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发布时间:2020-06-03 17:57:16

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作者:孙燕华,康宜华,邱晨

出版社:华中科技大学出版社

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永磁扰动无损检测技术

永磁扰动无损检测技术试读:

前言

随着社会的发展及无损检测要求的不断提高,寻求新的无损检测方法以对现有常规方法进行补充,具有十分重要的意义。目前,主要的无损检测方法几乎都由国外研究者所提出,面对这一状况,我们更有必要探索具有创新意识和具有我国自主知识产权的无损检测新技术。

基于这一思路,笔者在现有电磁物理现象也即磁扰动的分析基础上,提出了永磁扰动检测新原理,发明了一种永磁扰动无损检测新方法,并最终将该方法成功应用于生产实践。该方法能够很好地与现有检测方法如漏磁和涡流法形成互补,在节约成本的同时,使探伤范围进一步扩展、延伸,最终增强了无损探伤行业在社会安全、高效生产中的适应服务功能。同时,将所提出的永磁扰动无损检测方法与现有常用的漏磁和涡流检测方法进行了系统的对比并加以阐述,这有助于电磁无损检测理论系统的建立。

本书是笔者几年来在电磁无损检测新技术方面不断研究和实践工作的总结,书中部分内容来源于笔者指导的部分华中科技大学的硕士研究生的学位论文;在技术的工程应用上,得到了武汉华科机电工程技术有限公司的大力支持。在此一并表示由衷的感谢。

由于笔者的实践经验和理论水平有限,疏漏之处在所难免,敬请读者批评指正。孙燕华 康宜华 邱晨于华中科技大学2012年3月1 磁场及其磁扰动1.1 磁场及其主要特性1.1.1 磁场

磁现象起源于人们对于“磁石吸铁”的认识。磁场是指存在磁力作用的空间,它是由电流(或运动电荷)产生的,为物质存在的基本形式之一。一切磁现象和磁相互作用,实际上是电流显示出的磁效应和电流之间的相互作用。永磁体产生磁场,也是因为永磁体内部存在着分子电流。恒定电流在空间产生不随时间变化的磁场称为恒定磁场,交变电流在空间产生随时间变化的磁场称为交变磁场。世界上第一个磁场图(见图1-1)是法国科学家笛卡儿(R.Descartes)于1644年绘制出来的。图1-1 世界上第一个磁场描绘图

磁场的主要描述物理量有磁感应强度B、磁场强度H等。磁感应强度也称为磁通量密度或磁通密度,用以描述磁场的强弱和方向,它对任意闭合曲面的磁通量恒等于零。这表明“磁场是无源场”这样一个重要性质。磁场强度是在任何磁介质中某点的磁感应强度与同一点上的磁导率μ的比值,即H=B/μ,它是单纯由电流或运动电荷所引起的。磁场的分布可用磁感应线即磁力线来描述,磁力线密或疏的程度表示磁场的强或弱,它的方向规定为在磁体外部由N极到S极而在磁体内部由S极到N极,这样,磁力线构成一个闭合曲线。磁力线的方向即为磁场方向,磁力线上某点的切线方向就是磁场在该点的磁场强度方向。

在磁场作用下能发生变化并能影响原磁场的媒质称为磁介质。放在磁场中的磁介质会与磁场相互作用,相互影响,使磁介质处于一种特殊的磁化状态中。这个过程称为磁介质的磁化。磁化后的磁介质也会产生一个附加磁场,并对原磁场产生影响。1.1.2 磁场的主要特性

电磁相互作用是自然界四种基本相互作用之一。电磁场理论由麦克斯韦方程组描述,麦克斯韦方程组由安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通定律组成,如方程(1-1)、(1-2)、(1-3)、(1-4)所示。它们分别表示:变化的电场和传导电流是磁场的“涡旋源”;变化的电场产生磁场;电场是有“通量源”的场,其源为电荷;磁场无“通量源”,即磁场不可能由磁荷产生。

式中 H——磁场强度;

J——传导电流密度;

E——电场强度;

D——电感应强度;

B——磁感应强度;

ρ——自由电荷体密度;——位移电流密度。1.磁场的边界连续条件

在两种介质(介质1和介质2)的分界面处,磁场应满足下列连续性条件:①介质分界面两侧B的法向分量连续;②介质分界面两侧H的切向分量连续。也即

式中 e——垂直于分界面的单位矢量,由介质1指向介质2。n

若介质分界面两侧介质1和介质2的相对磁导率分别为μ和μ,则12由B=μμH(μ为真空磁导率)可知,分界面两侧B的切向分量和H的00法向分量有如下关系:

式中 B、B——介质1、介质2内磁感应强度的切向分量;1τ2τ

H、H——介质1、介质2内磁场强度的法向分量。1n2n2.电磁场的能量转换与传递

根据磁场的近距作用的观点,磁能是定域于磁场之中的,它只与磁场和磁场分布的空间有关。磁场能量只能反映空间体积V内的总能量,不能反映磁场的能量分布情况,故必须引入描写磁场分布的物理量——能量密度w。由能量密度可以计算任意一个磁场的能量W,mm即

最小能量原理指出:当一个体系达到稳定的平衡态时,总是处于最低的能量状态。磁能主要以磁场的形式存在,并且在静稳态的磁场中处于一种低能态。当磁相互作用状态变化时,磁能会发生一个从高能态到最低能态的突变。静态的磁相互作用场已经处于稳定状态,当这个平衡的体系被打破时,磁能会因尽可能地趋于低势稳态而发生变化,直至它再次处于最低能态,此时磁相互作用场也再次恢复静稳态。

由式(1-8)可知,磁场能量的变化会引起B和H的变化,而这又是通过空间磁场的改变表现出来的。磁相互作用场在静态→中间变化→静态的过程中发生了场的重构,且这一重构过程的时间很短。相对于原本静态的磁相互作用场来说,其瞬间的重构变化就称为磁扰动。3.电磁场作用的磁力线表象

磁场以磁力线为特征表象,而磁力线用以描述反映磁场的固有物理特性的抽象物质。磁场的固有物理特性表现在磁力线上,其具体特性主要有:①磁力线为连续的,并且形成闭合回路;②磁力线不交叉且具有排斥性;③磁力线总是趋于最短。在上述固有物理特性作用下,磁场之间易形成相互磁作用。最终导致磁场间的相互作用有:磁聚集和磁扩散。

当然,这些磁作用也包括在同一种介质内和不同介质内的磁聚集和磁扩散。磁聚集与磁扩散现象如图1-2(a)及图1-2(b)所示。另外,从磁场的相互作用中也存在磁力线在另一种磁场的作用下发生改变的现象,也即磁力线会被压缩变形,如图1-2(c)所示。图1-2 恒定磁场作用的磁力线表象1.2 磁扰动效应1.2.1 磁泄漏效应

1922年,美国工程师霍克(W.F.Hoke)在加工装在磁性夹头上的钢件时,观察到铁粉被吸附在金属裂缝上的现象,这就是最早观测到的磁泄漏效应(见图1-3)。图1-3 缺陷的磁泄漏效应

铁磁材料(铁磁体)具有高磁导率,它被磁化后在体内可聚集高密度的磁感应场。当铁磁体上与空气相接触的界面处产生不连续性即出现缺陷时,由于磁的边界条件首先引发磁折射,铁磁体内磁感应场会由磁折射作用而被折射偏转到缺陷附近空气中去,并很快形成磁扩散;但由于缺陷附近空气区域中较强背景磁场的存在,扩散场磁力线在该背景磁场的阻碍作用下发生反向挤压变形,导致发生磁扩散的同时又发生反向磁压缩,最终形成缺陷漏磁场。

铁磁材料内磁通经过上述磁折射、扩散及反向磁压缩过程后,形成最终缺陷漏磁场。进一步地说,缺陷漏磁场(磁感应强度为B)mfl的形成机制可用数学式描述为B=B+B-B (1-9)mflrdc

式中 B——缺陷处磁折射产生的磁感应强度;r

B——缺陷处磁扩散产生的磁感应强度;d

B——缺陷处磁压缩产生的磁感应强度。c

从式(1-9)可知,磁扩散是紧随磁折射作用的,它们对缺陷磁泄漏起促进作用;而后的磁压缩作用是在磁扩散作用的反作用原理基础上所导致的,它对缺陷磁泄漏起着阻碍作用,使得缺陷的磁泄漏效应打折扣。1.2.2 涡流效应

如图1-4(a)所示,当导电体靠近变化着的磁场或作切割磁力线运动时,由电磁感应定律可知,导电体内必然会感应出呈涡状流动的电流,即所谓涡电流。进一步地说,将通有交变电流的螺线管产生交变的磁场靠近导电体时,会在导电体表面或近表面产生涡电流,如图1-4(b)所示。图1-4 电磁涡流效应

电磁涡流效应的利用装置有涡流加热装置及涡流传感器等,其避免涡流发热的装置有变压器铁芯等。1824年,法国的弗朗索瓦·阿拉戈(F.Arago)第一个观察到涡电流并称之为旋转磁现象,同时提出了大多数导体可能已经被磁化的说法;1855年,法国物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)通过铜片在磁场旋转实验证实涡电流的存在,并记录了涡电流产热的现象。1879年,涡电流第一次被用到无损检测中。1.2.3 磁扰动效应

磁扰动是常见的电磁场物理现象,如浪涌电磁扰动、地震电磁扰动及磁暴电磁扰动等。磁场的固有物理特性主要有:磁能尽可能趋于低势稳态;磁力线彼此不交叉,具有排斥性和封闭性,且路径最短,在磁极处最密。当磁相互作用的局部发生变化时,磁能由于要趋于低势稳态,会引起局部磁场强度或磁感应强度的突变。在上述磁场的固有物理特性的约束下,该局部磁场的突变引起电磁密度起伏,产生磁收缩与膨胀及磁力线重构,并遵循介质分界面处磁感应强度的法向分量连续和磁场强度的切向分量连续的规则进一步扩散,最终引起大范围的变化——磁扰动。

磁扰动普遍存在于各种电磁作用场中,它的形成与扩散,如扭曲不稳定性、漂移不稳定性、互换不稳定性及耗散不稳定性等宏观变化,也是短时间内电磁场中诸多不稳定性的一种结果。磁相互作用场中,从初稳态到出现扰动再到次稳态,经历了扰动源的扩散与衰变,最终以扰动的衰减而结束,这一过程的出现与衰减存在着电磁能、机械能及热能的转换。磁扰动的确是客观存在的一种物理现象,它表现为静态磁相互作用场中磁能或磁场强度的变化过程。

假设原有稳态磁场为B,ξ为磁扰动源,引入扰动量ξB,则磁扰0动方程可描述为B=B+ξB (1-10)0

通过拉格朗日变换,可获得由ξB所引起的磁扰动ξB,且LδB=▽×(ξ×B) (1-11)L

通过欧拉变换,可获得由ξB所引起的磁扰动δB,且EδB=ξ·▽B+δB (1-12)EL

由式(1-11)及式(1-12)可以得到由磁扰动源ξB所引起的磁扰动δB。对磁扰动的扩散进一步描述,建立极坐标系,定义扰动量

磁场扰动方程细化为

可以获得

因为

式(1-15)可简化为rA(r,z)=const. (1-16)

式(1-16)描述了由磁扰动所引起的场变化及其扩散。磁扰动引起磁场的重构及磁力线的重连接,形成所谓“磁岛”。例如,图1-5左边的两个小孔状扰动可转换为右边的单个“磁岛”。图1-5 磁场扰动及其转换2 永磁扰动无损检测方法2.1 永磁扰动无损检测原理

将永磁体靠近铁磁构件,就会产生磁相互作用,形成磁扰动环境。以铁磁构件上的不连续突变作为扰动源,就会形成磁扰动并被观察到。如图2-1所示,永磁体在带缺陷的铁磁构件上匀速移动,保持相对姿态不变,关注几个关键位置变化点:经过铁磁构件无缺陷处(见图2-1(a)),经过铁磁构件上缺陷处(见图2-1(b)、(c)、(d))。这样,当永磁体在铁磁构件上匀速移动时,就会出现局部扰动源从无到有的突变过程。图2-1 永磁体经过带缺陷的铁磁构件上方的磁力线分布

由图2-1可知:铁磁构件上出现不连续的磁扰动源时,在缺陷的上方,特别是永磁体内并没有发现明显的异常,这可能是因为永磁体内强大的磁感应强度掩盖了所产生的磁扰动;磁力线只能粗略地反应磁场的趋势,即使在磁力线细化到最密集时也如此。在这里,改变观察方式,通过磁云图并将其作特别细化和色泽过滤处理,获得如图2-2所示的磁感应线分布。图2-2 永磁体经过带缺陷的铁磁构件上方的细化磁力线分布

很显然,图2-2(b)、(c)、(d)中,铁磁构件上出现不连续突变时,永磁体内存在着较大的磁扰动变化。靠近缺陷的永磁体磁极端发生磁扰动变化,引起了整个永磁体内磁质的变化,与之相对的磁极端也随之发生相应的磁质翻转变化,最终引起整个N—S磁极之间,乃至贯穿整个永磁体的磁质变化,即永磁体内的磁扰动变化,如图2-3所示。图2-3 永磁体内的磁扰动变化

因此,直接利用缺陷的空间永磁扰动所引起的永磁体内扰动反馈作为一种探测量,可获得一种缺陷直接反馈的检测方法——永磁扰动无损检测方法,其原理如图2-4所示。图2-4 永磁扰动无损检测原理2.2 永磁扰动无损检测方法

利用永磁扰动检测原理,可获得一种基于永磁体磁扰动的无损检测方法:将永磁体靠近待检测铁磁构件,从而建立起磁相互作用场,当该构件上发生不连续突变时,所构建的磁相互作用场会有磁扰动产生并反馈到永磁体;采用一定方法捕获到永磁体的磁扰动变化,便可获得铁磁构件上与之对应的不连续信息。在获取永磁体磁扰动信息的过程中,由磁扰动所引起的自身体积、磁阻或电阻等的变化微弱,不易被测量,所以直接从永磁体自身参数上获得变化信息较为困难。但是,永磁体内磁场的变化较明显,易于被检测到,所以,可采用漆包线(一般为漆包铜线,下同)环绕在永磁体上,以检测永磁体因磁扰动而引起的体内磁场的变化,从而间接地实现永磁体磁扰动的测量。这样,通过捕获由缺陷产生的永磁体上的磁扰动,便可获得缺陷存在与否的检测评判依据,最终完成缺陷的无损检测。

如图2-5所示,一检测信号由环绕在永磁体上的穿过式线圈得到,由线圈和永磁体构成的永磁扰动探头匀速扫查待检测铁磁构件表面,遇有构件表面的不连续就会在线圈上产生电压突变,该电压突变随后经过放大、滤波及A/D转换进入计算机数据处理系统。图2-5 永磁扰动无损检测过程

永磁扰动无损检测方法的磁扰动机理(见图2-6)可描述为:永磁体在待检测铁磁构件表面上方作等距离相对移动。当无缺陷出现时,无磁扰动出现;当开始靠近缺陷时,磁扰动开始产生,并随着缺陷范围的增大而增大;当永磁体处于缺陷正上方时,磁扰动最大;随着永磁体扫查逐渐远离缺陷,磁扰动逐渐减小,直至消失,然后回到初始的无缺陷状态。特别值得注意的是,当永磁体处于缺陷正上方时,所产生的磁扰动最大。图2-6 永磁扰动无损检测方法的磁扰动机理2.3 永磁扰动无损检测方法的特性2.3.1 可行性测试

为了验证永磁扰动的存在及该检测方法的可行性,制作了如图2-7(a)所示的测试样板。在样板上通过电火花工艺加工了尺寸均为0.3mm(宽)×0.3mm(深)×10mm(长)但走向不同的五个模拟裂纹,分别标记为b、c、d、e、f,同时加工了一个φ0.8mm×2mm深的盲孔,标记为a。采用永磁扰动探头沿箭线所指的S向扫查,获得如图2-7(b)所示的对应的检测信号波形。图2-7 测试样板及检测信号波形

从检测信号波形可以看出,该探头对铁磁构件上的各种微小缺陷有着很好的检测效果。与扫查方向平行的裂纹f通常最难检测到,但永磁扰动探头也可以检测出,这表明永磁扰动无损检测方法的检测敏感性与缺陷的走向无关。

这种方法之所以对全方位走向的缺陷都能够检测出,主要是因为:它磁相互作用场突变时会产生磁扰动,探头检测的是整个磁相互作用场的扰动变化,待检测构件只要存在不连续突变就会产生磁扰动,而与不连续突变的走向无关。除此之外,从裂纹f的信号波形可以看到,当裂纹走向与扫查方向平行时,检测信号波形会从中间断开而形成一个“凹谷”。这可以作为一个区分纵向缺陷与横向缺陷的信号特征。2.3.2 探头提离高度及缺陷尺寸的影响

为了进一步获得永磁扰动检测方法对不同裂纹的检测特性,特别是检测信号与裂纹的长度l、宽度w、深度d及走向角θ等的关系,另外制作了多个测试样板,其中刻有l、w、d及θ不同的模拟裂纹,如图2-8所示。检测时,沿图中箭线所指的S向扫查。图2-8 不同裂纹参数的测试样板

探头提离高度和裂纹参数对检测信号峰值的影响如图2-9所示。可以看出,检测信号峰值与裂纹的深度、宽度及长度均呈非线性增长变化。其主要原因是,一定磁能积的永磁体所构成的磁相互作用空间有限,超出这一空间,所引起的磁扰动量减小。另外,检测信号对探头提离高度变化敏感,易于产生抖动噪声,因此,有必要在两个探头间进行差动处理。图2-9 探头提离高度和裂纹参数对检测信号峰值的影响1.探头提离高度的影响

从图2-9(a)可以看出,检测信号峰值随探头提离高度的增大而迅速减小。对此现象分析如下:永磁体端部的磁力线最为密集,当其贴近铁磁构件时,有较多磁力线作用到构件,构件上局部磁感应强度较大,故缺陷引起的磁场变化相对较强;随着探头提离高度的增大,扩散到达构件的磁力线范围变大,而构件上局部磁感应强度减小,缺陷对磁场变化的影响相对较弱。由此可见,为了提高检测灵敏度,在检测中应尽量减小探头的提离高度;在设计探头支架和运行姿态时,还应考虑让提离高度的变动尽量减小,避免提离效应产生检测误差。2.裂纹深度的影响

从图2-9(b)可以看出,随着裂纹深度的增大,信号峰值逐渐增大,但从整体上来说,增大的趋势比较缓慢,这与磁场的扩散深度有关。当永磁体与铁磁构件之间形成磁相互作用场后,该磁场只能扩散到构件表面下很浅的范围。裂纹深度增大,相应位置的磁感应强度越来越小,磁场的变化也就越来越小,所以检测信号不会明显增大。3.裂纹宽度的影响

从图2-9(c)可以看出,裂纹越宽,检测信号峰值越大。这说明裂纹处表面损失越大,磁相互作用场的扰动变化就越大。4.裂纹长度的影响

从图2-9(d)可以看出,检测信号峰值随裂纹长度的增大而增大。永磁体在铁磁构件上形成的磁相互作用场的范围内,缺陷的大小引起磁场的扰动变化大小不同。裂纹较短时,裂纹处表面损失较小,磁场的变化就相对较小,故检测信号峰值较小;裂纹较长时,裂纹处表面损失较大,磁场的变化就相对较大,故检测信号峰值较大。

值得注意的是:裂纹长度从3mm增加到6mm的过程中,检测信号峰值急剧增大;裂纹长度从6mm增加到24mm的过程中,信号峰值的增幅明显减小。这是因为:所用探头的永磁体直径为6mm,在其直径范围内的磁相互作用场最强;在这个范围之外,由于磁力线的扩散,磁场就越来越弱。因此,该探头对永磁体直径范围内缺陷的变化最敏感,而对永磁体直径范围以外缺陷的变化就相对迟钝一些。

使用探头沿与裂纹走向平行的方向对长度为3mm、6mm、12mm、24mm的四条裂纹进行扫查(平行扫查),得到检测信号波形如图2-10所示。图2-10 裂纹长度对检测信号幅值的影响

从图2-10可以看出,在相同的扫查速度下,裂纹长度越大,信号波形就越宽。特别值得注意的是,长度为12mm和24mm裂纹的信号幅值中间有一个“凹谷”,形成类似驼峰的波形。对此现象分析如下;磁扰动是在磁场发生重构时才产生的,因此当裂纹进入探头扫查范围时,由于裂纹处表面的损失,磁作用场的平稳状态被破坏而产生一个磁扰动信号;当裂纹脱离探头扫查范围时,磁作用场的平稳状态再次被破坏而又产生一个磁扰动信号。故随着裂纹长度增大,这两个磁扰动信号产生的时间间隔增大,信号波形也随之变宽。一旦裂纹长度超过探头永磁体的直径,当探头扫查至裂纹中间部分时,由于磁作用场的状态一直保持稳定,就没有磁扰动信号产生,这导致信号幅值迅速减小,形成一个“凹谷”,而且裂纹越长,“凹谷”就越宽。2.3.3 探头检测姿态的影响

探头检测姿态的变化指探头与待检测构件相对位置的变化,包括:①垂直距离的变化(即提离高度的变化);②相对角度的变化。特别地,对探头的提离高度及偏转角度对磁力线的影响进行了有限元数值模拟,获得的磁云图如图2-11所示。其中,图(b)相对于图(a)的磁力线密度增大,是因为前者提离高度增大,而图(c)的磁力线发生异变,则是因为偏转角度发生了改变。探头检测姿态对检测信号有着一定的影响,这也是主动式检测方式的特点之一。图2-11 检测探头姿态对磁力线的影响2.3.4 缺陷深度的影响

永磁扰动检测的另一个特点是它对表面缺陷的检测比较灵敏,而对内部缺陷的检测敏感性则不强。对缺陷深度对磁力线的影响进行了有限元数值模拟,获得的磁云图如图2-12所示。结果表明,当缺陷埋藏深度达到4mm以上的时候,永磁扰动量会减小很多。在这种情况下,可增大空间扰动环境磁场来增大检测穿透深度。图2-12 缺陷深度对磁力线的影响3 永磁扰动检测与漏磁和涡流检测的比较3.1 永磁扰动检测与漏磁检测的比较3.1.1 漏磁检测的发展过程

漏磁检测起源于磁粉检测。美国工程师霍克(W.F.Hoke)在加工装在磁性夹头上的钢件时,观察到铁粉被吸附在金属裂缝上的现象,由此开始了磁性探测缺陷的探索。1923年,美国的斯佩里(E.A.Sperry)博士首次提出一种用用U型磁铁作为磁轭式磁化器对待检测铁磁材料进行磁化后,再用感应线圈捕获裂纹处的漏磁场,最后通过电路耦合形成缺陷存在的异变开关输出量而完成检测的方法,并于1932年获得专利。这就是最早的漏磁检测技术。1947年,美国标准石油开发公司的贝伊(J.F.Bayhi)等人发明了用于在役套铣管的或埋藏在管内进行缺陷检测的漏磁检测“管道猪”,其中的U型磁铁被用来对管进行局部周向磁化,与感应线圈一起作螺旋推进扫查检测。这是最早的周向磁化漏磁检测技术。1949年,美国图博维高(Tuboscope)公司的劳埃德(D.Lloyd)提出了钢管轴向磁化漏磁检测技术,将穿过式线圈磁化器和感应线圈固定连接为一体,沿着钢管轴向移动扫查来检测横向缺陷;在1952—1959年期间,该公司的普莱斯(B.G.Price)、伍德(F.M.Wood)、劳埃德等人采用通电棒穿过钢管中心对钢管施加磁化的方式来完成漏磁检测,检测探头同时作旋转扫查运动。1960年,美国机械及铸造公司的蒂姆(H.A.Deem)等人直接采用了N—S磁极对构成的周向磁化器呈180°对称状布置于钢管外壁,来实现油管纵向裂纹的周向磁化漏磁检测,检测主机作旋转扫查运动;在1967—1969年期间,该公司的汤普金斯(D.R.Tompkins)提出了钢管螺旋推进的漏磁检测方法,克劳奇(A.E.Crouch)发明了同时有周向磁化检测纵向缺陷和轴向磁化检测横向缺陷功能的“管道猪”。此时,图博维高公司的伍德等人也开始明确了钢管上纵向和横向缺陷一并检测时,分别所需的周向和轴向磁化的检测关系,最终发明了同时具有周向和轴向磁化的固定式漏磁检测设备,对钢管进行螺旋推进扫查。

至此,漏磁检测技术在应用层面上已覆盖了钢管缺陷检测的全部范围,并且一直沿用到现在。其总的实施方法为:钢管上横向和纵向缺陷的全面检测分别用轴向磁化和周向磁化进行磁激励,然后采用钢管与检测探头之间的相对螺旋扫查方式加以完成。相对螺旋扫查方式有两种:①探头旋转+钢管直进;②探头固定静止+钢管螺旋推进。自此以后,漏磁检测方法的所有研究都是在上述所提出的方法框架之内进行的。在实际钢管检测中,针对不同钢管的检测需要,可选用其中所需的横向缺陷检测技术或纵向缺陷检测技术,或二者同时选用。3.1.2 漏磁检测原理

漏磁检测原理如图3-1所示。当物体处于传导电流产生的外磁场中之后,物体内的分子磁矩在外磁场力矩作用下将会出现一定程度的转向规则排列,使物体对外显示出一定的磁性,同时,物体上出现宏观的磁化电流。磁化物体出现的磁化电流同传导电流一样,也会产生磁场(磁感应强度为B),这个磁场同原传导电流磁场(磁感应强度u为B)叠加而构成有物体存在时的空间磁场(磁感应强度为B),即0B=B-B,B将不同于原传导电流磁场的B。这就是说,磁化后的物0u0体将影响和改变磁场,使其磁感应强度由B变成B。磁化电流在产生0磁场和受外磁场作用力方面与传导电流是完全相同的,只是磁化电流不能从磁化物体传递到其他物体上(所以磁化电流又称束缚电流)。图3-1 漏磁检测原理

实际上,在漏磁检测中,磁敏元件在空间某位置处测量的磁感应强度为B=B+B-B (3-1)ms0mflu

式中 B——原传导电流磁场的磁感应强度;0

B——缺陷漏磁场的磁感应强度;mfl

B——被磁化物体内磁化电流产生的反向磁场的磁感应强度。u

对于式(1-9),可将缺陷漏磁场的产生过程具体描述为:由于铁磁材料(磁介质)具有高磁导率,被磁化物体内可聚集高密度的磁感应场,如图3-2(a)所示;在其与空气相接触的交界面处产生不连续性即出现缺陷时,由于磁的边界条件首先引发磁折射,磁介质体内磁感应场由磁折射作用折射偏转到缺陷附近的空气中去,并形成磁扩散,如图3-2(b);但由于存在较强的背景磁场,磁场间的相互作用使得磁力线在另一种磁场作用下会发生挤压变化,导致发生磁扩散的同时又产生反向磁压缩,如图3-2(c)所示。图3-2 缺陷磁泄漏过程

因此,结合式(3-1)和式(1-9),可进一步将漏磁检测中用磁敏元件测量物理量的机制用如下数学式描述:B=B+B+B+B-B (3-2)ms0rdcu

式中 B——缺陷处磁折射产生的磁感应强度;r

B——缺陷处磁扩散产生的磁感应强度;d

B——缺陷处磁压缩产生的磁感应强度。c

B、B的意义与式(3-1)中的相同。msu

在基于磁介质的高磁导率特性的漏磁检测原理基础上所建立起来的漏磁检测方法的具体过程为:采用磁化装置对待检测磁介质(铁磁材料)进行磁化,在铁磁材料上缺陷处激励出漏磁场,然后采用磁敏元件拾取该漏磁场的信息,并以此作为缺陷存在与否的依据。

在此基础上设计制造的漏磁检测设备在结构上主要是以磁激励方式的不同而划分的,最为典型的两种为磁轭式磁化结构和穿过式线圈磁化结构。例如,油井钻杆和钢管自动检测装置就是分别由磁轭式漏磁检测探头和穿过式线圈漏磁检测探头构成的。

上述两种典型的漏磁检测探头的结构形式的主要不同是磁化方式:前者是采用磁激励源(磁铁或线圈)和磁轭构成磁回路,将磁化场导入待检测体内,使待检测体成为该磁回路的一部分,如图3-3(a)所示;后者则是采用穿过式磁化线圈,将其套在待检测体上,使其成为铁芯而形成磁化,如图3-3(b)所示。图3-3 两种经典漏磁检测应用探头的磁化结构

磁轭式结构的漏磁检测探头多采用高磁能极的永磁体作为磁激励源,具有结构紧凑、体积小且可形成开合环包式的特点,所形成的便携式漏磁检测仪在钻杆检测、钢丝绳检测及储油罐底板检测场合应用较多。

由穿过式线圈磁化结构所形成的漏磁检测装置多为固定式的,具有磁化透彻、穿透能力强、工作效率高且稳定性好的优点,被广泛应用于各种细长铁磁材料的快速高效自动化检测,特别是钢管高速漏磁检测(主要是针对钢管上的横向缺陷)。

随着漏磁检测技术的应用和发展,为了适应钢管上纵向缺陷的快速检测,磁轭式结构也略有变化,形成应用较为普遍的周向磁轭式结构(见图3-3(c))。这种结构检测装置就是用来探查钢管纵向缺陷的。

周向磁化结构检测装置主要由相对称的穿过式磁化线圈、中间的铁芯及四周的磁轭所构成。带有铁芯的穿过式磁化线圈产生N—S磁极,周向穿过该区域的管壁,再由四周的磁轭形成磁回路,构成一种磁化可调控的磁轭式结构,最终形成钢管纵向缺陷的周向磁化检测单元。3.1.3 漏磁检测机制探讨图3-4 介质分界面处的磁扩散

磁场具有扩散与聚集特性。如图3-4所示,在介质分界面处,磁扩散与磁聚集传递遵循连续条件是:①切向磁场强度相等;②法向磁感应强度相等。即

式中 e——垂直于介质分界面的法向单位矢量,由介质1指向n介质2;

B、B——介质1(磁导率为μ)和介质2(磁导率为μ)内的磁1212感应强度;

H、H——介质1和介质2内的磁场强度。12

B(H)在介质1内与中法线n的夹角为α,B(H)在介质2内11122与中法线n的夹角为α。2

由式(3-3)可得

式中 B、B——介质1和介质2内磁感应1τ2τ

强度的切向分量值;

B、B——介质1和介质2内磁感应1n2n

强度的法向分量值;

H、H——介质1和介质2内磁场强度的切向分量值;1τ2τ

H、H——介质1和介质2内磁场强度的法向分量值。1n2n

因此有

式(3-4)构成磁折射扩散规则。磁的折射偏转方向与入射角以及介质的磁导率有关。磁场方向与介质分界面几何形状构成入射角α。1由于α=0°或α=90°的磁入射角只有在理想的介质分界面几何形状条11件下才能发生,所以结合实际的磁入射角范围为0<α<90°。对式1(3-4)作如下讨论:(1)当μ=μ时,有α=α,磁力线直接穿越界面不发生折射,如2121图3-5(a)所示。在同一磁场下,由B=μH可知B=B,此时两者磁压21相等,磁压差为零的情况下互不发生磁泄漏。(2)当μ≤μ时,有α≤α,介质2内磁力线发生折射,且折向法2121线n,形成磁通量由介质1向介质2的磁泄漏扩散,如图3-5(b)所示。

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