基于有限元仿真分析的远场涡流管道缺陷检测的研究

摘要

远场涡流（RFEC）检测技术是一门新兴的管道检测技术，它受环境和探头提离效应影响小，对管道的内、外壁缺陷具有相同的灵敏度，在化工、电力及核电工业管道缺陷检测方面具有很好的应用前景。远场涡流检测技术在工业中的使用已超过半个世纪，但对远场涡流的机理和缺陷信号定性判别方面的研究还不够。在远场涡流管道检测技术的应用方面，支撑板产生的信噪掩盖了正常的缺陷信号，出现大量的错检和漏检事故。本文在对远场涡流有限元分析的基础上，利用有限元分析软件ANSYS对远场涡流的机理及各种缺陷信号的特征和影响因素进行仿真研究，同时分析了支撑板对信号影响的规律，并在实验中验证仿真结果。
　　 本文首先从麦克斯韦电磁基本方程出发，推导出远场涡流有限元的数学模型，以及磁场在管道壁内传播的近似规律和检测线圈的信号表达式。利用远场涡流管道检测的二维轴对称特性，在有限元分析软件ANSYS中建立了远场涡流的二维仿真模型，并提出了局部分析法减少计算负担。通过改变管道的磁特性和电特性参数，得出了磁场大小分布主要由管道的强导磁能力决定、相位分布主要由管道的导电能力决定的结论。在对不同缺陷与其对应的相位和幅值信号进行分析，得出了相位信号峰值与缺陷深度成正比等信号与缺陷尺寸之间的关系。之后，以缺陷模型为基础，分析支撑板与管道缺陷之间的距离和厚度比与缺陷相位信号之间的关系，得出了支撑板信噪对真实信号影响的一般规律。最后，搭建实验平台，对仿真结果进行验证和偏差分析。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号对照表

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 管道内检测技术及其研究进展

1.2.1 超声波检测技术

1.2.2 漏磁检测技术

1.2.3 射线检测技术

1.2.4 热象显示技术

1.2.5 涡流检测技术

1.2.6 远场涡流和常规涡流技术的比较

1.3 远场涡流无损检测的研究进展与国内外现状

1.3.1 远场涡流的研究历史

1.3.2 国外研究现状

1.3.3 国内研究现状

1.3.4 有限元方法在远场涡流中的应用

1.4 远场涡流在应用过程中存在的问题

1.5 远场涡流无损检测技术的发展趋势

1.5 论文主要内容安排

第二章 远场涡流检测原理

2.1 远场涡流现象

2.2 壁厚与相位信号的关系

2.3 远场涡流检测的数值模型

2.4 管壁的磁场分析

第三章 二维远场涡流有限元仿真

3.1 有限元方法及软件介绍

3.2 课题研究分析流程

3.3 建立仿真模型

3.3.1 检测线圈模型

3.3.2 稳态模拟

3.3.3 物理模型

3.4 仿真模型的前处理

3.4.1 远场单元

3.4.2 网格划分

3.4.3 电磁场的边界条件

3.4.4 激励线圈

3.5 管道磁场分布

3.5.1 轴向分量与径向分量

3.5.2 磁势实部与虚部

3.5.3 电磁特性对远场涡流的影响

3.6 远场涡流局部简化分析

3.7 磁场轴向分布的估计模型

第四章 管道缺陷的仿真分析

4.1 缺陷检测信号

4.2 内外壁缺陷信号对比

4.3 缺陷与相位信号的对应关系

4.4 缺陷与幅值信号的对应关系

第五章 支撑板对缺陷信号的影响

5.1 支撑板对磁场分布的影响

5.2 支撑板对缺陷信号的影响

5.3 支撑板与管道间距对缺陷检测的影响分析

5.4 支撑板轴向宽度对缺陷信号的影响

第六章 实验验证

6.1 实验说明

6.1.1 激励源

6.1.2 信号检测与处理

6.2 实验结果与仿真结果对比分析

6.2.1 结果误差分析

6.2.2 结果对比

总结与展望

论文工作成果

对今后工作的展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢