基于交流电磁场的高铁钢轨表面裂纹无损检测研究及展望

针对高铁钢轨表面产生滚动接触疲劳(RCF)裂纹导致对钢轨带来危害的问题,本文分析了钢轨表面滚动接触疲劳裂纹的形成机理及扩展规律,系统归纳了高铁裂纹的无损检测与表征方法。聚焦于交流电磁场检测(ACFM)技术,重点研究了ACFM技术发展及研究现状、理论研究成果以及存在的问题,综述了ACFM技术的特点及应用,通过与其他无损检测方法进行分析比较,阐述了ACFM测量法对钢轨表面裂纹的精准量化表征的优势。结果表明:ACFM探针传感器沿45°方向扫描,通过结合ACFM信号补偿量算法可将非均匀裂纹口袋深度误差降到5.5%,垂直深度误差降到7.1%,裂纹簇误差减小到7.1%;经过人工神经网络训练对钢轨RCF裂纹尺寸进行精准表征,最终计算的误差在10%以内。进一步讨论了融合人工智能技术的钢轨表面裂纹无损检测技术的发展趋势,为后续ACFM技术对钢轨表面RCF裂纹的检测和表征研究提出相关建议和展望。

交流电磁场检测中蝶形图与裂纹剖面的映射方法

蝶形图是交流电磁场检测(alternating current field measurement,ACFM)中判定缺陷存在的一种重要方法。为研究常规裂纹蝶形图与裂纹剖面的映射关系,首先利用COMSOL Multiphysics实现不同尺寸裂纹的数值模拟,并建立了长度和深度特征量的重构方程。其次通过对比,分析了蝶形图与裂纹剖面的内在关系,进一步结合图像处理法和常规线性拟合方法分别建立了两者的映射关系方程。最后,对Q235钢不同尺寸的槽状裂纹进行了检测试验。试验结果表明:基于长度和深度的裂纹剖面误差分别为5.46%和6.02%。该研究实现了蝶形图的再利用,为缺陷的风险评估方法提供了重要的参考。

水下交流电磁场检测探头设计与结构优化

交流电磁场检测技术是一种新型的电磁无损检测技术,可快速、准确检测金属表面裂纹缺陷的尺寸。针对水下交流电磁场检测探头磁轭及检测线圈参数优化问题,利用有限元软件COMSOL建立水下交流电磁场检测金属裂纹的仿真模型,通过磁通畸变量对探头中U形磁轭各参数进行优化设计,分别分析腿磁轭高度、上磁轭长度、腿磁轭长度、腿磁轭宽度、上磁轭厚度等对检测信号的影响。对检测线圈与磁轭的相对位置展开研究,分析其对交流电磁场检测结果的影响。给出了水下交流电磁场检测中检测探头U形磁轭的可参考尺寸,证明了检测线圈处于磁轭中心位置时检测效果最佳,为水下管道检测探头的研发设计提供了理论依据。

交流电磁场应力测量法在管道应力内检测中的应用

为解决管道本体应力集中区域的内检测问题,以交流电磁场应力测量法(ACSM)为依据,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真建立石油管道电磁场二维仿真模型,分析管道表面磁场分布规律,研究ACSM法应力测量传感器结构和工艺参数对测量结果的影响。研制基于ACSM法的应力测量传感器,设计开发管道应力内检测系统,开展了静载拉伸应力测量试验研究以及现场牵拉试验。仿真模拟结果与应力测量传感器的实际测量结果相吻合,在被测试件弹性限度内,随着施加应力的增加,传感器的测量幅值呈正比增长态势;现场牵拉试验过程中,传感器幅值大小与施加应力大小存在较好的映射关系,对被检管道施加105 MPa应力时,传感器的差值电压幅值可达259 mV,整套系统在应力测量试验中运行良好,可有效识别应力集中区域。

基于阵列涡流及交流电磁场检测技术的压力容器应力腐蚀裂纹检测

采用阵列涡流和交流电磁场两项无损检测技术对压力容器内壁表面及近表面裂纹缺陷实施不打磨情况下的快速检测,提供了一种高效可靠的压力容器应力腐蚀裂纹无损检测方法,并采用该方法对一台杀菌锅进行了检测。在实验室工艺研究的基础之上,制定了阵列涡流和交流电磁场两项技术的专用检测工艺,并开展检测验证。检测结果表明,该检测工艺可实现对杀菌锅表面及近表面裂纹缺陷的快速检测,对压力容器的定期检验有重要的意义。

基于交流电磁场的支管角焊缝表面缺陷检测系统

基于交流电磁场检测(ACFM)技术,开发了一套支管角焊缝表面缺陷检测系统。设计了包含ACFM探头和便携式机箱的硬件检测系统,针对检测信号的特点开发了信号平滑滤波算法,提高了信号的信噪比,并基于LabVIEW平台编写了集信号采集、信号处理和信号显示为一体的检测软件,最后形成一套完整的交流电磁场支管角焊缝表面缺陷检测系统,并采用该系统对Q345材料角焊缝试件进行检测。试验结果表明,所设计的交流电磁场缺陷检测系统能实现支管角焊缝表面缺陷信号的有效降噪和准确识别。

交流电磁场钢轨表面裂纹高速检测信号处理模块开发

交流电磁场检测(Alternating Current Field Measuremnt,ACFM)技术因受速度和提离效应影响小,在钢轨裂纹高速检测中具有良好的应用前景,但信号拾取速度会导致裂纹信号频率发生偏移,造成量化误差、漏检和误检。为提高ACFM技术在钢轨裂纹检测中的可靠性,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)研发了交流电磁场钢轨表面裂纹高速检测信号处理模块,采用理论推导方法分析了检测速度对裂纹信号频率偏移的影响,构建了检测速度与裂纹信号有效频率范围之间的关系。采用FPGA开发了具有截止频率自动跟踪检测速度的数字正交锁相放大器,同时,开发了完整的钢轨表面裂纹检测装置和实验系统,最终,通过实验验证了模块的检测能力和稳定性。

基于外穿式交流电磁场检测的钻杆轴向裂纹在役检测技术研究

钻杆是钻井过程中易受破坏的关键部件,在其服役过程中进行检测,对于减少钻具失效事故具有重要意义。针对钻杆在役检测的特点,提出一种新型外穿式交流电磁场检测方法,建立针对钻杆外表面轴向裂纹的外穿式交流电磁场检测有限元仿真模型,分析钻杆表面感应电磁场分布以及裂纹引起的电磁场畸变信号与裂纹尺寸关系,在此基础上提取裂纹识别特征信号,基于仿真模型分析激励线圈提离高度影响,设计开发井口钻杆外表面轴向裂纹在役检测系统,并进行试验测试,仿真和试验结果表明:外穿式交流电磁场检测探头所提取的钻杆轴向裂纹特征信号Bx和Bz分别反映裂纹深度和长度,具有定量识别能力;激励线圈提离高度可满足在役检测需要;外穿式交流电磁场检测系统利用周向阵列检测线圈可有效检测钻杆表面轴向裂纹。

基于交流电磁场的水下结构物裂纹尺寸及剖面高精度评估方法

传统交流电磁场检测(ACFM)技术依靠特征信号Bz峰值间距和Bx波谷评估裂纹尺寸,未考虑裂纹长度和深度对特征信号交互影响,造成裂纹尺寸及剖面评估精度不足。针对这些问题,建立海水环境ACFM三维仿真模型,深入分析裂纹长度和深度对特征信号的影响规律,在此基础上提出两步插值裂纹尺寸评估算法和分割插值裂纹剖面重构算法,搭建水下ACFM试验系统并开展不同尺寸裂纹检测试验。结果表明裂纹深度变化对特征信号Bz峰谷间距不产生影响,长度小于30 mm的裂纹长度对特征信号Bx波谷影响较大;基于特征信号Bx和Bz两步插值算法可实现裂纹长度和深度的高精度评估,长度和深度评估最大误差分别为3.0%和7.5%;基于特征信号Bx分割插值算法可实现裂纹剖面高精度可视化重构,重构最大误差为5.7%。

交流电磁阀三维温度特性仿真分析

电磁阀是一种常用的电磁电器,对其电磁机构的电磁场和温度场进行分析,对提高电磁阀各项性能指标很有帮助。提出了通过电磁热耦合的方式计算交流电磁阀稳定温度的思路,建立了交流电磁阀三维有限元模型,由电磁场仿真计算得到电磁机构各部件功率损耗,再由热场仿真模型计算电磁机构的温度场分布,通过实验验证了仿真模型的有效性。同时,分析了匝数、线径、磁轭厚度、包封层厚度、材料特性等参数对电磁阀温度分布的影响,为电磁阀优化设计提供了参考。

基于广义回归神经网络的交流电磁场检测裂纹量化研究

考虑到目前交流电磁场检测中裂纹量化精度和智能化水平的不足,将广义回归神经网络(GRNN)引入到交流电磁场检测技术中来,在有限元仿真试验基础上,选择了作为输入元素的交流电磁场信号特征向量,构建了一种适合于交流电磁场检测裂纹量化分析的GRNN模型,并利用归一化处理后的一些离散数据作为网络的训练和检测样本,使网络完成对整个裂纹交流电磁场范围内的主要信息的存储,从中发现输出和输入之间的内在关系,完成对未知点的预测。结果表明,与传统的线性插值方法以及BP网络相比,该方法建模简单,预测精度高,对原始数据的分布和边界条件无特别要求,推广性能强,人为调节参数少,收敛速度快,更为智能化,尤其在获得已知样本稀少的情况下仍能表现出极强的适应性,从而保证了模型的精度和推广性能,为交流电磁场检测裂纹量化提供了一种智能高效的方法。

基于双U形激励的交流电磁场检测缺陷可视化技术

为了满足交流电磁场检测(ACFM)技术缺陷可视化的需要,引入一种双U形正交激励阵列,在工件表面感应出旋转电磁场,有效地避免了缺陷方向对检测的影响,为缺陷可视化提供充足的信号数据;在此基础上,提出缺陷截面形状轮廓和表面形状轮廓的可视化方法,有限元仿真分析结果显示该方法对缺陷形状的反演平均相对误差不超过10%;利用实验室建立的ACFM正交U形激励阵列试验系统对该可视化方法进行了验证试验,结果表明该方法简便可行,缺陷形状反演精度高,能够有效地实现ACFM的缺陷可视化检测。

交流电磁场检测探头激励线圈的数值仿真及优化

应用ANSYS软件系统建立了交流电磁场检测(ACFM)探头激励线圈数值模型,研究了不同几何形状的ACFM探头激励线圈的感应磁场以及工件表面的感应电流分布,确定了激励电流与激励线圈结构的定性、定量关系。根据优化的激励线圈,在工件表面得到符合要求的均匀交变电流,从而为探头的研发提供了科学依据。通过对比分析可知,工件表面感应电流的均匀区域与激励线圈水平段的长度存在定量关系。

交流电磁场技术在储油罐角焊缝无损检测中的应用

对角焊缝检测提出了一种利用交流电磁场的无损检测新方法。首先简介了交流电磁场检测(ACFM)的基本原理,并基于ANSYS软件模拟出裂纹缺陷引起的磁场畸变信号。在确定交流电磁场检测系统的基础上,利用标准试板进行了测试分析,并将其成功应用于储油罐底板角焊缝的无损检测中,实现了裂纹缺陷的定性定量化评估。试验测试及应用结果均验证了该方法对表面或近表面裂纹缺陷检测的灵敏度高,为其他结构部位探伤也提供了借鉴。

基于Ansoft的交流电磁铁吸力特性研究

以吸入式交流电磁铁为研究对象,使用有限元分析软件Ansoft对交流电磁铁的电磁吸力特性进行仿真研究,深入分析分磁环对电磁吸力的影响、电磁铁平均吸力的变化趋势及影响因素以及电磁铁工作过程中各部分产生的涡流对电磁力的影响,并针对仿真计算结果与实验结果进行对比分析。

交流电磁场检测数值仿真及其信号敏感性分析

基于开发交流电磁场检测 (ACFM )可视化技术的需要 ,采用数值模拟方法对ACFM技术进行了探讨。以ANSYS软件系统为工具 ,建立了ACFM数值仿真模型。该模型解决了利用裂纹物理参数和几何厚度建模以及裂纹导致的奇异性处理两方面的问题 ,能够精确获得任意形状裂纹的电磁场分布。分析了材料性质与提离两种因素对磁场分布影响的敏感性。仿真结果表明 ,ACFM对磁导率、电导率和提离的变化均不甚敏感 ,与涡流检测技术相比 ,更适合于低碳钢的裂纹检测。此研究为开发ACFM装备的数字化样机提供了理论依据。

交流电磁场缺陷检测系统建模与仿真

结合交流电磁场检测(ACFM)原理和数值分析技术,针对海洋平台水下裂纹缺陷智能可视化检测样机开发的需要,引入有限元分析方法,建立了3种不同的ACFM有限元分析模型:激励仿真模型、计算模型和探头运动仿真模型。激励模型可以准确模拟检测中感应电磁场的分布规律,为探头设计和优化提供理论依据;计算模型能够完成稳定检测状态下缺陷上方磁通密度分布的分析和数值计算;探头运动仿真模型主要用于探头运动检测或大缺陷检测情况下磁场分布的分析和计算。以上3种专用的参数化仿真模型的建立,简化了ACFM数学模型中缺陷附近电磁场分布的仿真分析和求解,为老龄平台的缺陷检测和延寿技术研究提供了技术支持,具有较强的理论价值和实用价值。

交流电磁场检测中裂纹形状反演研究

针对交流电磁场检测(ACFM)智能可视化虚拟样机开发的需要,考虑到感应线圈测量精度和电磁场的分布特性,选取了裂纹反演的特征信号,确定了描述裂纹外形信息的样本特征向量,分析了裂纹尺寸反演的计算方法,采用数值模拟方法弥补了由于试验条件限制而无法对大量任意形状裂纹进行试验研究的不足,对多种不规则裂纹上方的磁场分布情况进行了仿真计算,分析了缺陷外形对于检测信号的影响,在此基础上提出了磁场信号与裂纹形状之间的相似性,研究了相似性内在机理并利用相似性建立了裂纹外形反演算法,经试验证明该算法是有效的。

表面缺陷交流电磁场检测信号的小波消噪处理

运用交流电磁场检测技术检测工件表面缺陷时,由检测线圈提取的反映缺陷信息的磁场扰动信号很小,通常只有微伏/毫伏级,与含有的噪声干扰属于同一数量级;小波分析能同时利用信号与噪声在时频域内的差别,实现有效地信噪分离;借助于数据采集卡及信号调理电路,完成了对交流电磁场信号的检测和预处理,以Labview为软件开发平台,结合使用Matlab软件,对交流电磁场检测信号进行小波消噪处理,检出有用信号,为后期的缺陷定量分析打下基础;应用结果表明小波分析具有良好的降噪效果。

交流电磁场裂纹检测反演算法研究

在交流电磁场裂纹检测的仿真研究和信号分析的基础上,给出了分析磁场信号分布的数学模型,确定了用于裂纹尺寸反演研究的信号特征量。通过对不同尺寸的任意形状裂纹电磁场分布情况的数值模拟计算,总结出描述磁场分布与裂纹尺寸形状之间关系的三条规律,进而提出了一种交流电磁场检测裂纹量化算法,并利用该算法对一组交流电磁场检测试验信号进行了裂纹尺寸反演。结果表明,该算法的量化误差不超过10%,能够满足工程需要,而且该算法简单易行,计算速度快,适合于工程结构在线检测中对裂纹的实时量化。