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铁磁性管道中轴向裂纹的远场涡流检测技术研究

徐小杰  
【摘要】: 远场涡流作为涡流无损检测技术的一个重要分支,目前在各个行业的管道日常维护和安全保障中发挥着重要作用。本文在分析国内外远场涡流无损检测技术研究动态的基础上,针对目前该技术中所存在的一些不足,结合有限元仿真和实验研究,对铁磁性管道远场涡流检测中的轴向裂纹检测灵敏度改善方法、磁导率不均匀对缺陷检测的影响及其消除以及内外壁轴向裂纹的分类和识别技术等几个方面进行了研究。主要研究内容及创新如下: 对不同类型缺陷进行了有限元仿真和实验研究。利用三维有限元仿真技术,分析了影响轴向裂纹检测灵敏度的根本原因,结合缺陷等效源的概念,提出了基于“准缺陷”的仿真模型,并利用这一模型证实了在铁磁性管道的远场涡流检测中,缺陷存在时的扰动主要来源于磁导率变动而非缺陷对涡流的扰动;对于裂纹缺陷检测灵敏度与裂纹宽度之间的关系进行了仿真研究,提出了基于高阶散射源的分析方法,定性的解释了仿真和实验中发现的现象,即:对于相同尺寸的轴向和周向裂纹,裂纹宽度减小时,周向裂纹的检测灵敏度变化不大,而轴向裂纹的检测灵敏度则急剧下降;对细小轴向裂纹的三维有限元仿真进行了探讨,提出了基于集肤深度公式的近似计算模型,并在单次透射情况下对其进行了验证。 研究了铁磁性管道中轴向裂纹检测灵敏度的改善方法。提出一种新的远场涡流传感器结构,该传感器结构具有同时产生轴向和周向激励磁场分量的功能,因而可以有效的提高对于不同类型缺陷尤其是轴向裂纹的检测灵敏度;设计了几种可用于检测不同方向磁场的检测线圈,对基于E型磁芯的检测线圈结构进行了仿真分析,将其应用到远场涡流的轴向裂纹的检测中;同时,围绕新型传感器的研究,对系统各种参数如激励功率、激励频率的选择问题进行了详细探讨;从有限元仿真和实验的角度分别对此新型传感器结构进行了验证,仿真和实验结果表明,采用此种方法改善轴向裂纹检测灵敏度是行之有效的。 对基于独立分量分析技术消除磁导率不均匀影响的方法进行了研究。从磁导率不均匀与缺陷之间的电磁特性异同出发,通过有限元仿真分析,我们认为,尽管磁导率不均匀与缺陷在检测信号的各个特征上难以区分开来,但从其电磁场本质而言,可以将两者等效为两个相互独立的源,并证实了两者之间的关系满足叠加定理;在此基础上,提出了基于独立分量分析技术的磁导率不均匀影响的消除方法,结合传感器阵列技术,采用四种具有代表性的独立分量分析算法对缺陷信号和磁导率不均匀信号进行了分离,并提出了应选择实部信号和虚部信号而非幅值和相位信号作为输入混合信号的观点,同时对各种不同噪声情况以及传感器信号数目大于源信号数目时的情况,进行了该方法的有效性验证;利用实际检测到的磁导率不均匀与缺陷的混合信号,对基于独立分量分析的方法进行了实验验证,从分离效果来看,该方法可以有效的消除磁导率不均匀的影响。 对管道内外壁缺陷的分类识别技术进行了研究。由于远场涡流的二次透射特性,使得其对于内外壁缺陷有着几乎相同的灵敏度,正是这一特点决定了其应用于铁磁性管道缺陷检测中的优势。然而,由于同样的原因,这也意味着远场涡流技术无法判断出缺陷位于内壁还是位于外壁。目前,有人尝试采用脉冲激励的方式,利用其丰富的频谱特性来区别内外壁缺陷,然而其结果均是基于较大的全周向缺陷,对于轴向裂纹等缺陷的有效性未进行研究。在尝试将基于脉冲激励的方法进一步应用于内外壁轴向裂纹的分类识别时,我们发现,对于内外壁轴向裂纹情况,该方法的适用性受到了很大的限制;利用有限元仿真技术,研究了脉冲激励下的远场涡流效应,对脉冲激励能够识别内外壁缺陷的根本原因进行了分析;从频域分析的角度出发,通过对位于不同位置传感器所获得的信号进行频谱分析,发现此种方法之所以对内外壁轴向裂纹的识别能力不足,其根本原因在于未考虑处于过渡区那一部分频率的影响,并在此基础上提出两种改进方案:基于双频技术的内外壁缺陷分类识别技术以及基于预去重技术的内外壁缺陷分类识别技术。


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