摘要：基于漏磁檢測(cè)技術(shù)基本原理，采用有限元方法，應(yīng)用COMSOL軟件對(duì)管道環(huán)焊縫及焊縫處常見(jiàn)缺陷磁化后產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，得到描述磁場(chǎng)分布特征的磁通密度徑向和軸向分量分布曲線。通過(guò)改變焊縫余高以及焊縫處凹坑、錯(cuò)邊和咬邊的幾何參數(shù)，得到了不同缺陷類型在不同尺寸下的磁場(chǎng)分布。結(jié)果表明：管道環(huán)焊縫磁場(chǎng)分布呈增厚特征，且隨著焊縫余高的增加，磁通密度徑向和軸向分量值均明顯增大;焊縫與其中心缺陷呈兩者復(fù)合的磁場(chǎng)分布特征。焊縫中心凹坑磁場(chǎng)分布呈減薄特征，且磁通密度軸向和徑向分量峰的峰寬均隨凹坑直徑的增加近線性增大;隨著錯(cuò)邊量的增加，缺陷處磁通密度分布曲線的峰值均明顯增大;隨著咬邊深度的增加，咬邊位置的磁通密度減小。

　　關(guān)鍵詞：管道環(huán)焊縫;徑向勵(lì)磁;焊縫缺陷;磁通密度;有限元模擬

　　0 前言

　　焊接過(guò)程受焊道設(shè)計(jì)、工藝、材料、環(huán)境等多方面因素的影響，不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種缺陷。這些缺陷的存在可能會(huì)造成管道開裂、油氣泄露甚至爆炸等嚴(yán)重事故[1]。為了保證管道安全運(yùn)輸，需要定期對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和安全評(píng)估。目前常用的無(wú)損檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)、射線照相檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和漏磁檢測(cè)法等。其中漏磁檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)靈敏度高、不需要耦合劑、受外界干擾小、檢測(cè)速度快且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，更適于大面積、長(zhǎng)距離管道的快速檢測(cè)，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)[2-5]。

　　文中基于漏磁檢測(cè)原理，應(yīng)用COMSOL軟件，采用徑向勵(lì)磁方法對(duì)管道環(huán)焊縫及焊縫處常見(jiàn)缺陷進(jìn)行三維仿真，得到了不同焊縫缺陷的磁通密度徑向和軸向分量的分布規(guī)律，為管道焊縫缺陷漏磁信號(hào)特征識(shí)別提供理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)徑向勵(lì)磁在鐵磁性材料漏磁檢測(cè)中的可行性和適用性進(jìn)行了理論探討。

　　1 漏磁檢測(cè)技術(shù)的基本原理

　　傳統(tǒng)的管道漏磁檢測(cè)以軸向勵(lì)磁檢測(cè)為主。由于鐵磁性材料磁導(dǎo)率高，當(dāng)管道被磁化時(shí)，磁感線會(huì)被約束在管道內(nèi)部，且?guī)缀鯖](méi)有磁力線從表面穿出，被檢測(cè)工件表面幾乎沒(méi)有漏磁場(chǎng)。若管道存在裂紋、凹坑等切割磁力線的缺陷，由于缺陷處磁阻遠(yuǎn)大于管材，就會(huì)有部分磁感線從管壁漏出，從而形成漏磁場(chǎng)。利用管道上方的磁敏傳感器可以檢測(cè)到相關(guān)信號(hào)變化，從而判斷缺陷的存在和相關(guān)特征[6-10]。

　　為了使檢測(cè)器檢測(cè)效果達(dá)到最佳狀態(tài)，傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)技術(shù)需要將管道等鐵磁性材料磁化至飽和或近飽和，這可能會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。首先，將管道磁化到飽和后退去磁場(chǎng)會(huì)有很大的剩磁，會(huì)對(duì)二次檢測(cè)造成嚴(yán)重干擾;其次，軸向勵(lì)磁很多時(shí)候采用線圈磁化，要形成強(qiáng)磁場(chǎng)則需要很大的安匝數(shù)，從而使得電流的熱效應(yīng)不可忽視，長(zhǎng)時(shí)間工作可能會(huì)對(duì)檢測(cè)裝置的壽命產(chǎn)生一定影響[11-12]。

　　徑向勵(lì)磁和軸向勵(lì)磁類似，其基本原理如圖1所示，通過(guò)在檢測(cè)器探頭內(nèi)部集成一塊永磁鐵，檢測(cè)器在管道內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中管道內(nèi)表面被永磁鐵磁化。徑向勵(lì)磁不同于軸向勵(lì)磁之處在于：徑向磁感線垂直于管道軸向方向并穿過(guò)表面回到磁鐵。對(duì)于正常的無(wú)缺陷管道，其內(nèi)表面是光滑的平面，在探頭磁鐵和管道內(nèi)表面之間會(huì)形成相對(duì)穩(wěn)定的磁場(chǎng);而當(dāng)管道存在缺陷時(shí)，原有磁場(chǎng)的分布狀態(tài)會(huì)被改變，通過(guò)在磁鐵和管壁間安裝霍爾元件可采集探頭位置管道內(nèi)表面的磁場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)進(jìn)一步比較分析磁場(chǎng)分布特征可判斷缺陷的存在及特征，既可達(dá)到檢測(cè)的目的，又不需要采用強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)管道進(jìn)行磁化[13]。

　　為了驗(yàn)證上述方法的可行性和有效性，下面采用有限元模擬方法對(duì)上述徑向勵(lì)磁過(guò)程進(jìn)行仿真分析。上述過(guò)程的有限元模型如圖2所示(考慮僅為驗(yàn)證該方法的可行性，這里采用平板代替管道進(jìn)行幾何模型的簡(jiǎn)化分析)，無(wú)缺陷和有缺陷時(shí)有限元計(jì)算得到的磁力線分布如圖3所示，相應(yīng)的磁通密度分布曲線如圖4所示。設(shè)模型中管子徑向(即壁厚方向)為坐標(biāo)軸x方向，軸向(管道長(zhǎng)度方向)為y方向，即Bx為磁通密度徑向分量，By為磁通密度軸向分量。

　　由圖3可知，無(wú)缺陷時(shí)，管體經(jīng)過(guò)勵(lì)磁后，由于其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，因此絕大部分磁通從管體內(nèi)通過(guò)構(gòu)成回路。在距平板上表面1 mm處沿平板長(zhǎng)度方向提取磁場(chǎng)分布，結(jié)果顯示其徑向分量Bx為一恒定值(見(jiàn)圖4a，磁力線均勻通過(guò)管體形成穩(wěn)定磁場(chǎng))，軸向分量By為一條近乎為零的水平線(見(jiàn)圖4b);而有缺陷時(shí)，缺陷邊緣處磁力線發(fā)生明顯畸變(見(jiàn)圖3)，并且在相同提離值位置可以看到不同的磁場(chǎng)信號(hào)，有缺陷時(shí)磁通密度徑向分量Bx呈一典型的凸峰，軸向分量By則沿缺陷中心呈一負(fù)一正的兩個(gè)對(duì)稱峰。可見(jiàn)，采用徑向勵(lì)磁方法模擬有缺陷的漏磁通是可行且有效的。

　　2 環(huán)焊縫及其中心缺陷有限元模型

　　2.1 三維幾何模型

　　焊縫及其中心凹坑、錯(cuò)邊和咬邊缺陷的三維幾何模型如圖5所示，為便于比較分析，采用尺寸為150 mm×50 mm×9 mm的平板代替管道進(jìn)行有限元建模與計(jì)算分析;永磁體尺寸40 mm×30 mm×5 mm，永磁體與板面距離為5 mm。同時(shí)，模型中考慮了焊縫表面余高的影響。

　　2.2 材料屬性

　　由漏磁檢測(cè)原理可知，模型中的關(guān)鍵部件有管道、永磁體和空氣罩，模型中需分別對(duì)這些部件的材料屬性進(jìn)行定義。文中以Q235管材為研究對(duì)象，已知空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率大小為1.0，磁鐵采用永磁體，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.045、矯頑力為960 000 A·m-1。

　　2.3 網(wǎng)格劃分

　　在有限元模擬計(jì)算中，網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來(lái)講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算量喝計(jì)算時(shí)間。有限元網(wǎng)格模型如圖6所示，焊縫處采用均勻致密的網(wǎng)格以提高計(jì)算精度，遠(yuǎn)離焊縫中心部分則采用較疏的六面體掃掠網(wǎng)格來(lái)縮短計(jì)算時(shí)間。

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