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0 引言
管道作为能源运输的主要方式，其安全性是相当重要的。油气管道无损检测技术就是预测隐患、为安全评价提供基础资料的一种重要手段。管道无损检测技术的原理有很多种，目前应用较多的是超声法、漏磁法和涡流法。新兴的电磁超声技术作为一种激发原理特殊的超声，因其不需要耦合介质，易于选定所激发的超声模式等优点，正引起无损检测领域越来越高的重视。
电磁超声虽然具有众多优点，但由于其转换效率低，衰减严重，受噪声污染大，检测结果常常不理想。因此，利用有限元分析软件，建立EMAT的二维模型，通过仿真比较了缺陷对被测物体表面磁流密度、磁感应强度和涡流等情况的影响，提出了设计EMAT检测装置和进行检测数据分析时值得注意的方面，对指导EMAT无损检测的研究具有重要的意义。
1 电磁超声检测技术的理论依据
在被测物体表面设置一曲折线圈，某一时刻，通过往线圈中加载一高压窄脉冲或时谐电流源激励产生一个交变的电磁场H，会在被测物体内部产生感应电流，即涡流I。如果同时施加一由永磁体产生的稳定磁场，就会与金属内部涡流相互作用，产生洛伦兹力。被测物体的质点在此力的作用下产生机械振动，从而产生沿被测件辐射或沿表面传播的超声波。这就是电磁超声激发的基本原理。电磁超声的接收是激发的逆过程。当被测物体表面有超声自内部投射时，质点发生位移，带正电荷的晶格在偏置磁场的作用下受力，产生交变电流。这个交变电流将导致被测导体的表层出现交变的磁场，这个交变磁场漏出导电体，在被测导体上方的线圈中感生出电动势。这样，就可以进行检测了。在电磁超声无损检测中，被测物体作为龟磁超声传感器的一部分，必须是电导体或磁导体。若被测物体是铁磁性材料，除洛仑兹力外，还受到磁致伸缩力的作用。
2 仿真方法
有限元分析是将物体划分成有限个单元，单元看作是不可变形的刚体，通过有限个节点相互连接，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵，在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体特性计算和分析。ANSYS软件是目前最常用的有限元分析软件之一，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体。软件主要包括3个模块：前处理模块，求解模块和后处理模块。
2.1前处理
根据电磁超声无损检测装置的结构和工作特点，取单元类型为空气、线圈和被测导体，定义材料属性。设被测导体的相对磁导率μr=500，电阻率ρ=9.17×10-8Ω·m，线圈的相对磁导率μr=1，电阻率ρ=1.68×10-8Ω·m。考虑到模型具有对称性，且假设线圈导线的长度比线间距要大得多，可将模型简化成二维情况来进行有限元分析。设被测物体为半无限大导体，在其上方放置曲折线圈，线圈由一根导线来回沿直角弯曲成一组6条平行线，相邻导线间距b=1mm，提离距离h=0.5 mm，导线横截面为正方形，边长a=0.2mm，相邻两导线电流方向相反。导体处在磁感应强度B0=1T的偏置磁场中，方向竖直向下。为比较缺陷对电磁超声检测过程中各因素的影响，在导线3下方设置了一个0.1mm×0.2mm的裂缝，EMAT模型如图1所示。建立模型后，给面赋予特性，确定单元关系，并进行智能网格划分。
图1 EMAT激发系统二维平面模型
2.2求解
在电磁场微分方程的求解过程中，只有限制了边界条件和初始条件，才有确定解，因此，为被测导体设置边界条件，并规定各项力标志。根据电磁超声的激发机理，采用时变电流对线圈施加激励。设激励电流的形式为i(t)=sin2(π×105t)cos2(π×106t)，取分析时间为10μs，此时激励电流可视为衰减到0，时间步长设为0.2μs，信号波形如图2所示。根据所加激励的类型，耦合线圈自由度，进行瞬态磁场分析。
图2 激励电流信号波形
2.3后处理
求解结束后，可选择相应时间步，获得分析过程中相关的等值线图，云图和矢量图等。可通过选择节点，读取其在分析过程中某一参数随时间或频率连续变换的情况。还可以以麦克斯韦方程组为出发点，求解磁通、力和能量等参数。
3 仿真实验结果
当线圈受时谐电流源激励时，会产生一个交变的电磁场H，交变磁场的磁流密度如图3和图4所示。磁流密度的具体数值可通过等值线读取。可见当不存在缺陷时，各条导线下方的磁流密度大致相等，当存在缺陷时，缺陷两侧钢板表面的磁流密度就比其它地方大，而缺陷深处磁流密度却变得非常小。
图3 被测导体表面不存在缺陷时交变磁场的磁流密度
图4 被测导体表面存在缺陷时交变磁场的磁流密度
导线下方感应出的动态磁场的磁感应强度如图5和图6所示。当不存在缺陷时，各条导线下方的磁感应强度曲线类似，只是幅值稍有不同。当存在缺陷时，选取的是导线3下方缺陷最深处正中央的节点，和导线4下方节点的磁感应强度进行比较。显然缺陷处磁感应强度要小的多，交变的磁场会在导体表面感应出电涡流，导体的电涡流受多种参数的共同影响，材料的电导率、磁导率、激励的频率、相邻导线的间距以及线圈与导体之间的提离距离等都影响其分布。2种情况下被测导体表面感生的电涡流如图7和图8所示。可见缺陷处的涡流密度要比正常情况下小的多，这与缺陷处的磁感应强度也是成正比的，这说明涡流受到趋肤效应的影响，在被测导体中随深度衰减严重，若缺陷过深，那么其深处表面的感生涡流很可能无法测得。因此，无论是在EMAT检测装置的设计或是检测数据的分析中，都应充分考虑到涡流的趋肤效应，通过改变线圈的物理特性或提高换能器的转换效率来克服由趋肤效应引起的影响。
图5 没有缺陷时线圈下方磁感应强度
图6 存在缺陷时线圈下方磁感应强度
图7 没有缺陷时导体表面两点电涡流
图8 存在缺陷时导体表面两点电涡流
4 结论
电磁超声无损检测技术用电磁感应涡流原理激发超声波，具有换能器与被测体表面非接触、无需耦合剂、重复性好、检测速度高等优点。通过有限元分析软件ANSYS对EMAT进行仿真，直观地分析了缺陷对被测物体表面磁感应强度和涡流等的影响，为利用EMAT无损检测技术进行缺陷检测奠定了基础。
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