张晓斌1,2,3,戴光2,蒋俊3,郭凯1,罗贞1,陈华林1

(1.广西特种设备检验研究院, 南宁 530219；2.东北石油大学, 大庆 163318 ；3.南京市锅炉压力容器检验研究院, 南京210028)

石化产品大型储罐底板应用了大量的钢质薄板，这些钢质底板受工作环境影响易产生严重腐蚀。为保证储罐底板的安全，必须定期或不定期安全检测。对基于低频励磁技术的钢质平板检测技术进行了分析，利用有限元技术对其检测原理进行了仿真；对两种典型腐蚀缺陷进行了仿真和验证试验。结果表明，仿真结果与试验检测结果相符。

低频励磁检测;储罐底板;检测原理;仿真

原油储备已成为一个国家必备的战略物资，其盛装容器——常压储罐的安全运行，不仅关系到一个地区的稳定，也直接影响到国家经济命脉的安全运行。目前储罐底板的检测主要采用漏磁检测的方法，该技术的研究在国外起步得较早，在理论与检测仪器的研究上都取得了丰硕成果[1-2]。二十世纪90年代后期，我国相关研究机构也开始了罐底板漏磁无损检测装置的研究工作，并取得了较大的成就[3-7]。

但由于漏磁设备较重且与底板有较强磁吸力，检测人员劳动强度较大，且带有剩磁;而随着现代检测技术的不断发展，国外已有低频励磁检测技术应用到储罐底板检测上。低频励磁检测技术具有检测设备较轻、能有效区分上下底板的缺陷、无剩磁等优点，越来越被国内科研人员所关注，并逐渐成为研究热点[8-9]。笔者在此背景下开展了其检测原理及典型腐蚀缺陷仿真及试验工作。

1　低频励磁检测原理

漏磁检测对与磁通矢量无正交分量的二维缺陷不敏感, 而涡流检测对与涡流矢量无正交分量的二维缺陷也不敏感, 但这两者的二维不敏感缺陷是正交的。低频励磁检测是一种电涡流检测和漏磁检测复合的检测系统。其检测原理分解为二部分，一部分是在极靴正下方形成涡流场;另一部分是感生涡流场围绕被测试件内部进行磁路重新分布，而形成磁路涡流场。如图1所示,整个检测系统由电磁激励部分和信号拾取部分构成, 低频激励电流经激励线圈所产生的磁通Qj=Qi+Qk。磁通Qi为由电涡流产生的主磁通,Qk为空间散射的漏磁通。当试件内部无缺损时,Qj给出的信号为零。当缺陷进入扫描系统的响应区时, 因缺陷对主磁通Qi和涡流场的扰动而使Qk出现非对称分布, 由此在Qj中产生失衡信号。

图1　磁路涡流漏磁场分析示意

2　低频励磁检测原理仿真

仿真软件采用ANSYS Maxwell，该软件可以帮助工程师完成电磁设备的3D/2D有限元仿真分析,可完成静态、频域以及时域磁场与电场仿真分析。Maxwell最大的优势在于其具有自动化的分析流程;工程师在实际应用时，只需要指定模型的几何形状，材料属性以及关键的输出参数，Maxwell就可自动生成高质量的自适应网格。

图2　探头结构示意

2.1仿真模型参数

线圈匝数300，线圈大小φ0.5 mm，激励频率10 Hz，电压大小12 V。平板厚10 mm，平板材料相对磁导率250，电导率7 140 000 S·m-1；衔铁材料相对磁导率60 000，电导率100 S·m-1；线圈材料相对磁导率0.999 991，电导率5.8×107S·m-1；空气材料相对磁导率1，电导率0。探头结构示意见图2。网格采用四面体单元划分，线圈、衔铁及平板的网格单元最大尺寸为1 mm，探头的网格单元最大尺寸为0.1 mm，单元总数为34 500个，网格划分如图3所示。

图3　网格划分示意

2.2仿真结果

(1) 对衔铁位于无缺陷的位置和有缺陷的位置分别进行仿真，结果如图4所示。

图4　有关缺陷位置的涡流场及涡流磁路感应矢量图

由图4可知：① 低频励磁检测实际上是涡流检测和漏磁检测的复合检测。② 当平板没有缺陷时，激励线圈铁芯中的感应磁场形成一个回路即从铁芯一端发出，经过被测试件后被铁芯另一端接收。③ 当平板有缺陷时，在缺陷的上部形成漏磁场。

(2) 方形孔与锥形孔缺陷仿真

如同实际检测一样,对整个连续检测过程的3D仿真需要耗费巨大的资源，笔者确定在某个位置进行定点仿真，即在140 mm的平板上，从距缺陷20 mm 处开始，每隔5 mm进行一次仿真，然后对仿真得到的数据使用MATLAB软件进行数值拟合，得到各种情况下的磁场感应强度；相位角可根据得到的复矢量值计算得到。其中,方形孔的尺寸：10 mm×10 mm×10 mm，锥形孔的尺寸：φ10 mm×3 mm。

图5　不同扫查方式下,方形孔与锥形孔缺陷的磁场与相位仿真结果

由图5可知：① 方形缺陷的磁感应强度曲线呈现双峰的特点，锥形缺陷的磁感应强度曲线由双峰汇聚成单峰。② 背面扫查时，对缺陷的磁感应强度影响较大，但对相位的影响较少。

由上面结论可知，低频励磁检测技术可有效发现背面缺陷，同时通过相位信号更易判别缺陷。

3　低频励磁检测试验

为了验证仿真结果，制作了7块试板共150个缺陷，缺陷类型包括平底孔、平底方孔、锥形孔、圆孔等。利用美国TESTEX公司Falcon Mark Ⅱ SR/JR最新增强型储罐无损检测系统对所制作的试板进行扫查。

图6　某块试板的实物图片

图7　不同扫查方式下,方形孔与锥形孔缺陷的检测结果 由图7和表1可知：试验结果与仿真结果相符。即方形缺陷的磁感应强度曲线呈现双峰特点，锥形缺陷的磁感应强度曲线呈现由双峰汇聚成单峰的特点；缺陷的相位曲线与磁感应强度曲线呈相似状，通过相位信号更易判别背面缺陷。

表1　正背面扫查相位与磁场强度比较

4　结论

(1) 低频励磁检测是一种电涡流检测和漏磁检测复合的检测系统，可有效发现钢质平面底板正反面缺陷。

(2) 缺陷的低频励磁检测信号呈现双峰特性。

(3) 底板背面缺陷对检测信号的磁感应强度影响较大，而对缺陷的相位信号影响较小;因此，在实际检测时可主要依据相位信号来判别是否存在缺陷。

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检测工艺参数：f为10 Hz，提离高度h为1 mm，检测速度v小于6 m·min-1，32通道扫查。限于篇幅，文章仅列出方形孔和锥形孔的检测图，如图7所示。

Simulation and Experiment on Testing Principle of Low Frequency Electromagnetic for Steel Sheet

ZHANG Xiao-bin1,2,3, DAI Guang2, JIANG Jun3, GUO Kai1, LUO Zhen1, CHEN Hua-lin1

(1.Guangxi Special Equipment Inspection and Research Institute, Nanning 530219, China;2.Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;3.Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute, Nanjing 210028)

A large amount of steel sheet is used for petrochemical product storage tank bottom and the tank bottom will produce serious defect because of the corrosion. In order to ensure the safety of tank, the tank bottom must be tested regularly or irregularly. The test technology principle is studied by simulation and experiment based of the low frequency electromagnetic for steel sheet in the paper, and two typical corrosion defects are also studied by simulation and experiment, and the experimental result is in accordance with the simulation.

Low frequency electromagnetic testing (LEFT); Tank bottom; Test principal; Simulation

2015-04-13

2015年广西科技计划资助项目(25-10)

张晓斌(1972-),男,博士,教授级高级工程师,主要从事先进无损检测技术研究、失效分析工作。

10.11973/wsjc201512011

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0046-03