励磁作用下铁磁管道缺陷磁特性仿真
张丽攀1 马冰洋1 宋 凯1 王 振2 1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌， 330063 南昌航空大学科技学院，南昌，
2. 330063
摘要：通过有限元法建立了管道直流磁化的三维模型，分析了励磁状态下铁磁材料的磁特性、缺陷附近材料的磁导率分布特征以及励磁强度、管道厚度、缺陷深度对磁导率分布的影响。结果表明，饱和磁化后缺陷区域的磁导率分布并不均匀，励磁作用下内壁缺陷可引起外表面磁导率的改变，从而揭示了铁磁性管道内部缺陷检出机理，拓展了涡流检测方法的应用范围。
关键词：铁磁管道；磁化；磁导率；涡流检测
中图分类号： TG115.28
DOI：10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.16.017 开放科学(资源服务)标识码(OSID) ：
Magnetic Property Simulation of Defects in Ferromagnetic
Pipes under Magnetization
ZHANG Lipan1 MA Bingyang1 SONG Kai1 WANG Zhen2
1.Key Laboratory of Nondestructive Testing，Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，
Nanchang，330063
2.Science and Technology College of Nanchang Hangkong University，Nanchang，330063 Abstract ： A 3D model of DC magnetization pipes was built with finite element method. Meanwhile the ferromagnetic material magnetic properties and the distribution of magnetic permeability around de⁃ fect areas were analyzed. The effects of magnetization i ntensity，the thicknesses of the pipes and the depths of the flaws on magnetic permeability distribution were studied.The results show that the magnet⁃ ic permeability of the defect areas is uneven distributed while saturation magnetized，and the internal de⁃ fects may even cause the magnetic permeability of exterior surface changing under magnetization. The mechanism of internal defects on the ferromagnetic pipes is revealed，and the applications of the eddy cur⁃ rent testing method are expanded.
Key words ： ferromagnetic pipe；magnetization；magnetic permeability；eddy current testing
0 引言管道，特别是铁质管道，作为存储运送石油、天然气等介质的重要载体，被广泛应用于油气开采、化工、城市地下管廊等基础建设方面，在国民生活以及工业生产中起着重要作用。根据相关标准，其出厂前必须进行100%检测 。涡流检测是
［］ 1一种普遍使用的检测方法。铁磁性材料在加工以及运输过程中由于外界因素导致材料表面或近表面产生不均匀的磁导率会干扰涡流检测的正常实
收稿日期： 2017－06－02
基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51265041）；国家重大科学仪器设备开发专项（ 2013YQ140505）；国家公益性行业科研专项（ 201510066）；无损检测技术教育部重点实验室开放基金资助项目（ EW201708252）；航空科学基金资助项目（ GA201708257）
施，因此对于铁磁性管道的检测，通常需要另外附加磁饱和装置 ，以降低材料磁导率波动对涡流信
［］ 2号的干扰。国内外文献对铁磁材料磁饱和程度并没有明确定义，磁化后铁磁材料缺陷附近磁导率是否均匀一致也未有涉及，因此研究磁化后铁磁材料磁导率的分布状况对辨析磁化涡流检测的实质具有重要意义。
磁化涡流检测通常采用直流励磁或者永磁体磁化，目的均为降低检测区域的磁导率。多年来，国内外学者对该方法进行了许多研究 ，对磁化
［］ 3⁃4条件下的铁磁材料电磁特性的研究大都集中在漏磁检测方面。熊龙辉等 研究了漏磁法检测钢轨
［］ 5裂纹时的巡检速度、励磁激励和磁轭提离距离对
· ·
钢轨材料磁化强度的影响，并分析了其对检测灵敏度的影响。杨理践等 分析了漏磁信号幅值与
［］ 6工件厚度的关系，研究了钢板厚度对磁化效果的影响，指出了钢板磁饱和的临界点。对于铁磁材料的电磁检测研究，大多更关注检测技术本身的优化以及缺陷的磁场分布特性和磁化方法 ，而
［］ 7⁃10对磁化状态下铁磁材料缺陷处的磁导率分布状况的研究尚不多见。
本文从仿真角度出发，以典型铁磁管道为对象，建立钢管数值计算的三维有限元模型，研究表面缺陷和内部缺陷附近的磁场以及材料磁导率的分布特征，以期得到缺陷磁导率与励磁强度的对应关系。
1 磁化仿真模型
铁磁管道的磁化过程与涡流检测是同时进行的，通常采用不含有铁氧体的穿过式线圈或者马蹄形线圈进行涡流检测，探头拾取的信号经过相敏检波及滤波过程后，仅有高频的涡流信号进入计算机 ，因此得到的结果不含有漏磁作用对探
［］ 11头的影响。忽略速度对磁化效果的影响，可对磁化涡流检测的磁化部分独立研究。
以钢为研究对象建立三维有限元1/4模型，管道的外径为R1 ，厚度为W1，长度为L1 ，磁化线圈内径为R2 ，厚度为W2，长度为L2 ，缺陷长度为Lf ，宽度为Wf，深度为 Df ；磁化线圈的电导率为σCu ，相对磁导率为1，管道的电导率为σS。输入X50钢的B⁃H曲线,见图1。采用外穿过式线圈磁化管道，缺陷区域的钢管网格重点加密，逐渐向外稀疏，过渡比例控制为1/6，见图2。整个模型外层设置近远场空气层，同时在外边界施加通量平行条件，求解后通过后处理获得关注区域的电磁场分布及参量。
图2 钢管磁化仿真模型
Fig.2 Simulation mode of steel pipe under
magnetization
2 仿真结果及分析
2.1 励磁强度对管道表面磁场及漏磁场的影响
设置钢管外径R1为36.5mm，厚度W1为6 mm，长度L1为 600 mm；励磁线圈内径R2为 42.5 mm，厚度W2为20 mm，长度L2为120 mm；缺陷为周向短槽缺陷，位于管道内外表面的中心处，长度Lf为20 mm，宽度Wf为1mm，深度Df为1 mm，管道参数与实验所用管道参数一致。钢管的磁化涡流检测通常需要多次调节励磁线圈的励磁电流，使管道被检测区域处于磁饱和状态。仿真模拟与实验均采用励磁电流表征铁磁管道的励磁强度。图3所示为励磁电流为8~30 A时的仿真模型中心处磁感应强度的水平分量与实际钢管中心处磁感应强度水平分量。
图3 仿真与实验磁场对比
Fig.3 Magnetic field of simulation and experiment
根据图3所示参考电流，设置励磁电流为0~ 34 A，步进间隔为1A。励磁线圈产生的空间磁场对钢管实施纵向磁化时，缺陷区域的表面磁场既有线圈产生的空间磁场，也有缺陷产生的漏磁场。钢管缺陷区域的磁场为线圈产生的空间磁场与缺陷漏磁场的矢量叠加，有缺陷时与无缺陷时钢管表面磁感应强度的绝对值即为缺陷产生的漏磁场大小。设置不同的励磁电流，提取管道外表面且位于缺陷正上方3 mm位置处的磁感应强度以及