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中北大学学位论文 工业管道腐蚀脉冲涡流检测传感器仿真研究 摘要 目前，在石油、化工等工业的设备检测中，采用常规的无损检测方法检测带 有一定厚度保温层和保护层管道的内部腐蚀情况，不仅费时费工，而且不能实现 在役运行管道的实时检测。针对这一问题，本文采用a n s y s 有限元软件对脉冲 涡流无损检测技术进行了仿真研究，特别针对脉冲涡流传感器尺寸的参数优化进 行了研究。 脉冲涡流( p e c ) 检测技术是近些年发展起来的一种新型的无损检测技术， 与传统的单频正弦涡流相比，脉冲涡流采用具有一定占空比的方波作为激励源， 具有频谱宽、信号穿透能力强以及精确度好等优点，因而对带有保温层和保护层 管道内部腐蚀情况的检测显示了较大的优越性。 论文首先介绍了脉冲涡流技术的检测原理和a n s y s 软件分析电磁场的理论 基础，然后根据提出的问题建立了脉冲涡流检测系统的有限元模型，并采用提取 特征量的方法对仿真结果进行了分析。 其次，利用所建立的有限元模型对脉冲涡流传感器参数进行了仿真研究，分 别讨论了激励脉宽、频率和激励线圈的匝数、内半径、厚度、长度对检测线圈差 分感应电压的峰值和过零时间的影响，为脉冲涡流传感器尺寸的优化提供了理论 参考。 最后，采用参数优化的脉冲涡流传感器，仿真分析了不同缺陷的长度、宽度 和深度对差分感应电压的峰值和过零时间的影响，为实际检测过程中腐蚀缺陷的 定量检测奠定了基础。 关键字：脉冲涡流，管道腐蚀，a n s y s ，传感器，有限元仿真 中北大学学位论文 t h esi m u l a t i o nr e s e a r c ho fp u l s e de d d yc u r r e n td e t e c t i o n s e n s o ro ni n d u s t r i a lp i p e l i n ec o r r o s i o n x i n w 葫 t u t o r ：l i a n gl i h o n g o i n gk e q i n a b s 仃a c t n o w , i nt h ee q u i p m e n tt e s t i n go ft h ep e t r o l e u ma n dc h e m i c a li n d u s t r y , f o rt h e p i p e l i n ew i t hac e r t a i nt h i c k n e s so fi n s u l a t i o nl a y e ra n dp r o t e c t i v el a y e r , i ti saw a s t e o ft i m ea n dl a b o rt od e t e c tt h ei n t e r i o rc o r r o s i o n sb yc o n v e n t i o n a ln o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n gm e t h o d s l i k et h i s ，r e a l t i m ed e t e c t i o no ft h eo p e r a t i n gp i p e so nt h el i n ei sn o t a c h i e v e d a i m i n gt ot h i sq u e s t i o n , t h ep a p e rs i m u l a t e sa n da n a l y z e sp u l s e de d d y c u r r e n tn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g yb ya n s y sf i n i t ee l e m e n ts o t i _ w a r e s p e c i a l l y , t h ep a p e rr e s e a r c h e st h eo p t i m a ld e s i g na b o u tp a r a m e t e r so fp u l s e de d d y c u r r e n ts e n s o r p u l s e de d d yc u r r e n t ( p e c ) t e c h n i q u ei san e wn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a le d d yc u r r e n tt e c h n i q u e ，p e c t e c h n i q u et a k e st h es q u a r ew a v eh a v i n gac e r t a i nd u t yc y c l ea se x c i t i n gs o u r c e ，a n d h a sq u i t eaf e wa d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gw i d e rs p e c t r u m , s t r o n g e rp e n e t r a t i o n , h i g h e r a c c u r a c y , a n ds oo n s ot h ep e ct e c h n i q u es h o w st h ee n o r m o u ss u p e r i o r i t yt ot h e t e s t i n go f p i p e l i n e 丽t 1 1i n s u l a t i o nl a y e ra n dp r o t e c t i v el a y e r f i r s t l y , t h ep a p e re x p l a i n sc l e a r l yt h ed e t e c t i n gp r i n c i p l eo fp e ct e c h n i q u ea n d t h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di na n s y ss i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e n s e tu pt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep e cd e t e c t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h eq u e s t i o n , a n db a s eo ns i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ea n a l y s i sm e t h o do fe x t r a c t i n gf e a t u r e si ss h o w n s e c o n d l y , p u l s e de d d yc u r r e n ts e n s o ri ss i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n d t h e nt h ei n f l u e n c e so fe x c i t i n gp u l s ew i d t h ，f r e q u e n c ya n dt h et u r n s ，i n t e r i o rr a d i u s ， t h i c k n e s sa n dl e n g t ho ft h ee x c i t i n gc o i lt o t h ep e a k sa n dz e r o c r o s s i n gt i m eo f d i f f e r e n c ei n d u c e dv o l t a g es i g n a l sa r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y s ot h i sw o r kp r o v i d e s t h et h e o r e t i cr e f e r e n c et ot h es i z eo p t i m i z a t i o no fs e n s o r s f i n a l l y , 、j l r i mt h ep e cs e n s o ro p t i m i z e da b o v e ，t h ev a r i e t yd i s c i p l i n a r i a no fp e a k s 中北大学学位论文 a n dz e r o c r o s s i n gt i m eo fd i f f e r e n c ei n d u c e dv o l t a g es i g n a l s ，w h i c ha r ea f f e c t e db y t h el e n g t l l w i d t ha n dd e p t ho ft h ed i f f e r e n tc o r r o s i o n t h i sw o r ke s t a b l i s h e sb a s i ct o d e t e c tq u a n t i t a t i v e l yt h ec o r r o s i o ni nt h ea c t u a ld e t e c t i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：p u l s e de d d yc u r r e n t , p i p e l i n ec o r r o s i o n , a n s y s ，s e n s o r , f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 李皋 日期：2 竺皇：篁：至笸 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名： 莓纬 导师签名：辄l b 期： 2 丝幺：皇：2 笸 聃。刎覃乒一 中北大学学位论文 第一章绪论 随着现代工业的快速发展，无损检测技术在冶金机械、石油化工、航空航天等各个 领域的应用也越来越广泛。所谓的无损检测主要是以不破坏被测物体内部结构为前提， 应用物理的方法，检测物体内部或表面的物理性能、状态特性以及内部结构，检查物体内 部是否存在缺陷，从而判断被测物是否合格，进而评价其可用性【l 】。 目前，常规无损检测主要有五大类，分别是超声法、射线法、磁粉法、渗透法和涡 流法。其中，涡流法与其它无损检测方法相比有其独特的优点：与超声法、射线法相比， 它不需要耦合剂，可以非接触性测量；与磁粉法相比，对磁性和非磁性材料均有效，而 且不污染环境；与渗透法相比，它不需要清洗试件，便于实现检测自动化【2 】。因此在现 实生活中，涡流检测技术广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。 本课题研究的脉冲涡流检测技术就是在涡流检测的基础上发展起来的一种新型的 无损检测技术，其克服了其它涡流检测技术的许多不足，表现出了许多独特的优势，并 且采用a n s y s 有限元仿真软件进行研究，具有很好的科研价值和应用前景。 1 1 课题背景和意义 随着世界工业的快速发展，管道使用的范围越来越广，已经成为现代工业中不可缺 少的部分。但随着管道的服役时间越来越长，管道事故频繁发生，而发生的主要因素是 管道腐蚀。因此，检测管道的腐蚀情况及评价管道系统的可靠性和使用寿命，是避免管 道事故频繁发生的重要的手段之一。 但目前，石油、化工等行业使用的压力管道多数具有较厚的外覆盖层( 包括保温层 和保护层) ，检测时往往需要先去掉管道外的覆盖层，然后再采用常规无损检测方法进 行检测，最后再重新包裹上外覆盖层。这些工作不仅大大延长了检测时间，而且增加了 检测成本，尤其是对于在役运行的压力管道，必须先停止运行再进行检测，给企业造成 了更大的经济损失。在这样的背景下，对管道的腐蚀状况进行不拆除外覆盖层的无损检 测的研究就具有重要的实际意义。 中北大学学位论文 ， 其中，在涡流检测的基础上发展起来的脉冲涡流检测技术，不仅具有常规涡流的检 测速度快、灵敏度高、不需要耦合剂等优点，而且具有自己独特的特点，包括可以实现 管道的不拆除外覆盖层的内部腐蚀的检测，实现压力管道的在线、在役检测，大大缩短 了检测时间，节省了检测成本。因此，基于脉冲涡流检测技术的以上优点，本课题拟采 用脉冲涡流检测技术实现对带外覆盖层的压力管道的腐蚀缺陷的检测。 本课题来源于“十一五”国家科技支撑计划项目“生命线工程和特种设备安全保障 关键技术与工程示范 中的0 2 课题“大型高参数高危险性成套装置长周期运行安全保 障关键技术研究及工程示范”( 项目编号：2 0 0 6 b a k 0 2 8 0 2 ) 中的子专题“钢腐蚀脉冲涡 流检测技术研究及仪器研制”。 本课题的研究有助于人们理解脉冲涡流检测技术用于检测管壁内腐蚀情况的原理， 也为脉冲涡流检测仪器的研制提供了理论参考。同时，利用该项技术可以实现对设备的 在线检测和在线监测，为企业实现承压装置的长周期运行提供重要的技术支持，具有很 大的经济效益和社会意义。在此背景下，本论文利用a n s y s 有限元仿真软件对脉冲涡流 检测技术进行了研究，特别研究了脉冲涡流传感器尺寸的参数优化，为课题中的不拆除 保温层的局部腐蚀检测技术的研究提供了一种可行的方法。 1 2 涡流检测技术概述 涡流检测( e d d y - c u r r e n tt e s t i n g ，简称e c ，r ) 是以法拉第电磁感应定律为基础的 一种无损检测方法。当一块导体置于变化的磁场中或相对于磁场运动时，导体内部就会 产生犹如水中漩涡式的感应电流，称之为涡流。目前，涡流检测主要包括常规涡流、远 场涡流、多频涡流和脉冲涡流等检测方法【3 】。而涡流检测方法具有的传感器结构简单、 无需耦合介质，灵敏度高、测量范围大、易于数字化处理等优点使其广泛应用于航空航 天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域。 1 2 1 涡流检测技术的发展历史 涡流现象的发现和应用已有两百多年的历史。早在1 9 世纪上半叶，丹麦物理家奥斯 特( o e r s t e d ) 就发现当一段导体通有电流时，周围会产生磁场。同时期，法国科学家 2 中北大学学位论文 安培( a m p e r e ) 发现在靠近导体的区域施加大小相同方向相反的电流将会抵消导体电流 产生的磁场。1 8 3 1 年，法拉第( f a r a d a y ) 发现了电磁感应现象，并在实验的基础上提 出了电磁感应定律。1 8 7 3 年，麦克斯韦( m a x w e l l ) 用完整的数学方程式将前人的这些 成果表现出来，建立了系统严密的电磁场理论。直至今日，麦克斯韦方程组仍然是电磁 现象的研究基础【4 】。1 8 7 9 年，休斯( h u g h e s ) 首先将涡流检测应用于实际，以判断不同 的金属和合金。1 9 2 6 年，世界上第一台涡流测厚仪问世【5 1 。 但真正在理论上和实践中完善涡流检测技术的是德国的福斯特( f o r s t e r ) ，他提出 了阻抗分析法，为涡流检测机理的分析和设备研制提供了理论基础，涡流技术的发展才 得到实质性突破。随后，美国、苏联、法国、日本、英国也先后做了大量的开发性工作， 大大增强了涡流技术的检测能力，促进了涡流检测技术的快速发展【6 l 。在近些年，由于 电子技术，尤其是计算机技术和信息理论的飞速发展，对涡流试验产生了深刻的影响，促 进了涡流检测原理的理论研究，研制和生产了各种性能更加完善的涡流检测设备，极大 的开拓了涡流检测的应用范围，使得涡流检测技术在现代工业的各个领域占有越来越重 要的地位 7 1 。 1 2 2 传统涡流检测技术 传统涡流检测主要包括常规涡流、远场涡流和多频涡流检测方法，这些检测方法都 是以法拉第电磁感应定律为基础建立和发展起来的，可以应用于现代工业的各个领域， 应用范围比较广泛。但在应用的过程中，传统的涡流检测技术不仅表现出了自己的优势， 而且还表现出了一些不足，影响了结果的判断。因此，在研究传统涡流的基础上，我们 研究了脉冲涡流检测技术，但在研究之前，首先需要了解传统的涡流检测技术。 1 ) 常规涡流检测技术 常规涡流检测技术主要采用单一频率正弦信号作为激励源。当激励探头接近试件表 面时，试件表面会产生感应涡流。而涡流生成的次生磁场会与探头的原生磁场相互作用， 使得探头的阻抗发生了变化，对应的涡流阻抗图上的轨迹就表明了材料的特性。当试件 的材料特性发生改变( 如存在裂纹、腐蚀、镀层等) 时，试件表面涡流的强度和分布也会 发生变化，探头的阻抗也就发生了改变。因此，测量探头的电流值或者电压值，就可以 得出试件信号的幅值和相位信息，从而分析试件特性的改变 8 , 9 1 。 3 中北大学学位论文 目前，常规涡流检测的处理多使用阻抗分析法。其重要的测试参数为探头的激励频 率，操作者可以根据不同的材料和不同的测试目的来选择频率。不同的材料状况，如： 电导率、磁导率、缺陷，提离间隙和材料厚薄都将产生各自的阻抗图曲线，有着不同的 曲线形状和位置【9 】。因此，理解阻抗图的特性与变化是常规涡流检测的基础。但其引入 的等效阻抗掩盖了许多有用信息，存在分辨率低，使用效率低下等诸多缺点。 2 ) 远场涡流检测技术 远场涡流检测技术是一种能穿过金属管壁的低频涡流检测技术，是基于一种特殊物 理现象远场涡流效应的管道检测技术。其探头是内通过式探头，由两个与管轴同轴 的螺线管线圈组成，其中一个是通低频交流电的激励线圈，另一个是检测线圈。与常规 涡流检测探头不同的是，检测线圈是在远离激励线圈2 3 倍管内径处，能有效的接收穿 过管壁后返回管内的磁场，从而检测管壁缺陷与腐蚀【1 0 , 1 1 】。 而远场涡流检测技术的检测量不是线圈的阻抗变化，而是测量检测线圈的感应电压 与激励电流之间的相位差。远场涡流技术克服了常规涡流检测由于集肤效应带来的局限 性，适于检测铁磁性和非铁磁性管子表面及内部缺陷，可以同样灵敏地检测管壁内外表 面的凹坑、裂缝和总的壁厚收缩，具有比较好的应用前景。 3 ) 多频涡流检测技术 多频涡流检测技术采用几个频率同时工作，能有效地抑制多个干扰困素，一次性提 取多个所需的信号( 如缺陷信号和工件厚度情况等) 。首先，将几个不同频率同时施加于 探头线圈上，以此得到几个频率在同一条件下所反映的涡流场变化，然后把不同频率的 检测信号进行矢量运算，以消除不需要的干扰，这样就可以有效抑制干扰因素，实现多 参数测量【1 0 , 1 2 】。 同时，多频涡流检测可以有效兼顾检测灵敏度与有效检测深度，这是因为检测频率 高，则表面检测灵敏度高，但有效检测深度不足；反之，检测频率低，则有助于加大有 效检测深度，但表面缺陷信号较小。采用两个或多个频率的信号同时进行检测，再赋予 不同的参数配置( 场强、增益、相位) ，就可以满足不同层深、不同形状缺陷的可靠检测。 随着计算机技术的发展，计算机可以控制和处理多个频率的信号同时进行检测，可 实现多参数检测并同时得到多个频率信号反映出来的差动或绝对信号的矢量信息( 即多 踪涡流信号) 。分离或抑制1 3 组干扰信号t 1 3 】。因此，多频涡流检测技术可以看作常规 4 中北大学学位论文 涡流检测的一种扩展，其应用克服了单频检测的某些缺点。但多频涡流检测只能提供有 限的数据，而使得不连续的频率激励容易丢失可能有用的信息，无法实现材质的精确评 价，并f 魄以直观的形式实现缺陷的可视化【1 4 1 。 1 3 脉冲涡流检测技术概述 脉冲涡流( p u l s e de d d yc u r r e n t ，简称p e c ) 检测技术是近些年发展起来的一种新 的涡流检测方法，是为亚表面缺陷检测而专门设计和开发出来的，在现代无损检测技术 的研究和发展中倍受关注【1 5 1 。根据电磁感应定律，当激励线圈两端通有交变电流时，就 会在邻近导体内感应出同频的涡流。传统涡流检测方法采用正弦电流作为激励，而脉冲 涡流的激励电流为具有一定占空比的方波。传统的涡流检测对感应磁场进行稳态分析， 通过测量感应电压的幅值和相位来确定缺陷的位置，而脉冲涡流却对感应磁场或感应电 压进行时域的瞬态分析，以直接测量感应磁场或感应电压最大值来进行缺陷检测【1 6 】。采 用脉冲激励时，无需改变激励频率，只需一次扫描对可以完成对被检测试件大面积内不 同深度缺陷的定量分析。现在，脉冲涡流( p e c ) 检测技术已在美国爱荷华州立大学【1 7 】、 英国的防卫评估与研究公司( d e r a ) 1 8 1 及法国的c e g e l y 实验室取得了一些成功【1 9 1 ，在现 代无损检测技术的研究和发展中倍受关注。如今，脉冲涡流检测技术在现代无损检测的 应用中具有越来越重要的地位口0 1 。 1 3 1 脉冲涡流检测技术的特点 传统的涡流无损检测技术采用单一频率的正弦信号作为激励，通过对感应信号的幅 值和相位等信息进行稳态分析，但是，通过这两个参数不足以实现完全的定量检测。脉冲 涡流采用方波作为激励，提取时域瞬态感应信号的特征量来进行无损检测。根据傅立叶 变换可以知道，方波可以分解为多个不同频率正弦谐波，因此采用脉冲作为激励信号，检 测线圈中所得到的信息就不仅包含了被检测试件的表面、亚表面信息，而且还包含其深 度信息，可以进一步对材质以及缺陷进行定量评价【2 1 2 2 】。 目前，脉冲涡流检测技术的应用优势主要体现在以下几个方面【1 8 2 3 2 6 】： 1 ) 脉冲涡流检测技术属于电磁检测范围，具有无接触式检测和表面无需清理的优 5 中北大学学位论文 点；相对超声、热成像检测技术，脉冲涡流检测不需要任何耦合介质；和射线法比较， 它不需要放射源，不会造成环境污染。 2 ) 与传统涡流采用单一频率的正弦电流作为激励不同，脉冲涡流采用具有一定占 空比的方波作为激励，这样就可以选择占空比( 占空比：脉冲保持时间与间歇时间之比) 较低的激励信号，在激励线圈中允许存在高的电流而不会由于能量的持续耗散而损坏线 圈。这样就可以得到较大的瞬时功率作用于试件，使感应磁场的变化更大，从而最终使 得检测线圈上瞬态感应电压的变化更为明显。 3 ) 传统电磁检测主要进行信号的稳态分析，即通过阻抗分析法或测量感应电压的 幅值和相角来确定缺陷的位置；而脉冲涡流主要对感应电压信号进行时域的瞬态分析， 提取信号的特征量或者特征变化量，分析缺陷的尺寸、类型和结构参数等变化，进而对 缺陷进行定量检测和评估。 4 ) 脉冲具有丰富的频谱内容( 包含从直流至u i o o k h z 甚至更高的频率分量) ，所以只 需一次扫描就可以实现对多层金属结构中不同位置不同深度下缺陷的检测，检测信号便 于在时域和频域同时进行数据分析和处理；并且由于脉冲涡流比单频涡流衰减得慢，所 以瞬态感应电压信号中就包含了更多的有关缺陷的信息。 5 ) 对于厚度有变化的复杂多层结构的大面积扫描，可分辨结构变化和缺陷参数变 化对信号的影响，而无需更换探头或改变设置参数。 6 ) 检测速度快，检测效率高如对于同样含有多频谱分量的扫频测量法，实现一次 检测需要几分钟，而脉冲涡流检测仅耗时数秒；脉冲涡流信号比多频涡流信号响应更快， 因为它同时运行一系列不同的电流频率。 7 ) 信息的采集和处理容易，可以在很短的时间内获得大量的信息，有利于发展自 动扫描和成像技术。 8 ) 对检测信号既可以实时处理，也可以离线处理；并且在数据的后期处理阶段， 可以补偿边缘效应和探头提离效应对结果的影响。 9 ) 脉冲涡流检测系统的设备成本与多频涡流法和扫频测量法相比较低。多频涡流 法需要多个检测通道，这就增加了系统的代价；扫频测量法需要专门的扫频设备，成本 较高。 当然，脉冲涡流检测技术也存在着一定的局限性，具体体现在以下几个方面【1 6 ，2 7 ，2 8 】： 6 中北大学学位论文 1 ) 金属表面感应的涡流的渗透深度随频率而异，激励频率高时金属表面涡流密度 大，检测灵敏度高，但是涡流渗透深度低；随着激励频率的降低，涡流渗透深度增加， 但表面涡流密度下降，检测灵敏度降低。所以检测深度与检测灵敏度是相互矛盾的，需 要根据材质、表面状态等作综合考虑，再确定检测方案与技术参数。 2 ) 虽然脉冲具有很宽的频谱分析范围，但检测系统对信噪比具有了更高的要求。 3 ) 对检测试件各种参数变化具有高敏感性，使检测结果易受到提离效应的影响。 尽管脉冲涡流检测存在一些不足之处，但它独特的专长是其它无损检测方法所无法 取代的，因此它在无损检测领域中具有重要的地位。 1 3 2 国内外的研究现状 近年来，国外大量研究机构和科研院所利用脉冲涡流技术对飞机多层结构中腐蚀和 裂纹的检测问题进行了广泛深入的研究，取得了大量的研究成果，一些研究机构已经推 出了实用化的脉冲涡流无损检测仪器【l 引。 脉冲涡流检测系统所使用的传感器主要有两大类，一类采用线圈作为检测传感器， 测量磁场的变化率；另一类采用霍尔元件、巨磁阻和最新出现的超导等磁传感器作为检 测传感器，直接测量磁场值。 1 ) 采用线圈作为检测传感器的脉冲涡流检测系统： ( 1 ) 美国i o w as t a t eu n i v e r s i t y 无损评估中心对脉冲涡流的研究主要集中在对飞机 多层结构缺陷的检测和定量上，并且取得了有关p e c 技术的专利。他们采用线圈作为 激励和检测，采用峰值和过零时间作为特征量，其中，峰值主要和腐蚀的严重程度有关， 过零时间和缺陷的深度密切相关。其在美国空军的支持下，研制了用于对飞机多层结构 中出现的腐蚀缺陷进行检测的脉冲涡流仪器【2 9 3 0 1 。 ( 2 ) 加拿大国防部飞行器研究中心( a i r v e h i c l er e s e a r c hs e c t i o n , n a t i o n a ld e f e n c e h e a d q u a r t e r s ) 的研究人员发现在腐蚀量一定的情况下，不管提离怎么变化，脉冲涡流 感应信号会在同一个点相交，提出了提离交叉点( l i f t o f f p o i n t , l o p ) 的方法消除了提 离效应对检测结果的影响，利用脉冲涡流无损检测技术实现了在有提离存在的情况下， 对机身结构中出现的腐蚀缺陷的成像检测【2 3 3 1 3 3 1 。 2 ) 采用磁传感器作为检测传感器的脉冲涡流检测系统： 7 中北大学学位论文 ( 1 ) 英国防卫评估与研究中心一d e r a 和澳大利亚的航空与航海研究实验室一 a m r l 合作，也对脉冲涡流检测技术进行了深入的研究，成功研制了对飞机机身结构 进行检测的仪器- - t r e c s c a n ( t r a n s i e n te d d y - c u r r e n ts c a n n i n gs y s t e m ) ，其采用专用的机 械扫描装置，可以用来对多层结构中出现的腐蚀和裂纹缺陷进行定量检测1 8 3 4 】。 ( 2 ) 德国( i n s t i t u t eo f t h i nf i l m sa n di n t e r f a c e s ，r e s e a r c hc e n t e rj u l i c h ，g e r m a n y ) 的 科学家在对脉冲涡流检测技术进行研究的基础上，采用超导磁传感器实现了多层结构中 裂纹缺陷的检测【3 8 1 。 目前，基于脉冲涡流的隔离层检测方法在日本被作为铁磁性管道的检测手段而处于 研究当中，达到实用化阶段还需要一段时剐”】。而在其它国家该方法作为保温层材料下 的管道壁厚减薄的调查手段而在研究中，二十年前美国a r c o 公司最初在世界上首次 研制成了现场试验用的仪器。同时，荷兰生产了产品化的用于对管道腐蚀缺陷检测的脉 冲涡流i n c o t e s t 检测系统，该系统检测时针对不同的管径采用不同的传感器尺寸，实 现了对不同管径下缺陷的有效检测。同时，该检测系统进行检测时不用去除管道的绝缘 层和表面涂层。另外，该检测系统还应用于以下情况：绝缘层是湿的、不规则或不均匀； 绝缘层内有加强的金属网；设备表面不洁净、有附着物、粗糙或有硬壳；设备处于运行 状态等。在这些条件下，设备的应用均取得了良好的效果【柏1 。 在国内，对脉冲涡流检测技术的研究主要还处于实验阶段，各期刊上发表的有关脉 冲涡流的文章仅仅局限于方法的介绍和实验分析，而对多层金属结构中层间或次表面缺 陷的定量检测和评估方面的应用优势未作研究。近几年，武汉理工大学、国防科技大学、 西安交通大学和西南科技大学等对脉冲涡流检测技术的实际应用方面进行了更深层次 的研究，并取得了很好的成果。比如武汉理工大学的游凤荷等对脉冲涡流的磁场特征进 行了分析并给出了材质涡流检测的信号处理方法，发现在相同脉冲涡流的激励下，导体 中的涡流频率特性与深度无关，而且还发现瞬时涡流的衰减周期和涡流的频率成分不仅 与被测件材质有关，还与脉冲重复频率有关 1 4 如。国防科技大学的杨宾峰等进行了脉冲 涡流在飞机铆接结构无损检测中的应用研究，得到了脉冲涡流检测技术中试件的裂纹和 腐蚀缺陷与检测线圈的感应电压信号峰值和过零时间之间的关系 1 6 4 。再比如西安交 通大学利用脉冲涡流检测技术从理论和仿真方面，分析了感应电流和金属厚度之间的关 系 4 2 1 。另外，西南科技大学利用脉冲涡流技术进行金属表面裂纹检测，并通过实验的方 8 中北大学学位论文 法得到了涡流信号的峰值和裂纹深度之间的关系【4 3 1 。 1 3 3 脉冲涡流检测技术的发展趋势 脉冲涡流检测作为一种新型的无损检测技术，应用前景是非常广泛的。目前，从国 内外的研究现状分析，脉冲涡流检测技术的发展趋势主要体现在以下几个方面： 1 ) 脉冲涡流的理论依据和检测模型的研究 利用数值计算和有限元仿真技术的方法建立脉冲涡流检测理论模型【2 0 川，从理论上 分析脉冲涡流穿透深度变化规律及缺陷参数和位置对瞬态磁场信号的影响，对于深刻认 识脉冲涡流的作用原理具有重要的意义，并且可以对今后的实验提供有力的理论指导。 2 ) 传感器的设计和发展方向 研究与发展阵列传感器，借助阵列传感器，可以大大提高扫描速度和检测效率，并 可以将多传感信息融合技术的研究方法引入，实现腐蚀缺陷成像【3 8 州；此外，采用高灵 敏度的磁性器件作为检测传感器，例如霍尔传感器( h a l l ) 、巨磁阻( g m r ) 传感器以及超 导器件( s q u i d ) ，从而提高检测灵敏度，成为脉冲涡流检测技术的一个重要发展方向。 3 ) 信号处理和特征量提取 利用脉冲涡流既具有时域信息、又具有丰富频域信息的特点，对响应信号的处理和 分析上，不仅仅限于时域分析，而且要把频域或时频域结合起来提取检测特征量【4 5 1 ；研 究新的信号检测和数据处理方法，将时域信号处理、频域信号处理、时频分析、数据融 合技术等应用到脉冲涡流检测技术的研究中。 4 ) 消除提离效应的影响 当探头在机身进行扫描的过程中，由于结构的不平整性将导致传感器在扫描的过程 中产生提离，提离效应产生的信号可能淹没有效信号，因此，需要通过采用新的传感器 结构或先进的信号处理软件算法消除提离效应。 5 ) 多种缺陷同时存在时的分类识别 目前的脉冲涡流检测技术可以实现对裂纹、腐蚀等缺陷的单独存在时的检测，但是， 当这些缺陷同时存在或者缺陷所处的位置不同时，如何对这些缺陷进行分类识别是目前 的一个难点。 6 ) 腐蚀缺陷三维成像方面的研究 9 中北大学学位论文 将阵列传感器技术与数字图像处理相结合，正确提取可以表征缺陷的特征量，最终 实现腐蚀缺陷三维成像口6 阄。 - 7 ) 多层金属结构厚度方面的研究 目前，国内外的研究人员在多层结构定量涡流检测方面开展了不少的工作，在该问 题的正向、逆向理论与建模方法以及单层或若干层的定量分析取得了一定的进展。但是 由于金属结构涡流逆向问题理论上严重的非线性和开发上的复杂性，成熟的多层厚度脉 冲涡流检测系统尚未出现。 1 4 有限元数值计算及仿真软件的发展 1 4 1 有限元数值计算方法的发展 常用的计算电磁学的数值方法主要有有限差分法、时域有限差分法( f d t d ) 、有限 元法( f e m ) 、矩量法( m o m ) 、多极子法( 删p ) 、几何光学绕射法( g t d ) 、物理光学绕射 法( p t d ) 和传输线法( t l m ) 掣4 7 】。目前，常用的计算方法主要是有限差分法和有限元 法。早在1 9 世纪末，有限差分法就已经被提出，是电磁场数值计算方法中最早使用的 一种方法。这种方法以概念清晰、方法简单、直观的特点应用于电磁场数值分析领域。 2 0 世纪5 0 年代以后，差分法和近似数值分析才开始联系起来，借助计算机求各种方程 的数值解。有限元法在2 0 世纪4 0 年代第一次被提出。1 9 5 6 年美国的t u r n e r 等人运用 有限元法第一次成功的解决了飞机结构中的弹性力学问题【4 引，但把有限元法首先用于电 工设备电磁场计算的是w i n s l o w ，他用有限元法分析了加速器磁铁的饱和效应。s i l v e r s t e r 和c h a i i 则提出了电机内电磁场问题的第一个通用非线性变分表述【4 9 1 。自此以后，有限 元法在各种电磁场问题中得到了广泛应用。 最近2 0 多年来，电子计算机技术的迅速发展促进了计算电磁学的前进。作为计算 电磁学的主要部分，电磁场数值分析的理论与方法得到了较充分的研究。特别是9 0 年 代以来，关于三维涡流场的表述、规范和唯一性问题，从理论和实际计算方面都得到了 很好的解决。目前，有限元法已涉及到瞬态涡流场、非线性涡流场以及非线性瞬态涡流 场的计算，特别是对棱边有限元法和非稳态电磁场的研究进展，使得有限元计算在解的 稳定性和计算代价等方面表现出了明显的优越性，在各方面也得到了更广泛的应用。 1 0 中北大学学位论文 1 4 2 有限元仿真软件的发展 国际上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大 功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托 美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。从那时到现 在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或 通用有限元分析软件，主要有德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国的a b q u s 、 a d i n a 、a n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等【矧。这些有限 元软件由于其功能强大，应用方便，迅速成为解决实际工程中复杂的理论计算问题的有 力工具。 1 5 课题研究的内容 本文采用a n s y s 有限元软件对脉冲涡流检测技术进行了仿真研究，并对目前的相关 研究成果进行了全面的总结。通过对脉冲涡流检测系统的仿真分析，研究传感器的激励 模式和结构尺寸对检测结果的影响，为设计具有较高灵敏度和较大穿透力的传感器提供 依据。在此基础上，仿真研究该传感器对缺陷的响应和缺陷尺寸之间的定量关系。本文 各章的具体研究内容如下： 第一章，首先阐明本课题的背景及研究意义，然后，阐述涡流检测技术的研究意义、 发展历史和趋势，以及脉冲涡流检测技术的研究现状。最后，介绍有限元数值计算方法 和有限元软件在国内外的发展。 第二章，详细分析脉冲涡流检测技术的基本原理，探讨脉冲涡流在管道上的趋肤效 应和径向分布规律。 第三章，本章讨论有限元数值仿真的方法，并进一步分析a n s y s 软件对电磁场进行 仿真的基础和原理。 第四章，通过对脉冲涡流检测系统的认真分析，提出仿真的目的，建立仿真的模型， 研究仿真的过程，最后对仿真结果进行分析，研究对脉冲涡流传感器进行优化设计的思 路和方法。 第五章，改变仿真模型中的激励电压参数和传感器的尺寸大小，研究各参数对检测 中北大学学位论文 结果的影响。然后在传感器尺寸研究的基础上，仿真研究缺陷尺寸变化对检测结果的影 响，为管道内壁腐蚀缺陷的定量检测提供理论参考。 第六章，对主要的研究成果进行总结，并对课题研究中的一些不足以及今后要开展 的研究工作进行展望。 1 6 本章小结 本章首先说明了课题的研究背景和意义，然后介绍了涡流检测技术，并对脉冲涡流 检测技术的特点及国内外研究现状和发展趋势进行了综述，最后阐述了论文的主要研究 内容。 1 2 中北大学学位论文 2 1 基本原理 第二章脉冲涡流检测技术理论基础 脉冲涡流检测技术的理论基础是法拉第电磁感应定律，当在变化的磁场中放置一块 导体时，导体中就会产生感应电流。首先，将脉冲信号源产生的具有一定占空比的电压 方波加到激励线圈两端，激励线圈中就产生周期的宽带脉冲电流，然后激励电流会感生 出一个快速衰减变化的脉冲磁场( 源磁场b 1 ) ，该变化的磁场又会在导体试件中感应出 瞬时涡流( 脉冲涡流) 在导体试件内部传播。最后，试件内的涡流会感应出一个快速衰减 的磁场( 涡流磁场b 2 ) ，并且随着涡流磁场的衰减，检测线圈上会感应出随时间变化的 电压，得到的感应电压信号就包含着重要的缺陷深度信息【1 6 1 7 1 。脉冲涡流检测的原理示 意图，见图2 1 。 图2 1 脉冲涡流检测原理示意图 同时，如果导体试件中有缺陷存在，就会使感应磁场强度发生变化，势必对涡流分 布产生影响，从而影响到磁场分布，最终使得检测线圈上的感应电压发生变化，所以通 过测量感应电压信号，就可以得到有关缺陷的尺寸、类型和结构参数等信息【2 1 2 2 】。 2 2 脉冲涡流的分布规律 研究脉冲涡流在管道内的传播规律和管道表面的分布情况是非常重要的，这些对于 传感器的设计具有非常重要的意义。本文研究的脉冲涡流检测系统的传感器部分主要是 1 3 中北大学学位论文 圆柱形线圈，所以这里主要讨论涡流沿圆柱形激励线圈的轴向和径向的分布规律。 2 2 1 趋肤效应 涡流在被检试件中的分布是不均匀的。涡流总是密集于靠近线圈的试件表面，随着 离开表面距离的增加，涡流也逐渐减少，而且是按指数关系从表面向工件内部衰减，这 种现象称作趋肤效应4 1 。由半无限大导体中电磁场的麦克斯韦方程可导出距离导体表面 x 深度处的涡流密度： 正= j o 一力肜 ( 2 1 ) 式中：j 。导体表面涡流大小( a i m 2 ) ；卜电流频率( h z ) ；a - 一材料磁导率( h m ) ； 矿一材料电导率( s m ) ； 从式( 2 1 ) 可以看出，导体表层涡流密度和磁场渗透深度均与f 、盯有关， f 、矿越小，则表层涡流密度越大，渗透深度也越深，反之亦然。可见涡流并非 在材料中均匀分布，而且涡流在表面上密度较高，自导体内部向外按指数规律衰减，并 随频率、磁导率和电导率的增大，渗透深度减小。 以归一化涡流密度为纵坐标，以距表面的深度为横坐标构成平面坐标刚5 1 1 ，如图 2 2 所示。当距离增大时，涡流密度值将从1 0 0 很快衰减到1 e ( 3 7 ) ，当涡流密度小 于1 e ( 3 7 ) 时，变化就不再明显了。所以定义涡流密度等于表面涡流密度1 e ( 3 7 ) 处的距表面的距离称为涡流标准渗透深度万，也叫趋肤深度，即： 1 d = 产一( 2 2 ) q 死f g o 、“。 式中：万一趋肤深度( 1 1 1 ) ；f 一电流频率( h z ) ；胪一材料磁导率( h m ) ； 一材料电导率( s m ) ； 1 4 中北大学学位论文 归 。 化 涡 流 密 度 图2 2 归一化涡流密度图 渗透深度万定性地反映了涡流检测的深度。万越大，可检测的深度相应也越大；反 之则小。但万并不是涡流检测所能达到的最大深度。涡流检测的最大深度可达万的2 6 倍左右，在这个深度上，涡流密度已经衰减为表面密度的5 ，这时的检测灵敏度已经 很低，超过这个深度，涡流检测就显得无能为力了。通常定义2 6 倍的标准渗透深度为 涡流的有效的渗透深度。 2 2 2 径向分布规律 涡流在被检试件中的分布是不均匀的。变化磁场在导体中感应出涡流，而且在导体 中形成闭合环路，其环形路线与激励线圈在空间的位置以及导体中的缺陷分布有密切关 系，因此要准确分析计算涡流的分布，必须知道磁场的特性及边界。当给激励线圈通以 变化的电流时，线圈周围产生变化磁场，并在试件导体中产生涡流，涡流的环路可以看 作以线圈为中心的短环路，处于激励场下的试件上就有无穷多个这样的同心短路环。可 以证明，其中任何一个环中的电流密度，是环的半径和综合磁感应分布的函数【5 2 】。劳斯 ( h r l o o s ) 提出了“有限元分割环”的计算方法求的涡流的径向分布范围。本文的脉 冲涡流系统中，在距离试件h 处放置一扁平激励线圈，其内径为r l ，外径为r 2 ，长度 为l ，如图2 3 所示。而由劳斯提出的计算方法得到的涡流径向分布范围，如图2 4 所 示。 1 5 中北大学学位论文 0 0