锅炉水冷壁管缺陷检测仿真研究.pdf

学炮第42卷第1期
锅炉技术
11年1月
BOILER TECHNOLOGY
Jan.,2011
文章编号:CN31-1508(2011)01-0023-03
锅炉水冷壁管缺陷检测仿真研究
任海燕',丁克勤2
中山大学信息与通讯工程学院,山西太原030051;2.中国特种设备检测研究院,北京100013
关键词:水冷壁管;低频涡流检测; ANSYS电磁仿真软件;相位差
摘要:对锅炉水冷壁管低频涡流检测系统进行了仿真研究,建立了低频涡流檢测的有限元模型,仿真分析
了水冷壁管的三维有限元计算,给出了2种典型的缺陷对应的响应结果,得出了感应信号随缺陷形状改变的
大致规律,可用于锅炉水冷壁管低频涡流检測探头设计和实际检测的理论指导。
中图分类号:Tk223.3
文献标识码:A
0前言
压Uい,由电磁感应定律知,激励线圏中将产生
垂直于电流方向的交变磁场B1,该交变磁场经钢
锅炉是热电厂最重要的生产设备,其炉内水管形成回路,同时在钢管内部感应出涡流U2,涡
冷壁管在长期服役中受到烟气、煤灰和火焰等侵流进一步产生一个与磁场方向相反的交变磁场
蚀,极易出现磨损、腐蚀,造成管壁局部减薄,在管B2。检测线圈在交变磁场B1、B2的共同作用下
内高压、高温蒸汽的作用下,最终产生管体爆裂泄感生出感应电压U2。这时,通过比较U2与U
漏等严重事故。为了预防恶性事故发生,目前只能之间的相位差跟一个标准相位差的差值,便可得
唯一采用超声波测厚仪或超声波探伤仪来局部抽出缺陷的信息
査管壁腐蚀的情况,但由于测量前的除垢,涂抹耦
合剂等准备工序,限制了测量点的数量。而在管内
交变电流
电压表
壁上产生的氧腐蚀、氢蚀,裂纹的位置往往是随机
1.r
激励线圈
的,超声检测方法对已知煤炭吹蚀,液体冲刷等有
检测线圈
规律的局部损伤是有效的,然而对其他部位的随机
涡
流
2
抽査,往往会漏掉,从而留下事故隐患
件
低频涡流檢测是探测电导材料中表面或近
图1低频涡流检测原理图
表面伤痕的一种无损检测方法,它对管道内外壁
缺陷具有相同的灵敏度,检测速度快,不需要耦2 ANSYS电磁场仿真分析
合剂,易于实现,主要用于管道的在役检测,由于
具有上述优点,这项技术已经作为一种常规无损
ANSYS软件充分考虑各种电磁计算方法的
检测手段列入各类管道腐蚀检測维护手册中,应优点,发展了多个适用于不同领域的电磁分析模
用十分广泛。同时,针对管道内壁腐蚀部位大小块,包含采用有限元法的低频电磁分析模块AN
深浅不相同,形状分布无规则,实际检测起来比 SYS Emag;以特大尺寸分析能力著称的高频电
较困难。为了提高检测的灵敏度和准确性,有必磁场分析模块FEKO,PCB板与复杂电缆的信号
要弄清涡流场的分布,本文对低频涡流检测过程完整性与电磁兼容性分析工具Slab。这些模块
进行了仿真分析
优势互补共同解决各种复杂的电磁分析问题,是
如今电磁场仿真软件中不可或缺的一份子。
1低频涡流检測原理
2.1仿真理论基础
如图1所示,当给激励线圈两端加一交变电
涡流检测的基本理论问题是确定被试验物
收稿日期:2009-02-2
作者简介:任海燕(1984-),女,硕士研究生?主要从事电站仿真的研究
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锅
技术
第42卷
体的物理性质、儿何尺寸及缺陷等因素同检测线2.2.2单元选取和实常数定义
圈电参数变化之间的联系。一般在理论上是将
ANSYS提供了很多可用于模拟电磁现象的
处于电磁场中物体及其周围的空间这个待研究单元,本文要进行三维有限元仿真,并结合加载
区域列出麦克斯韦方程组及定解条件,然后进行部分要利用电路耦合方式作为激励,需要糰合单
求解和计算,进而确立线圈中的电流或电压的幅元具有CURR与EMF这两个自由度,最后选取
值和相位的变化。考虑到金属导体中位移电流了 SOLID97作为主要的电磁单元来进行计算
很小,故e与o相比,可忽路不计,由麦克斯韦方
用 SOLID97单元建立线圈模型时需要注意
程组可得到一系列涡流方程或电磁渗透方程,用两点:
来研究导体内的电磁渗透现象,也是 ANSYS电
(1)必须定义相应的实常数来表征线圈,如
磁仿真软件对电磁检测进行理论分析的基础线囹横截面积、线圈总匝数、线圈的模型体积、电
方程
流的方向矢量等。
マ2H= jopuohf
(2)在对载压线圈施加电压前,要同时耦合
(2)线圈单元上的CURR自由度
2.2.3赋予属性和网格划分
在实际计算涡流检间题时,往往没有可能
创建完模型并对各材料赋予相应属性后,就
列出或者求解在特定情况下渴流方程的定解。要对各个区域进行有限元网格划分。网格划分
在这种情况只能参照理论分析获得的一般化结能够控制实体模型划分网格中的各个因素,如单
果并通过模拟实验来进行研究。
元形状、中间节点位置、单元大小等。此步骤是
2.2仿真分析
整个分析中最重要的因素之一,因为此阶段对模
利用 ANSYS电磁仿真软件进行仿真的大体型生成的决定:降对分析的准确性和经济性有决
流程如下
定性的影响。
针对本文的有限元模型?格划分中,对缺陷
第一步
第∴步:
第三步
第叫步
第五步
有限元模し单元选取和」赋予属性』」加载激励求解与
区域及周围空气区域要通过线一一线扫略,形成
型的建立「实常数定义和
后处理
网格划分边界条件
规则六面体网格单元且不能过稀;空气区域不适
宜用扫賂,采用自适应刘分。总之,在满足求解
图2仿真分析的大致流程
精度的前提下,划分的单元数越少越好,这样既
2.1有限元模型的建立
可以缩短仿真的计算时间提高其效率,又能满足
本文中的低频涡流检测有限元模型是根据分析问题的要求。
实际装置的探头形状建立的。激励线圈横跨
2.2.4加载激励和边界条件
油管上方,检测线圈位于激励线圈中央,钢管厚
涡流检测中激励线圈的激励信号相当重要,
6mm。工作时,探头以恒定速度沿轴向运动,大小强度及频率要符合检测的要求,不能太高也
激励探头产生的轴向磁场加在锅炉壁管的待检不能太低,否则引起涡流损耗或灵敏度过小从而
区域,当探头扫过壁管内缺陷时,检测线圈便会造成检测失效。本文通过使用电路耦合单元
在发生偏转的磁感应信号的感生下产生感应 CIRCU124,对线圈单元施加幅值为10V,频率为
电压。
10Hz,初相为零的正弦波激励,并进行瞬态
分析。
对于本文所建立的似稳电磁场模型,只崙指
定空气域的最外层为远场单元,软件便自动把模
型的最外层作为边界来考虑
2.2.5求解及后处理
求解是对所建立的有限元模型的自由度的
线性方程组进行计算,求解时间的长短跟所建有
1「门型铁芯:2-激励线圈:3-检测线圈:4-1/2钢管
限元模型的单元数和节点数以及所选择的求解
图3有限元模型图
器有关。对于本文的仿真计算,为了节约时间又