戴 光，白明超，楊志軍，代瑞龍，任 毅

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318）

目前儲(chǔ)罐角焊縫裂紋的檢測(cè)方法有射線檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、磁粉檢測(cè)法、滲透檢測(cè)法等［1］。但是由于角焊縫的特殊結(jié)構(gòu)，一些檢測(cè)方法受到限制，不能較準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)。漏磁檢測(cè)憑借其特有的優(yōu)勢(shì)，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展［2］。目前我國(guó)在漏磁檢測(cè)研究領(lǐng)域取得了許多成果，并應(yīng)用于儲(chǔ)罐底板檢測(cè)、管道檢測(cè)等方面，但是對(duì)于儲(chǔ)罐角焊縫裂紋的研究還較少［3］。筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有漏磁檢測(cè)研究進(jìn)展，提出儲(chǔ)罐角焊縫裂紋漏磁檢測(cè)方法，對(duì)確定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析裂紋缺陷漏磁場(chǎng)的分布情況，對(duì)影響裂紋缺陷漏磁場(chǎng)的因素進(jìn)行了分析。對(duì)比分析了不同情況下的儲(chǔ)罐角焊縫裂紋缺陷漏磁場(chǎng)分布特性，得出不同深度、不同位置裂紋缺陷的漏磁場(chǎng)分布曲線。其結(jié)論可為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作及定量分析缺陷尺寸提供理論依據(jù)。

1 儲(chǔ)罐角焊縫裂紋漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)是利用磁現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)鐵磁材料工件表面及近表面缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法［4］。采用永磁磁化方式，磁化結(jié)構(gòu)沿著儲(chǔ)罐角焊縫進(jìn)行掃描檢測(cè)，其基本原理為：若焊縫表面光滑無(wú)裂紋、內(nèi)部無(wú)缺陷的鐵磁性材料被磁化后，磁力線理論上會(huì)完全從鐵磁性材料內(nèi)部通過(guò)并構(gòu)成磁回路［5］。但由于儲(chǔ)罐角焊縫的存在，導(dǎo)致材質(zhì)不連續(xù)，磁力線會(huì)改變路徑，若在鐵磁性材料上存在缺陷，由于鐵磁材料與缺陷處材質(zhì)的導(dǎo)磁率不同，磁通一部分在鐵磁性材料內(nèi)部穿過(guò)，一部分經(jīng)過(guò)裂紋周圍的鐵磁性材料，還有一部分則穿過(guò)裂紋，漏在附近的空氣中，儲(chǔ)罐角焊縫裂紋漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。通過(guò)采用磁敏元件對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)處理，就可以得到缺陷的信息［6］。

圖1 儲(chǔ)罐角焊縫裂紋漏磁檢測(cè)原理

事實(shí)上無(wú)論在儲(chǔ)罐角焊縫處是否有缺陷的存在，都會(huì)存在空氣耦合磁場(chǎng)。如圖1（a）所示，當(dāng)儲(chǔ)罐角焊縫處沒(méi)有缺陷產(chǎn)生時(shí)，霍爾元件接收到的是空氣耦合場(chǎng)的漏磁通。如圖1（b）所示，當(dāng)有裂紋缺陷產(chǎn)生時(shí)，接收到的是裂紋漏磁通和空氣耦合場(chǎng)漏磁通的疊加。

2 儲(chǔ)罐角焊縫裂紋漏磁場(chǎng)分布仿真分析

針對(duì)儲(chǔ)罐角焊縫裂紋的漏磁場(chǎng)分布情況，取帶缺陷的儲(chǔ)罐角焊縫為試驗(yàn)對(duì)象，分析模型主要包括磁鐵、銜鐵、極靴、帶缺陷的角焊縫［7］。

2.1 有限元幾何模型建立

由于三維有限元分析計(jì)算量較大，而勵(lì)磁結(jié)構(gòu)和等效的缺陷形狀均為對(duì)稱形式，為了縮短計(jì)算時(shí)間，同時(shí)又保證一定的計(jì)算精度，建立了儲(chǔ)罐角焊縫的一部分進(jìn)行建模分析，大大提高了有限元分析的效率，采用實(shí)體建模方法建立儲(chǔ)罐角焊縫漏磁檢測(cè)有限元分析模型，其結(jié)構(gòu)主要由磁化結(jié)構(gòu)、帶角焊縫的鋼板、角焊縫缺陷、空氣層等幾部分組成，有限元幾何模型如圖2所示［8］。模型中由兩塊厚度為10mm 的鋼板相互垂直焊接而成，在角焊縫焊趾部位制造裂紋型缺陷，兩塊永磁鐵和鋼板分別垂直，兩塊永磁鐵間由銜鐵連接，永磁鐵前端連接極靴。

圖2 有限元仿真模型

2.2 單元類型選擇和材料屬性定義［9］

靜態(tài)磁場(chǎng)有限元分析方法包括標(biāo)量勢(shì)法和單元邊法，采用單元邊法進(jìn)行分析，定義材料的單元類型為每個(gè)單元有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的Solid 117。

每種材料都有其特定的特性，材料特性可以是線性的也可以是非線性的。線性材料通過(guò)其相對(duì)磁導(dǎo)率MURX、MURY、MURZ 來(lái)定義，非線性材料則是通過(guò)B－H曲線來(lái)描述其導(dǎo)磁特性。其中需要設(shè)定空氣相對(duì)磁導(dǎo)率；銜鐵、極靴和被測(cè)角焊縫三者都為非線性材料，需要設(shè)置相應(yīng)的B－H曲線；永磁鐵作為整體結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁源，需要根據(jù)其勵(lì)磁方向定義矯頑力方向和大小，其中兩塊永磁鐵矯頑力的大小和方向與兩鋼板垂直。

2.3 各部分材料屬性及劃分網(wǎng)格

采用映射網(wǎng)格劃分把模型劃分成規(guī)則的六面體，劃分網(wǎng)格時(shí)，在焊縫和缺陷處的網(wǎng)格劃分如圖3（a）所示。映射網(wǎng)格劃分能獲得形狀規(guī)整的六面體，獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，劃分后的網(wǎng)格如圖3（b）所示。

2.4 加載和邊界條件定義

模型中載荷是兩塊永磁鐵，故模型無(wú)需再進(jìn)行加載；采用的單元變邊法的邊界條件只需設(shè)置磁力線平行于整體模型表面即可，磁力線垂直邊界條件自然滿足。

2.5 計(jì)算求解和后處理

通過(guò)軟件計(jì)算求解得到計(jì)算結(jié)果。在有限元軟件的后處理中可以以不同形式得到角焊縫缺陷處漏磁場(chǎng)分布，圖4為缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，圖5為缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁力線圖，從圖中看出角焊縫缺陷處有明顯漏磁場(chǎng)產(chǎn)生。

圖3 試塊模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4 缺陷漏磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖5 缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度磁力線

3 基于有限元仿真的角焊縫裂紋漏磁信號(hào)分析

3.1 角焊縫處無(wú)裂紋

按照上節(jié)提到有限元分析方法，建立角焊縫處無(wú)裂紋的理想化有限元仿真模型，此模型中水平與豎直鋼板厚度均為10mm，焊腳長(zhǎng)為10mm，經(jīng)求解計(jì)算后，為方便看到大角焊縫處磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布圖，沿焊縫和鋼板表面高度為1 mm 進(jìn)行路徑提取。

圖6為角焊縫處磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向和y方向分布曲線。

圖6 角焊縫無(wú)缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

從圖6中可以看到：角焊縫漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量Bx在焊縫中心線處取得最小值，并且近似關(guān)于角焊縫中心線對(duì)稱（不能完全對(duì)稱是因?yàn)槟M儲(chǔ)罐底板多出的左側(cè)鋼板的影響），這是由于焊縫材質(zhì)是鐵磁性的，部分磁力線沿焊縫穿過(guò)，導(dǎo)致通過(guò)鋼板的磁通密度減少，這使原來(lái)漏磁場(chǎng)與空氣耦合場(chǎng)所形成的平衡被打破，空氣耦合場(chǎng)磁通密度占主導(dǎo)，使得漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量呈現(xiàn)向下的趨勢(shì)。

還可以看出，大角焊縫處的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直分量By近似關(guān)于角焊縫中心線成軸對(duì)稱（不能完全對(duì)稱是因?yàn)槟M儲(chǔ)罐底板多出的左側(cè)鋼板的影響），且在角焊縫正中間處為零，這說(shuō)明在焊縫邊沿處漏出鋼板和進(jìn)入鋼板的磁通數(shù)目最多。

3.2 裂紋位于焊趾處

為檢測(cè)角焊縫焊趾處裂紋缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)，需建立如圖2的三維有限元幾何仿真模型，此模型中鋼板厚度為10mm，焊腳長(zhǎng)為10mm，在焊趾處裂紋長(zhǎng)度為2 mm，深度分別為鋼板板厚的20%、40%、60%、80%，經(jīng)求解計(jì)算后，為方便看到裂紋處漏磁場(chǎng)的分布，沿焊縫和鋼板表面高度為1 mm處進(jìn)行路徑提取，圖7為裂紋處磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向和y方向分布曲線。

從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，由于角焊縫下焊趾處存在裂紋，在50mm 附近（焊趾處）產(chǎn)生明顯的漏磁信號(hào)，這是因?yàn)榱鸭y處的鋼板變薄，從而使穿過(guò)鋼板的磁力線數(shù)目變小，漏磁通密度隨之增大，高于空氣耦合場(chǎng)的漏磁通密度，隨著裂紋深度的增加，漏磁場(chǎng)水平分量和豎直分量的幅值也隨之增大。

圖7 裂紋位于焊趾處的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比曲線

3.3 裂紋位于熱影響區(qū)

由于焊縫的熱影響區(qū)是整個(gè)焊縫的薄弱環(huán)節(jié)，可能由于焊接工藝采取不當(dāng)、長(zhǎng)期處于載荷作用下或者腐蝕介質(zhì)中，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，所以對(duì)角焊縫熱影響區(qū)的檢測(cè)顯得尤為重要。圖8為裂紋在距焊趾3mm 處熱影響區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向和y方向分布曲線。

圖8 裂紋位于熱影響區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比曲線

從圖8（a）、（b）中可以看出，由于裂紋存在于角焊縫熱影響區(qū)，在53mm 附近（裂紋處）產(chǎn)生明顯的漏磁信號(hào)，隨著裂紋深度的增加，漏磁場(chǎng)水平分量和豎直分量的幅值也分別增大。從漏磁場(chǎng)的豎直分量曲線中可以看出2個(gè)明顯的波谷和一個(gè)波峰的情況，第二個(gè)較寬的波谷就是由于在熱影響區(qū)處的裂紋與角焊縫距離較近，2個(gè)波形的信號(hào)相互疊加形成的結(jié)果。

4 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)試件選取厚度為10 mm 的Q235 鋼板垂直焊接在一起；在角焊縫焊趾處建立兩個(gè)相同的矩形裂紋缺陷，缺陷長(zhǎng)70mm，寬2mm，缺陷深度分別為鋼板厚度的40%和80%，用來(lái)模擬裂紋缺陷。圖9為根據(jù)有限元分析尺寸加工組裝的儲(chǔ)罐角焊縫漏磁檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備。

圖9 模擬角焊縫檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備

采用9個(gè)高精度霍爾元件傳感器，傳感器沿鋼板角焊縫布置，提離值1mm，選用PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，動(dòng)態(tài)采集缺陷漏磁場(chǎng)垂直分量及傳感器位移信息［10］。漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)是通過(guò)采集系統(tǒng)經(jīng)過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備移動(dòng)采集的，檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備每2mm 采樣一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，則檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備行進(jìn)距離為采樣點(diǎn)數(shù)的2倍。如圖10所示。

圖10 不同深度裂紋缺陷漏磁信號(hào)

圖10是不同深度裂紋缺陷的漏磁掃描信號(hào)圖，從采集的信號(hào)圖可以看出缺陷信號(hào)幅值與缺陷深度在一定范圍內(nèi)呈近似線性關(guān)系，這與有限元分析結(jié)果一致。從圖中分別提取出漏磁信號(hào)峰值通道、每個(gè)缺陷位置出現(xiàn)漏磁信號(hào)峰值位置的二維曲線，得到了漏磁信號(hào)隨行進(jìn)距離變化的關(guān)系曲線，如圖11所示。

圖11 缺陷漏磁信號(hào)隨行進(jìn)距離變化的分布

由圖11可以看出兩個(gè)缺陷處明顯能夠采集到漏磁信號(hào)，并且隨缺陷深度的增加，漏磁信號(hào)峰值呈遞增趨勢(shì)。還可看出，相鄰裂紋缺陷峰值位置處的間距為150mm，缺陷的距離為70mm，這與實(shí)際裂紋缺陷位置關(guān)系相匹配。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）應(yīng)用有限元軟件建立了角焊縫裂紋缺陷的分析模型，得到了角焊縫裂紋缺陷漏磁場(chǎng)的空間分布，為漏磁信號(hào)提取做了準(zhǔn)備。

（2）通過(guò)分析角焊縫裂紋漏磁場(chǎng)，提取出了角焊縫裂紋缺陷的漏磁信號(hào)，分析了角焊縫裂紋缺陷影響漏磁信號(hào)的因素。進(jìn)而得到了裂紋缺陷的尺寸影響漏磁場(chǎng)分布特點(diǎn)：隨著深度的不同，裂紋位于角焊縫的焊趾和熱影響區(qū)的漏磁場(chǎng)分布規(guī)律為兩者漏磁場(chǎng)的水平分量和豎直分量的峰值均隨著深度的增加而增加。

（3）在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了角焊縫裂紋漏磁檢測(cè)試驗(yàn)，儲(chǔ)罐角焊縫裂紋漏磁檢測(cè)結(jié)果與有限元仿真分析結(jié)果基本相符；經(jīng)過(guò)仿真與試驗(yàn)分析驗(yàn)證了儲(chǔ)罐角焊縫裂紋漏磁檢測(cè)的可行性。

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