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（東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶163318）

由于儲罐大角焊縫的特殊位置，使其在工作狀態(tài)時承受巨大的壓應力和拉應力的作用。長期處于載荷下將導致疲勞性裂紋的產(chǎn)生。為了保障生產(chǎn)安全，對底板與罐壁板處連接的角焊縫檢測就非常重要。目前針對大角焊縫的檢測方法有：滲透檢測、磁粉檢測、超聲波檢測等［1]。當今漏磁檢測憑借檢測靈敏度高、效率高、便于操作、可缺陷量化等特點，在儲罐底板和管道的檢測中已日趨成熟，但在大角焊縫的檢測中應用較少。筆者提出儲罐大角焊縫的漏磁檢測方法，建立有限元模型并進行三維有限元仿真模擬。以常見的裂紋缺陷為試驗對象，得出裂紋缺陷漏磁場的分布特征并對其進行分析，歸納其規(guī)律，對以后將漏磁檢測技術應用于儲罐大角焊縫提供理論依據(jù)。

1 勵磁結構的三維有限元仿真模型

1.1 儲罐大角焊縫的漏磁檢測原理

漏磁檢測是建立在鐵磁性材料高磁導率特性基礎上進行檢測的。若表面光滑無裂紋、內(nèi)部無缺陷的鐵磁性材料被磁化后，磁力線理論上會完全從鐵磁性材料內(nèi)部通過并構成磁回路。但由于儲罐大角焊縫的存在，導致材質(zhì)不連續(xù)，磁力線會改變路徑。若在鐵磁性材料上存在缺陷，由于鐵磁材料與缺陷處材質(zhì)的導磁率不同，一部分磁通在鐵磁性材料內(nèi)部穿過，一部分經(jīng)過裂紋周圍的鐵磁性材料，另一部分則穿過裂紋附近的空氣［2]。

事實上無論在大角焊縫處是否有缺陷的存在，都會存在空氣耦合磁場，如圖1所示。當大角焊縫處沒有缺陷產(chǎn)生時，霍爾元件接收到的是空氣耦合場的漏磁通，當有缺陷產(chǎn)生時，接收到的是裂紋漏磁通和空氣耦合場漏磁通的疊加［3]。

圖1 儲罐大角焊縫漏磁檢測原理

1.2 儲罐大角焊縫有限元仿真

1.2.1 實體建模與材料屬性

根據(jù)儲罐大角焊縫位置的特殊性，為了節(jié)省運算時間，對模型進行一部分建模分析，采用實體建模的方法。根據(jù)儲罐大角焊縫漏磁檢測原理，建立的有限元模型包括帶大角焊縫的鋼板，磁鐵、極靴、銜鐵及空氣邊界五部分，如圖2所示。利用ANSYS軟件對漏磁場模擬進行數(shù)值求解。需定義材料屬性如下：

（1）兩塊鋼板材質(zhì)為Q235鋼，厚度為10 mm，角焊縫材料屬性與鋼板相同。

（2）磁鐵選擇N48稀土材料永久磁鐵，產(chǎn)生的磁力相當于為整個結構添加載荷，由于兩塊磁鐵位置不同，需設置相應的矯頑力大小和方向。

（3）極靴與銜鐵選用性價比較好的工業(yè)純鐵。

（4）空氣作為磁化環(huán)境的介質(zhì)，相對磁導率設置為1.0。

（5）由于磁鐵、極靴、銜鐵和鋼板選用非線性材料，所以都需設置相應的B－H曲線。

圖2 有限元仿真模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

為了獲得較高的計算精度，試驗采用精度較高的單元邊法進行計算。選用Solid117單元，其單元有20個節(jié)點，映射網(wǎng)格劃分能獲得形狀規(guī)整的六面體，獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

由于在整個結構中兩塊磁鐵的存在，相當于整體添加了載荷，ANSYS在處理過程中會添加到每個單元的節(jié)點上，就不需要進行其他載荷設定。在單元邊的磁場分析中只需控制磁力線平行于邊界條件，垂直邊界條件就自然滿足。

1.2.3 求解及后處理

在本次ANSYS運算的求解過程中，采用自帶的求解器進行求解。求解結束后，按照1 mm高度進行路徑提取如圖4所示，可以得到缺陷處的漏磁場磁感應強度的分布數(shù)值，如圖5所示。

圖4 路徑提取示意圖

圖5 缺陷漏磁場磁感應強度云圖分布

2 關于儲罐大角焊縫漏磁場的分析

2.1 壁板左側無余出水平鋼板

為得到儲罐大角焊縫漏磁場信號，首先建立壁板左側沒有余出水平鋼板和角焊縫的理想化有限元仿真模型。此模型中水平與豎直鋼板厚度均為10 mm，焊腳長為10 mm，經(jīng)求解計算后，為方便看到大角焊縫處磁感應強度的分布圖，如圖6（a）所示，沿焊縫和鋼板表面高度為1 mm處進行路徑提取。圖6（b）為裂紋處磁感應強度x方向和y方向分布曲線。

從圖7中可以看到，壁板左側沒有余出水平鋼板和角焊縫的理想大角焊縫漏磁場磁感應強度水平分量Bx在焊縫中心線處取得最小值，并且關于角焊縫中心線對稱。這是由于焊縫材質(zhì)是鐵磁性的，部分磁力線沿焊縫穿過，導致通過鋼板的磁通密度減少，這使原來漏磁場與空氣耦合場所形成的平衡被打破，空氣耦合場磁通密度占主導，使得漏磁場磁感應強度水平分量呈現(xiàn)向下的趨勢。還可以看出，大角焊縫處的漏磁場磁感應強度垂直分量By關于角焊縫中心線成軸對稱，且在角焊縫正中間處為零，這說明在焊縫邊沿處漏出鋼板和進入鋼板的磁通數(shù)目最多。

圖6 理想模型漏磁場

2.2 壁板左側有無余出水平鋼板對比分析

在圖6（a）的基礎上，建立如圖2的符合實際應用的有限元仿真模型。在水平鋼板向左加長100 mm，并建立角焊縫，加載相應的邊界條件，求解計算后得到大角焊縫漏磁場磁感應強度B分布圖。提取相應路徑上的磁感應強度分量，得到如圖7的大角焊縫漏磁場磁感應強度的對比曲線。

圖7 壁板左側有無余出水平鋼板模型的磁感應強度

從圖7（a）中可以看出，有左側水平鋼板的磁感應強度水平分量在上焊腳處減小，在下焊趾處增大。這是由于水平鋼板左側余出一定長度鋼板和角焊縫，使整體結構不對稱，導致在豎直鋼板中的磁力線數(shù)量增加。漏在空氣中的磁通密度減少。在右側水平鋼板中的磁力線由豎直鋼板和左側鋼板中的磁力線疊加而成，導致通過角焊縫下焊趾的磁通密度減少，空氣耦合場磁通密度增大，所以在下焊趾漏磁場水平分量增大。從圖7（b）中可以看出，由于多出的水平左側鋼板，得到在角焊縫的漏磁場豎直分量在整體上呈現(xiàn)增大的趨勢。

2.3 裂紋位于焊趾處

為檢測大角焊縫焊趾處裂紋缺陷漏磁場信號，需建立如圖2的三維有限元仿真模型。此模型中鋼板厚度為10 mm，焊腳長為10 mm，在焊腳處裂紋長度為2 mm，深度分別為鋼板板厚的20%，40%，60%，80%。經(jīng)求解計算后，為方便看到裂紋處漏磁場的分布圖，沿焊縫和鋼板表面高度為1 mm處進行路徑提取，圖8為裂紋處磁感應強度x方向和y方向分布曲線。

圖8 裂紋位于焊趾處的模型的磁感應強度

從圖8中可以看出，由于大角焊縫下焊趾處存在裂紋，在50 mm附近（焊趾處）產(chǎn)生明顯的漏磁信號。這是因為裂紋處的鋼板變薄，從而使穿過鋼板的磁力線數(shù)目變小，漏磁通密度隨之增大，高于空氣耦合場的漏磁通密度。隨著裂紋深度的增加，漏磁場水平分量和豎直分量的幅值也隨之增大。

2.4 裂紋位于熱影響區(qū)

由于焊縫的熱影響區(qū)是整個焊縫的薄弱環(huán)節(jié)，可能由于焊接工藝采取不當、長期處于載荷作用下或者腐蝕介質(zhì)中，導致裂紋的產(chǎn)生，所以對角焊縫熱影響區(qū)的檢測顯得尤為重要。圖9為在圖6（a）結構的基礎上，裂紋在距焊趾3 mm處熱影響區(qū)的磁感應強度x方向和y方向分布曲線。

圖9 裂紋位于熱影響區(qū)的磁感應強度

從圖9中可以看出，由于裂紋存在于角焊縫熱影響區(qū)，在53 mm附近（裂紋處）產(chǎn)生明顯的漏磁信號。隨著裂紋深度的增加，漏磁場水平分量和豎直分量的幅值也分別增大。從漏磁場的豎直分量曲線中可以看出兩個明顯的波谷和一個波峰的情況，這是由于在熱影響區(qū)處的裂紋與角焊縫距離較近，兩個波形的波峰相互疊加形成的結果。

2.5 三種不同情況下對比分析

將2.2，2.3，2.4節(jié)中裂紋深度均為40%的曲線進行匯總得到圖10分析如下：

（1）從圖10（a）中可以看出，在焊趾處和角焊縫熱影響區(qū)處裂紋的水平漏磁場強度峰值均大于角焊縫無缺陷時的漏磁場強度，且在焊縫熱影響區(qū)處的水平漏磁場強度峰值略大于裂紋位于焊趾處的漏磁場強度峰值。

（2）從圖10（b）中可以看出，在焊趾處裂紋的豎直漏磁場強度大于裂紋位于角焊縫熱影響區(qū)處及角焊縫無缺陷時的豎直漏磁場強度，且在焊縫熱影響區(qū)處的豎直漏磁場強度波高（相鄰波峰與波谷的垂直距離）略小于裂紋位于焊趾處的漏磁場強度波高。

圖10 裂紋深度為40%的漏磁場強度對比

3 結論

（1）利用有限元分析軟件，建立左側無余出鋼板、大角焊縫且無缺陷的儲罐大角焊縫理想化有限元仿真模型，得到其漏磁場分布情況為：水平分量Bx在角焊縫的中心線處取最小值，豎直分量By關于角焊縫中心線呈軸對稱關系。

（2）建立左側帶有余出鋼板、大角焊縫和無缺陷的儲罐大角焊縫有限元仿真模型，得到漏磁場分布情況為：在上焊趾的漏磁場水平分量減小，下焊趾處的漏磁場水平分量增大；大角焊縫的漏磁場豎直分量在整體上呈現(xiàn)增大的趨勢。

（3）得到隨著深度的不同，裂紋位于大角焊縫的焊趾和熱影響區(qū)的漏磁場分布規(guī)律：兩者漏磁場的水平分量和豎直分量的峰值均隨著深度的增加而增加。

（4）采用漏磁的方法對大角焊縫進行檢測，得到有無缺陷時大角焊縫的漏磁場分布的對比曲線，為以后對大角焊縫缺陷的檢測提供了理論依據(jù)。

［1]朱德漢.原油罐底板角焊縫應力分析及有效防護［J].石油化工設備技術，2000，21（1）：18－21.

［2]劉志平.大面積鋼板局部磁化的三維有限元分析［J].華中科技大學學報：自然科學版，2003，31（8）：10－12.

［3]戴光，崔巍，楊志軍，等.基于三維有限元的換熱管缺陷漏磁場數(shù)值模擬［J].壓力容器，2009，26（11）：21－26.