基于非线性磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损评价方法，首先在电磁铁线圈中通入较强直流电、形成强静磁场使被检测对象磁饱和，然后在被检测件处于磁饱和状态下对TR型脉冲涡流探头完成脉冲激励和脉冲信号检出，其次基于磁饱和脉冲涡流非线性高效正问题信号模拟方法和缺陷重构反问题算法，实现铁磁管道中局部减薄缺陷的定量无损评价；本方法具有非接触、易实现、易操作、检测效率高等优点，可广泛运用于电站、化工等结构中大量使用的铁磁材料管道容器的局部减薄缺陷的定量无损评价。
【技术实现步骤摘要】
基于非线性磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损评价方法
本专利技术涉及基于电磁方法的缺陷定量无损检测
，具体涉及一种基于非线性磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损评价方法。
技术介绍
为保障能源供应、调整能源结构和降低温室气体排放，我国正在大力发展核电，近几年即将达到40余座，迈入国际前列。日本福岛核电站堆芯熔毁事故凸显了核电结构安全的重要性。除全电源丧失可能导致堆芯无法冷却而引发堆芯事故外，冷却所必需的大量核级管道的局部减薄等缺陷的发生和发展也可能导致核级管道的泄漏甚至大破裂，对核能结构安全造成严重威胁。例如，日本关西电力属下的美滨核电站2004年发生爆管事故，导致4人死亡，7人严重受伤，其原因是主蒸汽管道局部管壁壁厚由10mm锐减为1.4mm，导致强度不足发生事故。依据核电标准，主蒸汽管道容许安全壁厚为4.7mm，由于管道减薄缺陷未能及时检出是导致此次重大事故发生的主要原因。在核级管道中大量存在流速测定部位、L弯头、T形接头等特殊部位，由于流动的复杂性其下游管道在服役过程中发生减薄缺陷不可避免。核级管道内面产生的减薄缺陷从机理上主要可分为两类，即流动加速腐蚀(FAC:FlowAcceleratedCorrosion)和液滴冲蚀(LDI:LiquidDropletImpingement)。虽然管道初始厚度有足够的裕度，FAC和LDI可能导致管道严重减薄，可能造成如美滨核电站甚至更加严重的安全事故。LDI缺陷容易在管道L弯部位产生，严重时甚至可形成通孔缺陷。因此，核级管道减薄缺陷对核电站的安全造成严重威胁，需要定期进行定量无损检测以保障其安全性和经济性。核级管道材料主要为不锈钢和碳素钢，核电结构定量无损检测主要采用超声检测(UT)方法。由于管道外部的隔热/绝缘层的存在，常规超声方法无法实现直接对内壁缺陷的定量检测，而常规涡流检测方法不需要接触及耦合剂，同时脉冲涡流检测方法(PECT)对于厚壁结构无损检测具有优势。对于不锈钢管道，理论和实验研究已证明了PECT方法对于管道局部减薄缺陷检测的有效性。但对于强磁性碳素钢管道，由于磁导率影响大大降低涡流的趋肤深度，导致PECT方法无法直接应用于厚壁管道检测，需要开发新的方法。磁饱和现象可降低材料磁导率，磁饱和涡流检测已在磁性材料检测中广泛使用，但无法实现厚板内面缺陷检测。结合脉冲涡流和磁饱和涡流的特点，磁饱和脉冲涡流检测有望克服上述困难，实现碳素钢核级管道内面减薄缺陷的定量检测，国内外尚无相关研究报道。鉴于此，本专利技术提出了基于磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损评价方法，利用产生强静磁场的电磁铁、TR型脉冲涡流探头和非线性磁饱和脉冲涡流正反问题算法，实现铁磁材料管道的缺陷定量无损检测。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于非线性磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损评价方法，通过在电磁铁的线圈中通入较强直流电、形成强静磁场，然后在被检测件处于磁饱和状态下由脉冲涡流装置对TR型脉冲涡流探头完成脉冲激励和脉冲信号检出；再附加以非线性磁饱和脉冲涡流法的高效正问题信号模拟方法和基于逆问题的缺陷重构算法，实现铁磁管道中局部减薄缺陷的定量无损评价，可广泛运用于电站、化工等结构中大量使用的铁磁材料管道容器的局部减薄缺陷的定量检测。具有非接触、易实现、易操作、检测效率高等优点。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：基于非线性磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损评价方法，包括如下步骤：步骤1：选取饱和磁感应强度大于1.5T的材料制作成U型电磁铁磁轭1，然后在U型电磁铁磁轭1的两腿部绕制线径为1mm～2mm的磁轭线圈2作为电磁铁的磁轭线圈；步骤2：绕制激励线圈3和检出线圈4分别形成激励探头和检出探头，置于U型电磁铁磁轭1内部，根据信噪比取优标准优化探头间距，制作TR型脉冲涡流探头；步骤3：搭建磁饱和脉冲涡流实验系统，主要包括四部分，首先是脉冲涡流装置，由脉冲信号发生器和功率放大器组成，脉冲信号发生器用于产生方波脉冲激励信号，功率放大器用来放大脉冲激励信号；其次是磁饱和脉冲涡流探头，包括电磁铁和TR型脉冲涡流探头，其中TR型脉冲涡流探头又包括激励探头和检出探头，在电磁铁的磁轭线圈中通入强直流电，形成强静磁场，使被检测铁磁性材料处于磁饱和状态，降低其磁导率，增强涡流的趋肤深度，在此状态下，通过脉冲涡流装置对TR型脉冲涡流探头的激励探头进行脉冲信号激励，并通过检出探头接收脉冲检出信号；另外还包括提供强直流电的直流电源，和采集与分析检出探头信号的数据采集分析系统；步骤4：在被检测铁磁性材料处于磁饱和状态下，对TR型脉冲涡流探头进行方波形式的脉冲信号激励和脉冲信号检出，测量不同缺陷大小的磁饱和脉冲涡流信号，方波脉冲激励信号基频f0为100Hz，占空比为50％；对TR型脉冲涡流探头进行二维平面或曲面扫描，得到C扫图进行成像显示；步骤5：首先基于模拟极化法计算电磁铁产生的强静磁场空间分布，然后根据被检测材料的B-H曲线计算被检测对象磁导率的三维空间分布；基于退化磁矢量位法Ar及Crank-Nicholson时域积分法计算具有三维磁导率分布的非线性脉冲涡流信号，并结合模拟极化法计算得到的强静磁场空间分布，采用非线性磁饱和脉冲涡流法对铁磁性材料检测的正问题信号进行数值模拟；首先，基于模拟极化法计算电磁铁产生的静磁场分布的方法如下：应用库仑规范条件模拟极化法的控制方程写作：其中，ΩFEM是指包含铁磁性材料和磁轭的铁磁性区域，ΩBEM是指包含激励线圈的空气区域，J0是激励线圈中通入的电流源密度，M是铁磁性区域的磁化场，A是矢量磁位，μ0是空气磁导率；方程(3)给出了铁磁性体的非线性磁化本构关系，其中，B0是磁感应强度，H是磁场强度；基于上述方程(1)、(2)、(3)和有限元-边界元混合法能够计算得到电磁铁产生的静磁场分布即磁场强度H的空间分布，进而得到磁感应强度B0的空间分布；其次，利用Crank-Nicholson时域积分法求解脉冲瞬态激励的响应问题，基于时间域的逐步积分方法如下：基于退化磁矢量位法的低频涡流场控制方程简写成，式中：[K]，[C]，[M]——全局系数矩阵；I(t)——依赖于时间函数的脉冲瞬态激励电流；对于瞬态问题，矢量磁位A关于时间的导数由关于时间步的差分(Ak-Ak-1)/Δt近似计算，其中Ak＝A(t0+kΔt)，k表示第k次时间步，Δt表示时间步长，t0表示初始时间；为了提高计算稳定性，矢量磁位A由Crank-Nicholson直接积分法A＝θAk-1+(1-θ)Ak(5)替换，其中(0≤θ≤1)是控制积分稳定性的参数；方程(5)代入(4)，当前步的矢量磁位A通过式(6)计算出来；[[K](1-θ)Δt+[C]]{Ak}＝(6)Δt{M}I(t0+kΔt)+[[C]-[K]θΔt]{Ak-1}通过公式(6)计算得到矢量磁位A，然后计算得到瞬态磁感应强度B′；最后，通过结合模拟极化法计算得到的具有空间分布的强静磁感应强度B0和脉冲瞬态激励产生的瞬态磁感应强度B′，得到每一个时间积分步的磁感应强度的总和B，即B＝B0+B′；其中，控制方程中的单元刚度矩阵与单元磁导率μ相关，因此将所有导体单元的单元磁导率μ定义为一个具有三维空间分布的数组，以每个单元中心本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于非线性磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损评价方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：选取饱和磁感应强度大于1.5T的材料制作成U型电磁铁磁轭(1)，然后在U型电磁铁磁轭(1)的两腿部绕制线径为1mm～2mm的磁轭线圈(2)作为电磁铁的磁轭线圈；步骤2：绕制激励线圈(3)和检出线圈(4)分别形成激励探头和检出探头，置于U型电磁铁磁轭(1)内部，根据信噪比取优标准优化探头间距，制作TR型脉冲涡流探头；步骤3：搭建磁饱和脉冲涡流实验系统，主要包括四部分，首先是脉冲涡流装置，由脉冲信号发生器和功率放大器组成，脉冲信号发生器用于产生方波脉冲激励信号，功率放大器用来放大脉冲激励信号；其次是磁饱和脉冲涡流探头，包括电磁铁和TR型脉冲涡流探头，其中TR型脉冲涡流探头又包括激励探头和检出探头，在电磁铁的磁轭线圈中通入强直流电，形成强静磁场，使被检测铁磁性材料处于磁饱和状态，降低其磁导率，增强涡流的趋肤深度，在此状态下，通过脉冲涡流装置对TR型脉冲涡流探头的激励探头进行脉冲信号激励，并通过检出探头接收脉冲检出信号；另外还包括提供强直流电的直流电源，和采集与分析检出探头信号的数据采集分析系统；步骤4：在被检测铁磁性材料处于磁饱和状态下，对TR型脉冲涡流探头进行方波形式的脉冲信号激励和脉冲信号检出，测量不同缺陷大小的磁饱和脉冲涡流信号，方波脉冲激励信号基频f0为100Hz，占空比为50％；对TR型脉冲涡流探头进行二维平面或曲面扫描，得到C扫图进行成像显示；步骤5：首先基于模拟极化法计算电磁铁产生的强静磁场空间分布，然后根据被检测材料的B‑H曲线计算被检测对象磁导率的三维空间分布；基于退化磁矢量位法Ar及Crank‑Nicholson时域积分法计算具有三维磁导率分布的非线性脉冲涡流信号，并结合模拟极化法计算得到的强静磁场空间分布，采用非线性磁饱和脉冲涡流法对铁磁性材料检测的正问题信号进行数值模拟；首先，基于模拟极化法计算电磁铁产生的静磁场分布的方法如下：应用库仑规范条件模拟极化法的控制方程写作：-1μ0ΔA=▿×MinΩFEM---(1)]]>-1μ0ΔA=J0inΩBEM---(1)]]>其中，ΩFEM是指包含铁磁性材料和磁轭的铁磁性区域，ΩBEM是指包含激励线圈的空气区域，J0是激励线圈中通入的电流源密度，M是铁磁性区域的磁化场，A是矢量磁位，μ0是空气磁导率；方程(3)给出了铁磁性体的非线性磁化本构关系，M(B0)=B0μ0-H(B0)---(3)]]>其中，B0是磁感应强度，H是磁场强度；基于上述方程(1)、(2)、(3)和有限元‑边界元混合法能够计算得到电磁铁产生的静磁场分布即磁场强度H的空间分布，进而得到磁感应强度B0的空间分布；其次，利用Crank‑Nicholson时域积分法求解脉冲瞬态激励的响应问题，基于时间域的逐步积分方法如下：基于退化磁矢量位法的低频涡流场控制方程简写成，[K]{A}+[C]{∂A∂t}=[M]I(t)---(4)]]>式中：[K]，[C]，[M]——全局系数矩阵；I(t)——依赖于时间函数的脉冲瞬态激励电流；对于瞬态问题，矢量磁位A关于时间的导数由关于时间步的差分(Ak‑Ak‑1)/Δt近似计算，其中Ak＝A(t0+kΔt)，k表示第k次时间步，Δt表示时间步长，t0表示初始时间；为了提高计算稳定性，矢量磁位A由Crank‑Nicholson直接积分法A＝θAk‑1+(1‑θ)Ak (5)替换，其中(0≤θ≤1.)是控制积分稳定性的参数；方程(5)代入(4)，当前步的矢量磁位A通过公式(6)计算出来；[[K](1-θ)Δt+[C]]{Ak}=Δt{M}I(t0+kΔt)+[[C]-[K]θΔt]{Ak-1}---(6)]]>通过公式(6)计算得到矢量磁位A，然后计算得到瞬态磁感应强度B′；最后，通过结合模拟极化法计算得到的具有空间分布的强静磁感应强度B0和脉冲瞬态激励产生的瞬态磁感应强度B′，得到每一个时间积分步的磁感应强度的总和B，即B＝B0+B′；其中，控制方程中的单元刚度矩阵与单元磁导率μ相关，因此将所有导体单元的单元磁导率μ定义为一个具有三维空间分布的数组，以每个单元中心的磁感应强度总和B作为判定参数，满足一定条件则对该单元的单元磁导率μ进行重新赋值，然后进入下一个积分时间步；在每一个积分时间步中，导入碳素钢磁导率和磁感应强度总和B的非线性磁化曲...
【技术特征摘要】
1.基于非线性磁饱和脉冲涡流的铁磁管道定量无损测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：选取饱和磁感应强度大于1.5T的材料制作成U型电磁铁磁轭(1)，然后在U型电磁铁磁轭(1)的两腿部绕制线径为1mm～2mm的磁轭线圈(2)作为电磁铁的磁轭线圈；步骤2：绕制激励线圈(3)和检出线圈(4)分别形成激励探头和检出探头，置于U型电磁铁磁轭(1)内部，根据信噪比取优标准优化探头间距，制作TR型脉冲涡流探头；步骤3：搭建磁饱和脉冲涡流实验系统，该实验系统包括四部分：脉冲涡流装置，由脉冲信号发生器和功率放大器组成，脉冲信号发生器用于产生方波脉冲激励信号，功率放大器用来放大脉冲激励信号；磁饱和脉冲涡流探头，包括电磁铁和TR型脉冲涡流探头，其中TR型脉冲涡流探头包括激励探头和检出探头，在电磁铁的磁轭线圈中通入强直流电，形成强静磁场，使被检测铁磁性材料处于磁饱和状态，降低其磁导率，增强涡流的趋肤深度，在此状态下，通过脉冲涡流装置对TR型脉冲涡流探头的激励探头进行脉冲信号激励，并通过检出探头接收脉冲检出信号；提供强直流电的直流电源，和采集与分析检出探头信号的数据采集分析系统；步骤4：在被检测铁磁性材料处于磁饱和状态下，对TR型脉冲涡流探头进行方波形式的脉冲信号激励和脉冲信号检出，测量不同缺陷大小的磁饱和脉冲涡流信号，方波脉冲激励信号基频f0为100Hz，占空比为50％；对TR型脉冲涡流探头进行二维平面或曲面扫描，得到C扫图进行成像显示；步骤5：首先基于模拟极化法计算电磁铁产生的强静磁场空间分布，然后根据被检测材料的B-H曲线计算被检测对象磁导率的三维空间分布；基于退化磁矢量位法Ar及Crank-Nicholson时域积分法计算具有三维磁导率分布的非线性脉冲涡流信号，并结合模拟极化法计算得到的强静磁场空间分布，采用非线性磁饱和脉冲涡流法对铁磁性材料检测的正问题信号进行数值模拟；首先，基于模拟极化法计算电磁铁产生的静磁场分布的方法如下：应用库仑规范条件模拟极化法的控制方程写作：其中，ΩFEM是指包含铁磁性材料和磁轭的铁磁性区域，ΩBEM是指包含激励线圈的空气区域，J0是激励线圈中通入的电流源密度，M是铁磁性区域的磁化场，A是矢量磁位，μ0是空气磁导率；方程(3)给出了铁磁性体的非线性磁化本构关系，其中，B0是磁感应强度，H是磁场强度；基于上述方程(1)、(2)、(3)和有限元-边界元混合法能够计算得到电磁铁产生的静磁场分布即磁场强度H的空间分布，进而得到磁感应强度B0的空间分布；其次，利用Crank-Nicholson时域积分法求解脉冲瞬态激励的响应问题，基于时间域的逐步积分方法如下：基于退化磁矢量位法的低频涡流场控制方程简写成，式中：[K]，[...
【专利技术属性】
技术研发人员：解社娟，陈振茂，吴磊，陈洪恩，蔡文路，田明明，方倍培，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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