李睿智， 何 箭， 李 亮， 王 振

(合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽合肥 230009)

在無損檢測中，由于要防止鋼管端部撞壞探頭，總是要等鋼管端部越過探頭時才能使探頭貼合鋼管管體，這樣便出現(xiàn)鋼管管端區(qū)域檢測不到的情況，即存在了檢測盲區(qū)。本文采用Ansys有限元軟件對鋼管管端磁場分布進行分析，針對管端檢測盲區(qū)提出了加入引體的解決辦法，并將有限元分析方法引入管端缺陷檢測系統(tǒng)，建立相關(guān)磁場模型，對其進行模擬分析，然后通過管端缺陷信號實例的試驗仿真驗證其正確性。

1 鋼管管端檢測面臨的問題

鋼管漏磁檢測方法可以檢測出鐵磁性鋼管表面和內(nèi)部的缺陷，具有檢測速度快、靈敏度高、操作簡單及穩(wěn)定可靠等特點。它主要依據(jù)2種磁導(dǎo)率相差懸殊的介質(zhì)，如鐵和空氣，界面上磁力線折射會導(dǎo)致部分磁通量泄露于鋼材表面形成漏磁場，根據(jù)檢測被磁化的金屬表面形成的漏磁場可以判斷缺陷是否存在。

但是當(dāng)對鋼管施加軸向磁化場時，在鋼管管端相當(dāng)長的范圍內(nèi)會存在磁力線散射現(xiàn)象，擾亂了非軸向缺陷產(chǎn)生的漏磁場，使非軸向缺陷無法被正確識別;同時鋼管傳動過程中鋼管前端從開始撞擊傳感器到傳感器與管體良好吻合會產(chǎn)生強烈的撞擊信號，淹沒了端頭上的缺陷信號，會形成軸向和非軸向缺陷檢測的盲區(qū)。

對于軸向缺陷，由于在檢測軸向缺陷時施加的是與管軸向正交的磁化場時，磁場為繞管周的環(huán)行磁場，中間不會產(chǎn)生雜散磁場，管體檢測可以完全無誤地檢測出來，本文不詳細(xì)討論。對于非軸向缺陷，在對鋼管施加軸向磁化場以檢測鋼管管端非軸向缺陷時，磁力線的散射現(xiàn)象擴大了非軸向檢測的盲區(qū)，使得檢測工作變得更加困難。所以，本文首先要研究如何減少或消除管端磁力線散射對非軸向缺陷檢測的干擾[1，2]。

2 有限元分析軟件Ansys

Ansys軟件是集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場及聲場分析于一體的有限元分析軟件，由美國Ansys公司開發(fā)研制，迄今為止是世界范圍內(nèi)唯一通過ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證的分析設(shè)計類軟件。

Ansys軟件主要包括3個模塊:前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可以將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出[3]。

本文主要使用的是Ansys10.0軟件的電磁場分析功能。

3 鋼管管端檢測的有限元分析

有限元分析的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解，在實際情況中有限元分析不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，是行之有效的工程分析方法，這里宜采用有限元分析對管端缺陷進行處理。首先建立鋼管漏磁檢測的二維靜態(tài)模型，如圖1所示，把對非軸向缺陷的檢測簡化為分析二維靜態(tài)磁場的問題[4，5]。

圖1中，區(qū)域1顯示為載流線圈，其相對磁導(dǎo)率為1，施加正電流密度為50 000/線圈面積;區(qū)域2是軟鐵，設(shè)定為線性材料，其相對磁導(dǎo)率為18 000;區(qū)域3顯示的為鋼管，選取鋼材型號X52;缺陷物質(zhì)設(shè)定為線性材料，相對磁導(dǎo)率為1，選擇磁力線數(shù)為1 000，將上述設(shè)定值代入Ansys10.0軟件中，求解選用矢量位方法(MVP)進行求解，可獲得有缺陷管端的磁場分布，如圖2所示。

圖1 鋼管檢測的二維靜態(tài)模型

圖2 有缺陷管端磁場分布

從圖2可以看出，管體內(nèi)部磁力線基本處于平行狀態(tài)，而端頭部分存在明顯的散射磁場，很難從中明顯辨別出有缺陷部分的漏磁場，所以很難對其進行漏磁檢測，也就是說無法用管體檢測的方法檢測管端出現(xiàn)的非軸向缺陷。

從上述分析可以得出，管體的漏磁檢測方法已不適用于端頭檢測。但是，如果把端頭變成管體的一部分，對端頭用管體檢測的方法進行缺陷檢測，問題就迎刃而解了。在這里需要適時引入引體這一概念，引體是一種加在鋼管端部與端頭對接的一種鐵磁性物體，可以通過與端頭對接，把端頭變成管體并消除端頭的管端散射效應(yīng)。加引體后的靜態(tài)模型，如圖3所示[6-8]。

圖3 加引體后的二維靜態(tài)模型

本文分析了管端加入引體消除管端檢測盲區(qū)的可能性，并用A nsys軟件模擬分析管端加入引體以消除鋼管管端磁力線散射現(xiàn)象及管端檢測盲區(qū)的可行性。

鑒于端頭與引體的接頭處不可能完全接觸，事實上其接觸面應(yīng)該是個不規(guī)則的曲面。本文設(shè)定引體與鋼管管端之間的距離為0.1 mm，并設(shè)定為局部接觸。設(shè)置引體的磁導(dǎo)率與鋼管相同，其它設(shè)置與上相同，選擇磁力線數(shù)為27，對其施加軸向磁化場后代入設(shè)定值求解，可以得到模型磁力線分布，如圖4所示。

圖4 加引體管端磁場分布

從圖4可以看到，由于鋼管端部加入了引體，鋼管端頭部分的磁力線已經(jīng)處于管體壁內(nèi)，呈軸向平行狀態(tài)，和管體內(nèi)部磁力線的分布相似。這樣對鋼管端頭檢測的條件實際上已經(jīng)與管體檢測十分接近。從某種意義上講，引體的存在已經(jīng)把端頭變成了鋼管管體的一部分。而引體與鋼管端部的接觸面可當(dāng)成一個面對面的缺陷來看待，這就能從根本上解決非軸向缺陷檢測中出現(xiàn)的磁力線散射問題，為鋼管管端缺陷信號的檢測找到了一個行之有效的方法。

4 鋼管管端缺陷信號的模擬仿真

本文模擬在鋼管管端加入引體情況下管端非軸向缺陷信號的檢測情況，先在鋼管距管端20 mm處人工刻畫一個N12.5的線性缺陷，深度在0.5～1.5mm之間。設(shè)置引體和鋼管之間距離為0.1 mm，局部接觸，引體的磁導(dǎo)率與鋼管相同。選擇磁力線數(shù)為100，代入設(shè)定值可獲得加入引體后求解得到的缺陷管端磁場分布，如圖5所示。

從圖5中可以看出，鋼管管端的磁場幾乎都包含在管體壁內(nèi)，磁力線呈閉合狀態(tài)，無散射現(xiàn)象;外表面的磁場呈軸向平行分布，鋼管端部與引體接觸面處的磁場可近似看作管體內(nèi)一個面缺陷形成的磁場;可以非常清楚地看到距離管端20 mm處的缺陷信號形成的漏磁場，也就是說管端缺陷信號可以被很準(zhǔn)確地識別出來。

圖5 加引體有缺陷管端磁場分布

5 結(jié)束語

本文針對鋼管高速檢測中不可避免出現(xiàn)的管端檢測盲區(qū)，借助Ansys軟件強大的電磁場模擬分析和實體建模功能，分析了鋼管管端磁場分布，并實時地引入引體，解決了管端磁力線散射對盲區(qū)檢測的影響，對管端缺陷信號進行模擬仿真，結(jié)果證明能準(zhǔn)確地識別出缺陷信號，可以消除管端缺陷檢測盲區(qū)。

[1] 何輔云，張 艷，張海燕，等，鋼管端頭漏磁檢測技術(shù)[J].無損檢測，2005，27(8):405-406.

[2] 閻照文.Ansys10.0工程電磁分析技術(shù)與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社，2006:102-126.

[3] 何輔云.采油用鋼管的檢測與缺陷識別[J].模式識別與人工智能，2000，(3):73-77.

[4] 張俊哲.無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，1995:16-43.

[5] 蔣立新.鋼管端頭可視化系統(tǒng)和方法[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院，2004.

[6] 胡 雋.鋼管磁檢測方法中定量檢測的研究與實現(xiàn)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院，2002.

[7] 汪友生，梁 策.管道內(nèi)壁缺陷漏磁信號的Ansys仿真與分析[J].計算機測量與控制，2005，13(3):273-275.

[8] 王太勇，蔣 奇，夏長亮，等.鋼管漏磁方法在線計算機檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2001，22(3):169-170.