摘要
本文主要是傳感器提離值與缺陷漏磁場的仿真研究，介紹了漏磁檢測技術(shù)的原理及其應(yīng)用，給出了漏磁信號與缺陷特征所形成的線性關(guān)系，并通過ANSYS分析研究了提離值對漏磁信號的影響。
管道漏磁檢測中，管道中的焊縫和管道異物等會(huì)引起傳感器提離值和漏磁檢測工具磁化器提離值，并且對獲得的漏磁數(shù)據(jù)有潛在影響。利用有限元仿真軟件模擬各種提離值對漏磁信號的影響。仿真結(jié)果表明傳感器提離值引起漏磁信號峰值的降低，傳感器提離值對漏磁信號峰值的影響遠(yuǎn)大于相同大小的磁化器提離值的影響，傳感器和磁化器同時(shí)引起的提離值引起漏磁信號峰值的最大降低。正確理解提離值對漏磁信號的影響，將改善漏磁檢測的質(zhì)量，并獲得對缺陷完整的評價(jià)。
本設(shè)計(jì)的目的是為了提高油氣管道漏磁檢測的準(zhǔn)確度，需要在確保檢測靈敏度的同時(shí)，減小傳感器與被測油氣管道表面的距離即提離值的波動(dòng)影響。分析了提離值選擇的主要原則，采用ANSYS得到兩者之間的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：漏磁檢測；提離值；漏磁；缺陷
第1章 緒論
1.1課題的來源及意義
漏磁檢測的方法通常與渦流-微波-金屬磁記憶一起別列為電磁無損檢測方法。該方法主要應(yīng)用于諸如輸油氣管-儲油罐底板-鋼絲繩-鋼板-鋼管-鋼棒-鏈條-鋼結(jié)構(gòu)件-焊縫-埋地管道等鐵磁性材料表面和近表面的腐蝕-裂紋-氣孔-凹坑-夾雜等缺陷的檢測，也可用于鐵磁性材料的測厚。漏磁無損檢測技術(shù)在鋼鐵-石油-石化等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛.我國各工業(yè)領(lǐng)域?qū)β┐艡z測技術(shù)尚處于了解-認(rèn)識-引用的初級階段，在工業(yè)上實(shí)用探傷設(shè)備的開發(fā)制造還剛剛起步，而隨著質(zhì)量控制技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步我國對于漏磁探傷設(shè)備的市場需求將越來越大。因此，縮小同國外先進(jìn)的無損檢測設(shè)備制造水平的差距是當(dāng)前我國無損檢測業(yè)界同仁的重要且緊迫的任務(wù)。
1．2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國從90年代初對漏磁檢測技術(shù)進(jìn)行了研究,于2002年研制出管道和鋼板腐蝕漏磁檢測儀,其總體技術(shù)水平落后于歐美等發(fā)達(dá)國家。近年來,在國內(nèi)無損檢測工作者的共同努力下,目前已有許多的高校和研究單位在這方面取得了可喜的成果,逐步縮小了與國際水平的差距。
國內(nèi)研究漏磁檢測技術(shù)的高校主要有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等。其中華中科技大學(xué)的楊叔子、康宜華、武新軍等,在儲罐底板漏磁檢測研究和管道漏磁無損檢測傳感器的研制、鋼絲繩的漏磁檢測等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作,利用ANSYS軟件分析了傳感器勵(lì)磁裝置的參數(shù)對鋼板局部磁化的影響,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的漏磁檢測傳感器等;清華大學(xué)的李路明、黃松齡等研究了管道的漏磁探傷,鐵鑄件的漏磁探傷方法,采用有限元分析法研究永磁體幾何參數(shù)對管道磁化效果的影響,分析漏磁探傷中各種量之間的數(shù)值關(guān)系,如表面裂紋寬度對漏磁場Y分量影響的問題；交直流磁化問題,針對漏磁檢測交流磁化的磁化電流頻率選擇問題,分析了磁化頻率的選取原則等等；沈陽工業(yè)大學(xué)的楊理踐等,研究了基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的管道漏磁在線檢測系統(tǒng),分析了小波包在管道漏磁信號分析中的應(yīng)用,通過時(shí)域分析理論對管道漏磁信號進(jìn)行處理;合肥工業(yè)大學(xué)的何輔云對漏磁探傷采用多路缺陷信號的滑環(huán)傳送方法并研制了在役管線漏磁無損檢測設(shè)備；上海交通大學(xué)的闕沛文、金建華等對海底管道缺陷漏磁檢測進(jìn)行研究,通過小波分析對漏磁檢測信號進(jìn)行去噪實(shí)驗(yàn),同時(shí)將巨磁阻傳感器應(yīng)用于漏磁檢測系統(tǒng),研制了適用于輸油、輸氣管道專用漏磁檢測傳感器；中原油田鉆井機(jī)械儀器研究所開發(fā)出了抽油桿井口漏磁無損檢測裝置；軍械工程學(xué)院研制的智能漏磁裂紋檢測儀,能對鋼質(zhì)構(gòu)件的表面和內(nèi)部的裂紋進(jìn)行定量檢測；中國科學(xué)院金屬研究所的蔡桂喜對磁粉和漏磁探傷對裂傷缺陷檢出能力進(jìn)行了研究,用環(huán)電流模型計(jì)算了各種矩形槽形狀人工及自然缺陷產(chǎn)生的漏磁場,提出磁粉和漏磁兩種方法不適合開裂縫隙很窄的疲勞裂紋的檢測的結(jié)論。愛德森公司采用多信息融合技術(shù)研制成集渦流、漏磁、磁記憶、低頻電磁場于一體的便攜式檢測儀器,該儀器能同時(shí)獲取多種檢測信號,適用于流動(dòng)現(xiàn)場的檢測。
1.2.2 國外的研究現(xiàn)狀
國外對漏磁檢測技術(shù)的研究很早,Zuschlug于1933年首先提出應(yīng)用磁敏傳感器測量漏磁場的思想,但直至1947年Hastings設(shè)計(jì)了第一套漏磁檢測系統(tǒng),漏磁檢測才開始受到普遍的承認(rèn)。20世紀(jì)50年代,西德Forster研制出產(chǎn)品化的漏磁探傷裝置。1965年,美國Tube scope 國際公司采用漏磁檢測裝置Linalog首次進(jìn)行了管內(nèi)檢測,開發(fā)了Wellcheck井口探測系統(tǒng),能可靠地探測到管材內(nèi)外徑上的腐蝕坑、橫向傷痕和其它類型的缺陷。1973年,英國天然氣公司采用漏磁法對其所管轄的一條直徑為600mm的天然氣管道的管壁腐蝕減薄狀況進(jìn)行了在役檢測,首次引入了定量分析方法。ICO公司的EMI漏磁探傷系統(tǒng)通過漏磁探傷部分來檢測管體的橫向和縱向缺陷,壁厚測量結(jié)合超聲技術(shù)進(jìn)行,提供完整的現(xiàn)場探傷。
對于缺陷漏磁場的計(jì)算始于1966年,Shcherbinin和Zatsepin兩人采用磁偶極子模型計(jì)算表面開口的無限長裂紋,前蘇聯(lián)也于同年發(fā)表了第一篇定量分析缺陷漏磁場的論文,提出用磁偶極子、無限長磁偶極線和無限長磁偶帶來模擬工件表面的點(diǎn)狀陷、淺裂紋和深裂縫。之后,蘇、日、美、德、英等國相繼對這一領(lǐng)域開展研究,形成了兩大學(xué)派,主要為研究磁偶極子法和有限元法兩大學(xué)派。Shcherbinnin和Poshagin用磁偶極子模型計(jì)算了有限長表面開口裂紋的磁場分布。1975年,Hwang和Lord采用有限元方法對漏磁場進(jìn)行分析,首次把材料內(nèi)部場強(qiáng)和磁導(dǎo)率與漏磁場幅值聯(lián)系起來。Atherton把管壁坑狀缺陷漏磁場的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果聯(lián)系起來,得到了較為一致的結(jié)論。Edwards和Palaer推出了有限長開口裂紋的三維表達(dá)式,從中得出當(dāng)材料的相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于缺陷深寬比時(shí),漏磁場強(qiáng)度與缺陷深度呈近似線性關(guān)系的結(jié)論。國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國從90年代初對漏磁檢測技術(shù)進(jìn)行了研究,于2002年研制出管道和鋼板腐蝕漏磁檢測儀,其總體技術(shù)水平落后于歐美等發(fā)達(dá)國家。近年來,在國內(nèi)無損檢測工作者的共同努力下,目前已有許多的高校和研究單位在這方面取得了可喜的成果,逐步縮小了與國際水平的差距。
1.3 本文的主要研究內(nèi)容
本文主要是傳感器提離值與缺陷漏磁場的仿真研究，介紹了漏磁檢測技術(shù)的原理及其應(yīng)用，ANSYS軟件的操作和使用，并通過ANSYS分析研究了提離值對漏磁信號的影響，本設(shè)計(jì)的目的是為了提高油氣管道漏磁檢測的準(zhǔn)確度，需要在確保檢測靈敏度的同時(shí)，減小傳感器與被測油氣管道表面的距離即提離值的波動(dòng)影響。分析了提離值選擇的主要原則，通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了這種方法的效果。
第2章 漏磁無損檢測
2.1漏磁無損檢測概述
無損檢測技術(shù)是一門新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科，它是在不破壞或不損壞被檢測對象的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶?、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化，來探測各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和表面缺陷，并對缺陷的，類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化作出判斷和評價(jià)。目前，常用的無損探傷方法有液體滲透檢測、磁粉檢測與漏磁檢測、聲發(fā)射檢測、射線探傷等。近年來，無損檢測技術(shù)的發(fā)展速度很快，一些無損檢測新技術(shù)如磁記憶無損檢測、紅外熱波無損檢測、超聲相控陣技術(shù)、激光無損檢測、微波無損檢測等也得到了應(yīng)用。
漏磁檢測方法通常與渦流、微波、金屬磁記憶一起被列為電磁（EM Electromagnetic)無損檢測方法。該方法主要應(yīng)用于諸如輸油氣管、儲油罐底板、鋼絲繩、鋼板、鋼管、鋼棒、鏈條、鋼結(jié)構(gòu)件、焊縫、埋地管道等鐵磁性材料表面和近表面的腐蝕、裂紋、氣孔、凹坑、夾雜等缺陷的檢測 ,也可用于鐵磁性材料的測厚。漏磁無損檢測技術(shù)在鋼鐵、石油、石化等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。我國各工業(yè)領(lǐng)域?qū)β┐艡z測技術(shù)尚處于了解、認(rèn)識、引用的初級階段 ,在工業(yè)上實(shí)用探傷設(shè)備的開發(fā)制造還剛剛起步 ,而隨著質(zhì)量控制技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步我國對于漏磁探傷設(shè)備的市場需求將越來越大。因此 ,縮小同國外先進(jìn)的無損檢測設(shè)備制造水平的差距是當(dāng)前我國無損檢測業(yè)界同仁的重要且緊迫的任務(wù)。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,儀器的體積越來越小、處理速度越來越快、功能越來越強(qiáng)大。漏磁檢測理論研究及探傷系統(tǒng)的傳感器性能、數(shù)據(jù)處理等方面也都有很大的進(jìn)步。下面就漏磁場的理論計(jì)算、各種因素和缺陷漏磁場之間的關(guān)系、漏磁檢測的磁化方法、采用的傳感器種類、檢測方式和信號處理技術(shù)分別作簡要的歸納。隨著現(xiàn)代各領(lǐng)域技術(shù)的相互交叉融入 ,各種技術(shù)相互促進(jìn)發(fā)展 ,漏磁檢測技術(shù)的應(yīng)用研究也必將朝著更趨于成熟、完善的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢有以下幾個(gè)方面 :
（1）更高的處理速度
（2）高性能傳感器及智能傳感器
（3）傳器的智能化、小型化
（4）專家系統(tǒng)的融入
（5）多信息融合技術(shù)
（6）高可靠性和穩(wěn)定性
（7）界面更為友好直觀
（8）操作更為簡易、快捷
（9）在線、離線檢測的機(jī)電一體化
（10）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融入
（11）在役設(shè)備檢測信息管理跟蹤分析的研究
2.2漏磁檢測的原理
漏磁 (magnetic flux leakage ,簡稱MFL)無損檢測技術(shù)由于檢測速度快、可靠性高且對工件表面清潔度要求高等特點(diǎn)在金屬材料的檢測和相關(guān)產(chǎn)品的評估中得到廣泛應(yīng)用。與磁粉探傷不同 ,漏磁檢測中信號不用磁粉顯示 ,對環(huán)境無污染 ；由于采用各種敏感元件 (如霍爾元件和線圈方式 ) ,檢測結(jié)果直接以電信號輸出 ,容易與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理 ,因此其檢測結(jié)果可存儲和再現(xiàn) ,便于檢測信號的分析及檢測結(jié)果的歷史趨勢分析。一般來說，漏磁信號的大小取決于四個(gè)因素，即：
１、監(jiān)測儀器本身性能，包括傳感器及配套系統(tǒng)、預(yù)處理電路和信號分析系統(tǒng)。
２、實(shí)際缺陷的幾何形狀和特性。
３、儀器檢測速度和被測部件運(yùn)行狀況（如是否受力等）。
４、被檢部件的磁性。
目前對漏磁信號處理的方法主要有時(shí)域的波形分析法（包括信號峰峰值和短程能量等）、頻域分析方法、小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些方法更多的是針對特定工況的特定信息，采用檢測信號與標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號比較來進(jìn)行缺陷分析，很少考慮到檢測過程中不同因素對信號分析結(jié)果的影響，對缺陷類型、幾何形狀和部件工況等缺乏定量描述。
當(dāng)用磁化器磁化被測鐵磁材料時(shí)，若材料的材質(zhì)是連續(xù)-均勻的，則材料中的磁感應(yīng)線將被約束在材料中，磁通是平行于材料表面的，幾乎沒有磁感應(yīng)線從表面穿出，被檢表面沒有磁場。但當(dāng)材料中存在著切割磁力線的缺陷時(shí)，材料表面的缺陷或組織狀，態(tài)變化會(huì)使磁導(dǎo)率發(fā)生變化，由于缺陷的磁導(dǎo)率很小，磁阻很大，使磁路中的磁通發(fā)生畸變，磁感應(yīng)線會(huì)改變途徑，除了一部分磁通直接通過缺陷或在材料內(nèi)部繞過缺陷外，還有部分的磁通會(huì)離開材料表面，通過空氣繞過缺陷再重新進(jìn)入材料，在材料表面缺陷處形成漏磁場。如果采用磁粉檢測漏磁通的方法稱為磁粉檢測法，而采用磁敏傳感器檢測則稱為漏磁檢測法。
漏磁檢測的原理如圖2•1所示。當(dāng)鐵磁性材料被外加磁鐵磁化后，在板材內(nèi)可產(chǎn)生強(qiáng)的感應(yīng)磁場，若板材上存在腐蝕缺陷，則會(huì)在其相應(yīng)的表面形成漏磁場，如在磁極之間放置一個(gè)磁場探頭（通常采用霍爾元件或線圈），則可探測到該漏磁場，由于漏磁場的強(qiáng)度與腐蝕缺陷的深度和大小有關(guān)，因此可以通過對漏磁場信號的分析來獲得板材上產(chǎn)生腐蝕缺陷的情況。
圖2•1漏磁檢測基本原理示意圖
采用漏磁探傷的過程是首先對被檢鐵磁性材料進(jìn)行磁化,然后測量其漏磁場信號，通過分析判斷給出檢測結(jié)果,最后根據(jù)實(shí)際情況選擇退磁與否。漏磁檢測只限于檢測鐵磁性材料，主要是鐵磁性材料的表面及近表面的檢測。該方法具有探頭結(jié)構(gòu)簡單-易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化-無污染-檢測靈敏度高-不需要耦合劑-檢測時(shí)一般不需要對表面進(jìn)行清洗處理-可以實(shí)現(xiàn)缺陷的初步量化等特點(diǎn)。
2.2.1影響漏磁檢測靈敏度的因素
1.磁化場
磁化場的強(qiáng)弱對缺陷漏磁場影響很大。由于磁化場決定了工件磁化強(qiáng)度，從而影響到漏磁場的大小。當(dāng)磁化強(qiáng)度較低時(shí)，漏磁場偏小，且增加緩慢；當(dāng)此話感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到包和值的80%左右時(shí)，漏磁場不僅幅度較大，而且隨著磁化場的增加會(huì)迅速增大。
2.缺陷方向、位置、深度和尺寸的影響
缺陷的方向?qū)β┐艡z測的精度影響很大，當(dāng)缺陷主頻面與磁化場方向垂直時(shí)，產(chǎn)生的漏磁場最強(qiáng)。缺陷在容器壁中的位置對漏磁場的影響通常認(rèn)為是：同樣的缺陷位于表面時(shí)漏磁場最大，且隨著埋藏深度增大而逐漸減小，當(dāng)埋藏深度足夠大時(shí)，漏磁場將趨于零。缺陷的大小對漏磁場影響很大，當(dāng)寬度相同，深度不同時(shí)，漏磁場隨著缺陷深度的增加而增大，再一定范圍內(nèi)兩者近似成直線關(guān)系。缺陷寬度對漏磁場的影響并非單調(diào)變化，在缺陷寬度很小時(shí)，隨寬度的增大漏磁場有增加的趨勢，但寬度較大時(shí)，寬度增大，漏磁場反而緩慢下降。
3.檢測速度的影響
再檢測過程中應(yīng)盡量保持勻速進(jìn)行，速度不同會(huì)造成漏磁信號形狀上的不同。
4.容器焊縫表面粗糙度的影響
表面粗糙度的不同使傳感器與被測表面的提離值發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，從而影響了檢測靈敏度的一致性。
5.氧化皮及鐵銹的影響
表面的氧化皮、鐵銹等雜物，可能在檢測過程中產(chǎn)生偽信號，在檢測過程中應(yīng)及時(shí)確認(rèn)或修復(fù)。
2.2.2各種因素和缺陷漏磁場之間的關(guān)系
1. 磁化強(qiáng)度對漏磁場的影響
缺陷漏磁場的峰峰值起初隨著磁化磁場強(qiáng)度的增大而增大,增大到一定值時(shí),趨于平緩。當(dāng)鐵磁材料進(jìn)入磁飽和狀態(tài)時(shí),外界磁化磁場強(qiáng)度的增大對裂紋磁場強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大。磁路的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使被測材料達(dá)到近飽和磁化狀態(tài)。
2. 裂紋深度對漏磁場的影響
裂紋寬度固定的條件下,在一定范圍內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度與缺陷深度近似成線性關(guān)系。狹縫越深,漏磁場越強(qiáng),直至達(dá)到漏磁場對狹縫深度的進(jìn)一步增大不敏感的深度為止。
3. 裂紋寬度對漏磁場的影響
對于相同深度的缺陷,在相同的磁化條件下,隨著寬度的增加,漏磁場強(qiáng)度首先增加,然后減小。
4. 提離值對漏磁場的影響
當(dāng)提離值超過裂紋寬度兩倍時(shí),隨著提離高度的增加,漏磁場強(qiáng)度迅速下降。傳感器支架的設(shè)計(jì)必須使探頭在被檢測表面掃查時(shí)提離值保持恒定,一般要小于2mm。
5. 裂紋埋藏深度對漏磁場的影響
近表面裂紋比表面裂紋產(chǎn)生的漏磁場弱,對于相同形狀大小的缺陷,埋藏深度與漏磁場幅值近似成線性關(guān)系。
在這里，我們主要研究的是提離值對漏磁場的影響。
2.3漏磁檢測的優(yōu)點(diǎn)
漏磁檢測有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，漏磁檢測方法是由傳感器獲取信號，然后由軟件判斷有無缺陷 ,因此非常適合于組成自動(dòng)檢測系統(tǒng)。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中 ，漏磁檢測被大量應(yīng)用于鋼坯、鋼棒、鋼管的自動(dòng)化檢測。
（2）較高的檢測可靠性，漏磁檢測一般采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行缺陷的判斷和報(bào)警，減少了人為因素的影響。
（3）可實(shí)現(xiàn)缺陷的初步定量 ，缺陷的漏磁信號與缺陷形狀尺寸具有一定的對應(yīng)關(guān)系 ,從而可實(shí)現(xiàn)對缺陷的初步量化 ，這個(gè)量化不僅可實(shí)現(xiàn)缺陷的有無判斷 ，還可對缺陷的危害程度進(jìn)行初步評價(jià)。
（4）高效能、無污染 ，采用傳感器獲取信號 ，檢測速度快且無任何污染。漏磁檢測的缺點(diǎn)除了跟磁粉檢測相似外，還由于檢測傳感器不可能象磁粉一樣緊貼被檢測表面，不可避免地存在一定的提離值，從而降低了檢測靈敏度；另一方面 ，由于采用傳感器檢測漏磁場，不適合檢測形狀復(fù)雜的試件。
2.4漏磁無損檢測采用傳感器的種類及檢測方法
漏磁檢測采用的傳感器種類有線圈、霍爾器件、磁敏二極管、磁敏電阻、磁通門、巨磁阻傳感器等。目前比較常用的傳感器元件為線圈和霍爾器件。因?yàn)榫€圈纏繞的匝數(shù)、幾何形狀和尺寸較為靈活,根據(jù)測量目的的不同,線圈可以做成多種形式。線圈的匝數(shù)和相對運(yùn)動(dòng)速度、截面積決定測量的靈敏度。而霍爾元件的優(yōu)點(diǎn)是較寬的響應(yīng)頻帶、制造工藝成熟、溫度特性和穩(wěn)定性較好等。
漏磁檢測主要采用的方式有：
1.單傳感器檢測
2.傳感器陣列檢測
3.聚磁技術(shù)
4.磁屏蔽技術(shù)
2.5 漏磁檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
漏磁檢測再自動(dòng)方面優(yōu)勢明顯。國際上已經(jīng)制訂了ISO 9598《無縫和焊接鐵磁性壓力鋼管橫向缺陷的全圓周傳感器和漏磁探傷》和ISO 9402《無縫和焊接鐵磁性壓力鋼管縱缺陷的全圓周傳感器和漏磁探傷》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，即EN 10246/4：1999《無縫鐵磁性鋼管的自動(dòng)全圓周磁傳感器和漏磁檢測》，用以檢測縱向缺陷;EN 10246/5:1999《無縫和焊接（埋弧焊除外）鐵磁性鋼管的自動(dòng)全圓周磁傳感器和漏磁檢測》，用以檢測縱向缺陷。美國方面有ASTM E570-1997《鐵磁性鋼管制品漏磁檢驗(yàn)實(shí)施方法》和API對鐵磁性材料檢驗(yàn)的一些要求。
1991年5月我國指定了第一部漏磁檢測標(biāo)準(zhǔn)鋼GB/T 12606-1990《鋼管及圓鋼棒的漏磁探傷方法》，規(guī)定了鐵磁性鋼管、圓鋼棒表面缺陷的漏磁探傷方法。在1998年又進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)修訂。但再壓力容器檢測方面，國內(nèi)外都還沒有標(biāo)準(zhǔn)提出來采用漏磁檢測方法。
第3章 ANSYS有限元分析
3.1 ANSYS的產(chǎn)生
自上個(gè)世紀(jì)后半頁以來，人類科技便已不可阻擋之勢迅猛向前發(fā)展。而其中最具有代表性的當(dāng)屬計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步。對于工程界的廣大人事而言，這不可不謂是一種福音。在工程實(shí)用的諸多領(lǐng)域里，為尋求可靠的、最優(yōu)的工藝和技術(shù)方案，以往憑借和依賴的直覺、經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)和“嘗試法”隨著工藝設(shè)計(jì)要求的日益嚴(yán)格，最求質(zhì)量所引發(fā)競爭的口臻激烈，已開始顯得力不從心。倘若利用計(jì)算機(jī)這一先進(jìn)手段，并輔以相應(yīng)軟件，進(jìn)行虛擬加工，則可提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，省時(shí)省力，降低成本。
ANSYS正是再這樣一種大前提下，應(yīng)運(yùn)而生的。
3.2 ANSYS簡介
ANSYS軟件式世界上著名的大型通用有限元計(jì)軟件，具有強(qiáng)大求解和前、后處理功能，為我們解決復(fù)雜、龐大的工程項(xiàng)目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個(gè)兩地工作環(huán)境，更使我們從繁雜、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來。
在求解電機(jī)磁場問題時(shí)，常用的數(shù)值計(jì)算方法有差分法、邊界元法和有限元法三種，目前廣泛采用的是有限元法。作為一種多功能有限元分析軟件，ANSYS已廣泛應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域。
美國ANSYS公司成立于1970年，由John Swanson博士創(chuàng)立的。總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡。ANSYS程序是該公司開發(fā)的主要產(chǎn)品，ANSYS大型通用有限元分析軟件融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體，交互式操作菜單環(huán)境，極大地簡化了分析過程的操作性，使設(shè)計(jì)分析更加直觀和可視化，不僅提供了求解器，同時(shí)提供了前后處理器，對模型的創(chuàng)建和結(jié)果的處理更加方便。
ANSYS軟件是融熱、電磁、流體、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。采用ANSYS有限元分析軟件中相關(guān)電磁計(jì)算方法,可以對被檢測的構(gòu)件和漏磁檢測方法,建立漏磁檢測的有限元分析模型,從計(jì)算結(jié)果中分析研究檢測的機(jī)理,為檢測傳感器的設(shè)計(jì)和結(jié)果分析提供理論指導(dǎo)。通過ANSYS軟件可以模擬各種缺陷試驗(yàn),分析過程可以分為三個(gè)階段。第一,前處理階段,此階段先建立實(shí)體模型、定義出材料一些相關(guān)參數(shù)(有限單元的劃分,有限單元的輸入和輸出結(jié)果參數(shù))；第二,求解階段,施加載荷,通過求解器求解；最后為處理階段,查看模擬算的結(jié)果,根據(jù)它的輸出結(jié)果,可以產(chǎn)生試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇帕€圖、矢量磁位、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度的等值圖、矢量圖等。計(jì)算時(shí)間的多少和模擬的近似程度,主要取決于模型的維數(shù)、單元的多少。在目前最快的臺式PC機(jī)上,漏磁檢測模型的二維有限元計(jì)算已經(jīng)能較快地給出結(jié)果。
根據(jù)管道內(nèi)漏磁檢測器的工作狀態(tài)，忽略次要因素的影響，可以為其建立二維或三維的有限元分析模型，進(jìn)行靜態(tài)磁場分析計(jì)算。選擇ANSYS分析模型時(shí)應(yīng)充分考慮到其對稱性，具有對稱性的模型可只為一部分建模，從而大大減少模型的大小，提高運(yùn)算速度。進(jìn)行二維有限元分析是在假設(shè)存在的缺陷為環(huán)狀缺陷的前提下進(jìn)行的，通過二維分析可以掌握管壁缺陷漏磁信號的一些規(guī)律，但是，管壁上的大多數(shù)缺陷是點(diǎn)狀或面狀的，當(dāng)缺陷的長度和深度相同時(shí)，不同寬度的缺陷產(chǎn)生的漏磁信號時(shí)有差別的，為了研究缺陷的寬度對漏磁信號的影響需要建立三維有限元模型。
三維有限元模型是一個(gè)復(fù)雜的過程，但由于研究重點(diǎn)為缺陷附近的漏磁情況，因此并非一定要建立有限元的全模型，可以根據(jù)要分析的缺陷的大小選擇半模型、四分之一模型或八分之一模型（八分之一模型實(shí)際仿真存在八個(gè)缺陷的管道）缺陷漏磁場的范圍為缺陷表面積的2-5倍，選擇三維模型應(yīng)以要分析缺陷的實(shí)際情況而定，以兩個(gè)缺陷漏磁場互不影響為原則。經(jīng)過三維有限元分析，漏磁信號更接近于實(shí)際側(cè)的信號。
ANSYS的分析功能包括結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、熱分析、電磁場分析、電場法分析、流體流動(dòng)分析、耦合磁場分析。在本論文中我們主要應(yīng)用的是ANSYS的電磁場分析功能。
ANSYS將模型信息(單元、節(jié)點(diǎn)、材料等)、邊界信息（載荷、約束等）以及后處理信息（求解結(jié)果等）集成在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，這些功能增強(qiáng)了程序的電磁分析能力和靈活性。
ANSYS軟件主要包括三部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、壓力分析，可以模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可以將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流顯示、立體切片顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種材料和結(jié)構(gòu)。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本為ANSYS5.4版，其微機(jī)版本要求的操作系統(tǒng)為bbbbbbs 95或bbbbbbs NT,也可運(yùn)行于UNIX系統(tǒng)下。微機(jī)版的基本硬件要求為：顯示分辨率為1024×768，顯示內(nèi)存為2M以上，硬盤大于350M，推薦使用17英寸顯示器。
3.3 ANSYS軟件特點(diǎn)
該軟件具有以下三方面的特點(diǎn)。
（1）強(qiáng)大而廣泛的分析功能：可以廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等多物理場及多場耦合的線性和非線性問題的分析。
（2）一體化的處理技術(shù)：主要包括幾何建模、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、求解、后處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)等多種功能及實(shí)現(xiàn)工具。
（3）豐富的產(chǎn)品系列和完善的開放體系：不同的產(chǎn)品配套可應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如航空、航天、船舶、汽車、兵器、鐵道、機(jī)械、電子、核工業(yè)、能源、建筑、醫(yī)療等。
ANSYS具體分析步驟：
（1）創(chuàng)建有限元模型，包括：
①創(chuàng)建或讀入幾何模型
②網(wǎng)格劃分
③定義材料屬性
（2）施加載荷并求解。施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件，然后求解。
（3）后處理。計(jì)算或查看結(jié)果，然后檢驗(yàn)結(jié)果。
3.4 ANSYS軟件的具體應(yīng)用
3.4.1 前處理器
1.創(chuàng)建實(shí)體模型
實(shí)際模型的建立要根據(jù)漏磁檢測裝置測量部分的實(shí)際形狀，管道模型具有明顯的軸對稱特征，可只為一部分建模，再ANSYS的二維軸對稱分析中，Y軸對稱為對稱軸，且在X軸上只能有正值。建立二維實(shí)體模型模擬的是環(huán)狀缺陷的漏磁情況，當(dāng)研究缺陷的寬度對漏磁信號有影響時(shí)需要建立三維模型。ANSYS程序的模型輸入可以采用MKS,CGS或其他一些單位制，系統(tǒng)缺省的單位是MKS，這里采用系統(tǒng)的缺省單位制。一旦選用了一種單位制，以后所有的輸入均要按照這種單位制。
2 .定義材料屬性
ANSYS程序提供了了豐富的線性和非線性材料的表達(dá)方式，包括各項(xiàng)同性或正交各項(xiàng)異性的線性導(dǎo)磁率，材料的BH曲線等。在漏磁模型中需要定義空氣、磁鐵、軛鐵和管壁材料的屬性。
（1） 空氣 其磁特性式線性的，定義相對磁導(dǎo)率 。
（2） 管壁 其材料特性要根據(jù)所選用的管材確定，常用的鋼管材料有Q235,X52,X60和X70等多種牌號試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用常用的X60號鋼，查找磁性手冊，輸入BH曲線。
（3） 軛鐵 常采用高磁導(dǎo)率的低碳鋼
（4） 磁鐵 其描述分為不同的種類，點(diǎn)磁鐵的描述需要要計(jì)算出磁鐵截面的電流度JS，永磁鐵的磁體行則是通過磁矯頑力矢量和退磁B-H曲線描述的，大多數(shù)的漏磁檢測器中選用的都是剩磁、矯頑力、靜態(tài)最大磁能積具有最優(yōu)值的永磁材料Nd-Fe-B型磁鐵作為勵(lì)磁裝置 。
3 .劃分網(wǎng)絡(luò)格
在給模型劃分網(wǎng)格之前需要給部分區(qū)域定義單元類型、材料屬性、實(shí)常數(shù)和單元坐標(biāo)系。研究中最關(guān)心的是泄漏到空氣中的漏磁場的情況，環(huán)繞系統(tǒng)的空氣模型建立的或大或小都會(huì)影響最終結(jié)果。ANSYS的無限邊界單元（原場單元）解決了這一難題，應(yīng)用中需要為無限邊界加遠(yuǎn)場方向標(biāo)志（INF），用于說明單元邊朝向開放區(qū)域。
在ANSYS中有自由網(wǎng)格生成器、映射網(wǎng)格生成器和智能網(wǎng)格生成器。其中智能網(wǎng)格生成器是一種高效的剖分工具，其在剖分的過程中會(huì)考慮到模型中的幾何曲率來劃分單元。在二維模型分析中對分析精度的要求不是太高，計(jì)算的數(shù)量也不是很大，采用了智能網(wǎng)格生成器劃分單元，再對特別關(guān)心的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化。三維模型是將二維模型圍繞對稱軸旋轉(zhuǎn)一定的角度得到的。
3.4.2 求解器
求解器的功能是求解關(guān)于自由度的聯(lián)立線性方程組，求解的時(shí)間要示模型的大?。醋杂啥鹊臄?shù)目）和計(jì)算的配置而定。ANSYS提供了兩種直接求解器，即波前求解器和系數(shù)矩陣求解器；同時(shí)還提供了三個(gè)迭代求解器，即PCG，JCG和ICCG。二維靜態(tài)磁場分析采用的是磁失勢法，推薦使用波前求解器，而對非常大的模型，JCG和PCG求解器更有效。本模型自由度的數(shù)目較少，采用波前求解器。三維靜態(tài)磁場分析有磁標(biāo)勢法、基于單元邊的方法，本模型分析的是永磁體產(chǎn)生的磁場，選用磁標(biāo)勢法。在磁標(biāo)勢法中還包括簡化標(biāo)勢法（RSP）、差分標(biāo)勢法（DSP）和通用標(biāo)勢法（GSP）三種分析方法，采用GSP方法進(jìn)行求解。
3.4.3 后處理器
ANSYS的后處理器可以以圖表和報(bào)告的形式給出處理結(jié)果，提供了二維磁力線圖、矢量磁位圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度等值線圖、沿路徑顯示圖等多種表達(dá)方式。
第4章 漏磁檢測中提離值的研究
4.1 有限元分析提離值對漏磁信號的影響
提離（即傳感器與管道內(nèi)壁的間距）對檢測信號的影響很大。采用有限元分析方法可以模擬仿真出各種情況下，不同提離值的檢測結(jié)果。有限元分析軟件ANSYS的后處理器可以定義顯示路徑，不同的路徑代表不同的提離值下傳感器的測量情況，在其他條件不便的情況下，提離值越小測出的漏磁信號幅值越大通常將信號的峰峰值作為評價(jià)其幅值的參量。
4.2 利用ANSYS的具體操作
（1）定義工作標(biāo)題和文件名
步驟：進(jìn)入 ANSYS程序－－－－-指定工作標(biāo)題－－－－-指定工作文件名－－－－-指定電磁分析選項(xiàng)，如圖4•1所示。
圖4•1 定義工作標(biāo)題和文件名
（2）定義單元類型和材料屬性
步驟：定義單元類型，菜單操作：Preprocessor-Element-Add，如圖4•2所示。
圖4•2 定義單元類型
定義材料屬性
包括：空氣磁導(dǎo)率、磁化器磁導(dǎo)率、磁化器矯頑力、管道壁BH曲線。具體值上一節(jié)已經(jīng)進(jìn)行了說明。菜單操作：Preprocessor-Real Constants-Add，如圖4•3所示。
圖4•3定義材料屬性
（3）生成幾何圖形
可通過菜單操作：Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Rectangle-By Dimensions，輸入具體的值，再選擇按材料顯示，即得到圖形。如圖4•4所示。
圖4•4 有限元模型
（3）劃分網(wǎng)絡(luò)
模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的形狀、疏密決定了能否得到另人滿意的結(jié)果。網(wǎng)格的劃分大致分為三種：自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分、智能網(wǎng)格劃分。對于簡單的模型，智能網(wǎng)格劃分較為高效。菜單操作: Preprocessor-Meshing-MeshTool,進(jìn)行分區(qū)后得到圖形，如圖4•5所示
圖4•5 網(wǎng)絡(luò)剖分模型
（4）求解運(yùn)算，得到磁力線分布，如圖4•6所示
圖4•6 磁力線分布
設(shè)置參考點(diǎn)，進(jìn)行分析，可在缺陷附近尋找兩個(gè)點(diǎn)，確定一條路徑，如圖4•7
圖4•7 設(shè)置參考點(diǎn)后的磁力線分布
從圖中可以看出,大部分磁力線通過了磁體、軛鐵、管道組成的主磁路。同時(shí)磁極附近有部分磁力線從管壁漏出通過空氣形成回路。在缺陷附近,有少量磁力線透出管壁上下表面。通過霍爾元件或檢測線圈制成的探頭就可以檢測漏磁場,從而分析其形成的特點(diǎn)及規(guī)律。改變?nèi)毕莸膮?shù),利用相似的方法進(jìn)行仿真,可以得到不同形狀缺陷的漏磁信號曲線,并進(jìn)而分析。
4.3傳感器提離值的影響
在會(huì)引起傳感器管道漏磁檢測中，有大量因素能夠影響漏磁檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。焊縫和管道異物、磁化器或者兩者同時(shí)發(fā)生的提離值，并且對獲得的漏磁數(shù)據(jù)有潛在影響。提離值會(huì)引起測量的漏磁場信號大小的不準(zhǔn)確，導(dǎo)致遺漏或測量量比實(shí)際量小的過失。研究提離值現(xiàn)象，并且更好地理解提離值對漏磁檢測結(jié)果的影響，將改善漏磁檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并獲得對缺陷的完整評價(jià)。通過對一個(gè)典型缺陷進(jìn)行仿真研究，獲得提離值對漏磁信號的影響。鑒于外壁缺陷和內(nèi)壁缺陷的漏磁信號的特征相類似，故僅以外壁缺陷為例。
仿真實(shí)體模型如圖4•8所示，其中，1表示管壁，2表示缺陷，3表示鋼刷，4表示永久磁體，5表示軛鐵，6表示空氣，7表示傳感器，d表示傳感器提離值。使用的主要材料為：管道直徑為377mm，管壁厚為8mm；管壁鋼選用X52鋼，軛鐵與管壁材料相同，永久磁體為線性材料相對導(dǎo)磁率為1.05 ，矯頑力設(shè)置為895000A/m；矩形軸對稱缺陷長度為10mm，缺陷深度為4mm。
相同缺陷，磁化器提離值為零，傳感器提離值從2.0 mm至20 mm，從小到大依次取6個(gè)值。圖4•9為不同傳感器提離值下，仿真計(jì)算得到的漏磁場強(qiáng)度。其中定義漏磁場軸向分量為Bz，Bz的最大值稱為軸向漏磁場峰值，記為Bzp。定義漏磁場徑向分量為Br，Br的最大值和最小值之間的差值稱為徑向漏磁場峰峰值，記為Brpp。圖4•10為傳感器提離值與漏磁場軸向分量峰值之間的關(guān)系，圖4•11為傳感器提離值與漏磁場徑向分量峰峰值之間的關(guān)系。
(a) 漏磁場軸向分量比較
(b) 漏磁場徑向分量比較
圖4•9不同提離值下漏磁場強(qiáng)度
圖4•10 傳感器提離值與漏磁場軸向分量峰值之間的關(guān)系
圖4•11傳感器提離值與漏磁場徑向分量峰值之間的關(guān)系
4.4 結(jié)論
從圖中結(jié)果可以看出，漏磁場軸向分量的基線和峰值隨著傳感器提離值的增大迅速降低，徑向漏磁場峰峰值隨著傳感器提離值的增大亦迅速降低，當(dāng)提離值較大時(shí)，漏磁場變化緩慢。傳感器提離值能引起測量峰值和基線漏磁通幅值的降低；漏磁通幅值的降低引起測量的實(shí)際漏磁場信號大小的不準(zhǔn)確，對不準(zhǔn)確的漏磁數(shù)據(jù)的分析將導(dǎo)致缺陷遺漏或測量量比實(shí)際量小的過失。在漏磁檢測之前，應(yīng)該評價(jià)管道以確定其是否存在殘骸。如果確定其存在殘骸，應(yīng)該用適當(dāng)?shù)墓艿狼逑捶椒ㄇ逑垂艿?，這將改善漏磁檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并導(dǎo)致完整的評價(jià)。
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致謝
本文是在張國光老師的精心指導(dǎo)下完成的。論文的成稿凝聚著導(dǎo)師的關(guān)懷和心血。導(dǎo)師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度都給我留下了深刻的印象，令我受益匪淺，敬佩不已。張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)精神和孜孜不倦的敬業(yè)精神、敏捷的思維將值得學(xué)生永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)。在此，謹(jǐn)向?qū)熤乱陨钌畹木匆猓⒈硎局孕牡母兄x。
在課題的開展過程中，多次得到張老師的耐心幫助。同組人在生活和工作中給予了作者很大幫助，在同他們進(jìn)行富于成果的討論中，使很多問題變的清晰和明確了。在此，作者向他們表示衷心的感謝!
對四年來所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們表示深深的敬意!
：鞏經(jīng)理
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：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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