Page 97 - 无损检测2022年第十二期

朱金朝, 等:

在役高温蒸汽管道的交流电磁场检测

理, 激励线圈在工件中感应出均匀的交变电场, 电场
在缺陷位置外会出现扰动, 引起此处感应磁场强度
变化, 通过检测感应磁场的变化强度及规律, 可以实
现缺陷的检测 [ 8 ] 。
交流电磁场检测原理如图 1 所示。

图 3 几何模型的网格划分结果
2.2 物理场选择及参数设定
在 COMSOL 软件中 AC / DC ( 交流 / 直流) 模块
选用磁场作为物理场, 求解器设置为频域, 频率设置

为 1kHz 。将空气求解域的所有外边界设置为磁绝
缘, 矢量磁势 A 为零。感应线圈选择多匝线圈( 匝
图 1 交流电磁场检测原理示意 数设置为 200 ), 激励方式为电流激励, 选择电流流通

方向的横截面为输入面, 电流大小设置为 200mA 。
2 仿真模型的建立 2.3 求解及结果分析
许多学者对 ACFM 技术常温下的检测原理, 传 设置温度及线圈距离工件高度( 以下称提离高
感器选用, 检测数据处理及检测设备的研发方面进 度) 为变量, 进行参数化扫描。

行了 大 量 研 究 [ 9 ] , 但 在 高 温 下 对 金 属 结 构 进 行 设置温度变化范围为 20 ℃~820 ℃ ( 扫描步进

ACFM 检测的研究较少。金属材料, 尤其是铁磁性 为 20 ℃ ), 进行仿真计算。得到温度对 Bx / Bz 的
材料, 随着温度的升高, 磁导率及电导率会 发生变 影响曲线如图 4 所示, 证明温度变化对缺陷位置磁
化, 并对检测结果造成影响, 但温度变化对材料性质 场 Bx 及Bz 信号的影响较小。通过对现场环境进

的影响是有一定规律性的, 即高温下的 ACFM 检测 行调研, 结合设备能力, 决定选取 20 ℃~400 ℃ 的
存在可行性。 检测结果变化规律作为研究对象。
2.1 几何模型的建立
为了研究高温蒸汽管道在线 ACFM 检测的可
行性, 利用 COMSOL 软件建立高温 ACFM 检测的
有限元三维模型并进行仿真分析, 模型包括感应线
圈、 被测金属和求解域 3 个部分( 见图 2 )。被检工件

尺寸为 300mm×200mm×150mm ( 长 × 宽 × 高),

裂纹为长方体, 尺寸为 5mm×3mm×0.2mm ( 长 ×

宽 × 高), 磁 芯 为 U 型, 求 解 域 设 置 为 500 mm×
400mm×100mm ( 长 × 宽 × 高) 的长方体。感应线

圈材料设置为铜, 被测物材料设置为碳钢, 求解域部

分为空气 。

图 4 温度对 Bx / Bz 的影响曲线

设置 提 离 高 度 为 1~10 mm ( 扫 描 步 进 为
0.5mm ), 进行仿真计算。提离高度对 Bx / Bz 的影

图 2 几何模型示意
响曲线如图 5 所示, 可见, 随提离高度的增加, 缺陷
对网格进行细化, 几何模型的网格划分结果如 处电流密度减小, 磁通密度也随之降低。结合提离
图 3 所示, 完整网格包括 24056 个域单元, 3414 个 高度仿真结果及实际加工能力, 确定探头外壳厚度

边界元和 500 个边单元。 为 1mm 。
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2022 年 第 44 卷 第 12 期
无损检测