金属厚壁结构中深裂纹的重构方法研究*

武美先,张东利

(1.北方民族大学化学与化学工程学院,宁夏 银川 750021;2.北方民族大学机电工程学院,宁夏 银川 750021)

金属厚壁结构中深裂纹的重构方法研究*

武美先1,张东利2*

(1.北方民族大学化学与化学工程学院,宁夏 银川 750021;2.北方民族大学机电工程学院,宁夏 银川 750021)

为了提高涡流方法检测厚壁结构中深裂纹的检测精度,使用三维涡流程序对涡流信号进行了仿真,通过分析传感器布置方案对检测信号及噪声的影响,提出了基于反面涡流检测信号的深裂纹重构策略,并开发了相应的逆问题反演程序,对重构策略的可行性进行了验证。数值仿真结果表明,所提出的基于反面涡流检测信号的深裂纹重构策略,可有效提高厚壁结构中深裂纹的重构精度,并可用于工程实践。

厚壁结构,深裂纹重构,涡流传感器,数值仿真

在核电、石油等重要能源工业领域,厚壁结构中深裂纹的检测一直是无损检测领域中的难点问题。为了保证设备的安全运行,一些关键的零部件要求对材料表面和内部全部进行检测。目前常用的无损检测方法有超声、射线、涡流等[1-3]。超声可用于材料内部的缺陷检测,但由于要用到耦合剂,无法实现构件的大面积快速检测;射线方法则存在体积大、对人体有辐射等不足,对一些特殊场合不方便进行在线检测;涡流方法具有高速、精确和无接触等优点[4-11],但目前主要用于浅表裂纹的检测及定量,由于存在集肤效应,深裂纹检测信号的信噪比一般很低,裂纹尺寸定量困难。

本文通过仿真,研究了提高金属厚壁结构中涡流传感器布置方案对深裂纹信号信噪比的影响,提出采用反面涡流检测信号定量厚壁结构中的深裂纹尺寸以及采用多频降噪法提高信噪比和裂纹重构精度的设想,并通过仿真验证了其可行性。

1 金属厚壁结构的数值仿真建模

为了分析金属厚壁结构中深裂纹检测信号和涡流传感器布置方案的关系,本文使用了基于A-φ方程的有限元—边界元混合法程序计算了两种激励频率下线圈的阻抗信号。该程序的计算精度很高,其可靠性和有效性已经过长期验证。图1为该程序对JSAEM第2标准问题[12]的仿真结果和和实测信号的比较。

图1 有限元—边界元混合法程序计算结果验证

本文所研究的金属壁结构的模型如图2所示。材料为SUS304不锈钢,壁厚t1=20 mm,长l1、宽w1均为200 mm,电导率σw=1.4×106S·m-1,相对导磁率μr=1;焊缝位于裂纹根部,其长、宽、高尺寸分别为l3=220 mm,w3=5 mm,t3=1 mm,其电导率σw=1.0×106S·m-1,相对导磁率μr=1;裂纹长l2=10 mm,宽w2=0.2 mm,深t2,其电导率为零,相对导磁率μr=1。

为保证检测深裂纹时,涡流传感器能获得较大信号,采用了较大尺寸的pancake传感器(外直径32 mm,内直径28 mm,厚5 mm,总激励电流1 A),提离距离为1 mm。为获得足够大的涡流渗透深度,并且通过多频降噪法来消除检测信号中的焊缝噪声,传感器的激励频率使用了10 kHz和50 kHz来检测厚壁结构中的深裂纹。

为评价焊缝噪声对涡流检测信号的影响程度,定义检测信号的信噪比如下:

SNR=20lg(Acrk/Aweld)

(1)

式中:Acrk和Aweld为裂纹和焊缝噪声信号的幅值。

定义涡流传感器的检测灵敏度为:

(2)

式中:ΔZ和Δd分别为裂纹信号幅值及裂纹深度的变化量。

2 传感器布置方案对检测信号的影响

为了比较正面和反面两种传感器布置方式对检测信号的影响,采用有限元-边界元混合程序计算了这两种方式下使用10 kHz频率激励得到的涡流信号。图3(a)为检测信号的信噪比大小随裂纹深度的变化情况,图3(b)为传感器敏度度随裂纹深度的变化情况。

由图3(a)可见,无论对于深裂纹还是浅裂纹,当涡流探头放在试件反面时所获得信噪比均比正面检测时大。这是由于涡流探头放在试件反面时,由于存在集肤效应,裂纹比焊缝对涡流的影响更大,因而可获得较大信噪比。由图3(b)可见,当涡流探头放在试件反面时其对深裂纹的深度变化更敏感,故此将探头放在试件反面更有利于获得较大的裂纹重构精度。

图3 两种传感器布置方案对涡流检测信号的影响

3 基于多频降噪方法的深裂纹重构

3.1 多频降噪方法

多频降噪方法[13]利用裂纹信号和噪声在不同频率下相位不同的特性对信号进行相位和幅值线性变换,使不同频率下的噪声在变换后基本相同,相减后所剩的残余噪声非常小,从而使检测信号的信噪比得到提高。在实际检测中,待降噪信号是焊缝处检测的裂纹和噪声混合信号,而多频降噪方法所用的噪声信号在无裂纹的焊缝处测得。

若记频率f1的阻抗检测信号为Z1=r1+ji1,频率f2的阻抗检测信号为Z2=r2+ji2,则多频降噪后,检测信号变为:

(3)

3.2 基于多频降噪方法的深裂纹重构策略

利用焊缝噪声和裂纹信号在幅值和相位方面分别存在差异的特点,本文提出的基于多频降噪方法的深裂纹重构反演流程如图4所示。

图4 基于多频ECT信号的焊部裂纹反演流程

基于多频涡流信号的裂纹重构问题可转化为以下残差函数最小的优化问题:

(4)

图5为12 mm深裂纹位于焊缝根部时的重构结果。由重构结果可见,裂纹左端点位置为-4.75 mm,右端点位置为6.23 mm,裂纹深度迭代的初始值设为3 mm,其重构结果为11.24 mm,和实际深度基本相同,裂纹长度的重构结果为10.97 mm,比实际长度10 mm略长,是实际长度的109.7%。

重构结果表明,对于裂纹形参的不同初始值,逆问题求解程序均能正确地重构出裂纹的长度、深度和位置,重构精度可以满足要求。这说明,使用基于多频降噪方法的裂纹重构策略对于厚壁结构焊缝部位的深裂纹定量具有可行性。

图5 基于多频ECT信号的焊部裂纹反演流程

4 结论

本文使用基于A-φ方程的有限元—边界元混合程序对金属厚壁结构焊缝部位深裂纹的定量问题进行了研究。基于多频降噪方法,提出了一种基于结构反面涡流检测信号的深裂纹重构策略,并通过数值仿真验证了所提方法对深裂纹重构的有效性。

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武美先(1972-),女,硕士,讲师,主要研究方向为神经网络、无损检测、人工智能等;

张东利(1969-),男,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为机械损伤电磁无损检测及评价技术、机械结构故障诊断技术等,zdlsir@163.com。

StudyonReconstructionofaDeepCrackinMetalStructures*

WUMeixian1,ZHANGDongli2*

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,North Minzu University,Yinchuan Ningxia 750021,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,North Minzu University,Yinchuan Ningxia 750021,China)

To enhance the reconstruction precision of a deep crack in thick structures,influence of the eddy current sensor arrangement on testing signals and noises is studied with a 3D code to get eddy current simulation signals. Based on the comparative analysis of results for the two sensor arrangements,a reconstruction strategy based on signals of an outside crack is proposed and a reconstruction code for the inverse problem is also developed. Its effectiveness is confirmed by simulation. Results shown that,reconstruction precision of deep cracks could be enhanced by using the strategy and could be applied to the engineering practice.

thick structure;deep crack reconstruction;eddy current sensor;numerical simulation

TB971

A

1004-1699(2017)11-1689-04

项目来源:国家自然科学基金项目(51667001);宁夏自然科学基金项目(NZ14100);北方民族大学科研项目(2014XYZ07);北方民族大学引进人才项目;国家民委化工技术基础重点实验室一般科研项目(2017HG06)

2017-01-09修改日期2017-07-21

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.013