漏磁检测技术及发展现状研究
发布时间：2017-09-01
1前言
漏磁检测方法通常与涡流、微波、金属磁记忆一起被列为电磁(EM Electromagnetic)无损检测方法。该方法主要应用于诸如输油气管、储油罐底板、钢丝绳、钢板、钢管、钢棒、链条、钢结构件、焊缝、埋地管道等铁磁性材料表面和近表面的腐蚀、裂纹、气孔、凹坑、夹杂等缺陷的检测,也可用于铁磁性材料的测厚。漏磁无损检测技术在钢铁、石油、石化等领域应用较广泛。我国各工业领域对漏磁检测技术尚处于了解、认识、引用的初级阶段,在工业上实用探伤设备的开发制造还刚刚起步,而随着质量控制技术的发展与进步我国对于漏磁探伤设备的市场需求将越来越大。因此,缩小同国外先进的无损检测设备制造水平的差距是当前我国无损检测业界同仁的重要且紧迫的任务。
2漏磁检测的原理及其特点
当用磁化器磁化被测铁磁材料时,若材料的材质是连续、均匀的,则材料中的磁感应线将被约束在材料中,磁通是平行于材料表面的,几乎没有磁感应线从表面穿出,被检表面没有磁场。但当材料中存在着切割磁力线的缺陷时,材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化,由于缺陷的磁导率很小,磁阻很大,使磁路中的磁通发生畸变,磁感应线会改变途径,除了一部分磁通直接通过缺陷或在材料内部绕过缺陷外,还有部分的磁通会离开材料表面,通过空气绕过缺陷再重新进入材料,在材料表面缺陷处形成漏磁场。如果采用磁粉检测漏磁通的方法称为磁粉检测法,而采用磁敏传感器检测则称为漏磁检测法。
采用漏磁探伤的过程是:首先对被检铁磁性材料进行磁化;然后测量其漏磁场信号,通过分析判断,给出检测结果;最后根据实际情况选择退磁与否。漏磁检测只限于检测铁磁性材料,主要是铁磁性材料的表面及近表面的检测。该方法具有探头结构简单、易于实现自动化、无污染、检测灵敏度高、不需要耦合剂、检测时一般不需要对表面进行清洗处理、可以实现缺陷的初步量化等特点。
3漏磁检测技术的现状
随着现代科学技术的发展,尤其是计算机技术的发展,仪器的体积越来越小、处理速度越来越快、功能越来越强大。漏磁检测理论研究及探伤系统的传感器性能、数据处理等方面也都有很大的进步。下面就漏磁场的理论计算、各种因素和缺陷漏磁场之间的关系、漏磁检测的磁化方法、采用的传感器种类、检测方式和信号处理技术分别作简要的归纳。
3.1漏磁场的理论计算[1][2]
漏磁场分布的计算主要采用解析法和数值法。解析法的实质为解方程的解。磁偶极子模型是漏磁场简单的解析方程。国内仲维畅采用磁偶极子模型研究了有限长、无限长带偶极子的漏磁场分布问题[3]。但磁偶极子模型在缺损形状复杂的情况下无法确定偶极子的分布。漏磁理论分析的数值法主要是采用了有限元法[6][11][31],可以对非线性的、具有复杂边界和形状的缺陷漏磁场问题进行求解。麦克斯韦方程是电磁场的理论基础,也是有限元分析的理论依据,用解析法解出在三维空间内麦克斯韦方程时变问题,几乎不可能,而采用数值法可以通过不同单元的划分,容易给出边界条件,所得的代数方程组具有对称正定的系数矩阵,线性方程组的求解过程得以简化。
ANSYS软件是融热、电磁、流体、声学于一体的大型通用有限元分析软件。采用ANSYS有限元分析软件中相关电磁计算方法,可以对被检测的构件和漏磁检测方法,建立漏磁检测的有限元分析模型,从计算结果中分析研究检测的机理,为检测传感器的设计和结果分析提供理论指导。通过ANSYS软件可以模拟各种缺陷试验,分析过程可以分为三个阶段。第一,前处理阶段,此阶段先建立实体模型、定义出材料一些相关参数(有限单元的划分,有限单元的输入和输出结果参数);第二,求解阶段,施加载荷,通过求解器求解;最后为处理阶段,查看模拟计算的结果,根据它的输出结果,可以产生试验模型的磁力线图、矢量磁位、磁感应强度、磁场强度的等值图、矢量图等。计算时间的多少和模拟的近似程度,主要取决于模型的维数、单元的多少。在目前最快的台式PC机上,漏磁检测模型的二维有限元计算已经能较快地给出结果。
3.2各种因素和缺陷漏磁场之间的关系[2][8][19][21]
3.2.1磁化强度对漏磁场的影响
缺陷漏磁场的峰峰值起初随着磁化磁场强度的增大而增大,增大到一定值时,趋于平缓。当铁磁材料进入磁饱和状态时,外界磁化磁场强度的增大对裂纹磁场强度的贡献不大。磁路的设计应尽可能使被测材料达到近饱和磁化状态。
3.2.2裂纹深度对漏磁场的影响
裂纹宽度固定的条件下,在一定范围内,磁感应强度与缺陷深度近似成线性关系。狭缝越深,漏磁场越强,直至达到漏磁场对狭缝深度的进一步增大不敏感的深度为止。
3.2.3裂纹宽度对漏磁场的影响
对于相同深度的缺陷,在相同的磁化条件下,随着宽度的增加,漏磁场强度首先增加,然后减小。
3.2.4提离对漏磁场的影响
当提离值超过裂纹宽度两倍时,随着提离高度的增加,漏磁场强度迅速下降。传感器支架的设计必须使探头在被检测表面扫查时提离值保持恒定,一般要小于2 mm。
3.2.5裂纹埋藏深度对漏磁场的影响
近表面裂纹比表面裂纹产生的漏磁场弱,对于相同形状大小的缺陷,埋藏深度与漏磁场幅值近似成线性关系。
3.3漏磁检测系统的磁化方法
磁化方法在漏磁检测中起着重要的作用,它影响被检测对象的磁场信号。磁化范围可分为局部磁化和整体磁化;磁化方法按所用的励磁磁源分为交变磁场磁化方法、直流磁场磁化方法和永久磁铁磁化法。交变磁场磁化方法以交流电激励电磁铁进行磁化,电流频率的增高,磁化的深度减小,磁化后铁磁性材料不会产生剩磁,不需要退磁;直流磁场磁化方法以直流电流激励电磁铁产生磁场进行磁化,磁化强度可以通过控制电流来实现;永久磁铁磁化法以永久磁铁作为励磁磁源,其效果相当于固定直流磁化。永久磁铁可以采用稀土永磁、铝镍钴永磁等,一般采用稀土永磁,它磁能高、体积小。采用直流磁化和永久磁化都会产生剩磁,退磁与否根据具体要求而定,对检测速度参数没有特定的要求。磁化强度的选择一般以确保检测灵敏度和减轻磁化器使缺陷或结构特征产生的磁场能够被检测到为目标。
3.4漏磁检测采用的传感器种类及检测方式[1][2][20][21]
漏磁检测采用的传感器种类有线圈、霍尔器件、磁敏二极管、磁敏电阻、磁通门、巨磁阻传感器等。目前比较常用的传感器元件为线圈和霍尔器件。因为线圈缠绕的匝数、几何形状和尺寸较为灵活,根据测量目的的不同,线圈可以做成多种形式。线圈的匝数和相对运动速度、截面积决定测量的灵敏度。而霍尔元件的优点是较宽的响应频带、制造工艺成熟、温度特性和稳定性较好等。漏磁检测主要采用的方式有:
3.4.1单传感器检测
单传感器检测的是检测面上的平均漏磁场强度,一般用在受检面较小或效率要求不高的场合,这种检测电路相对简单,但不适合于需要大面积快速扫查的检测任务,且较易漏检。
3.4.2传感器阵列检测
采用传感器阵列进行检测,可以提高检测覆盖范围、空间分辨力和有效地降低漏检率,同时可以提高检测效率。有多通道实时检测方式和采用模拟开关进行通道切换的分时检测方式,前者实现起来较复杂,但检测效率高,后者电路相对较简单,效率较低,并且检测速度上限随着通道数的增加而下降。
3.4.3聚磁技术
聚磁技术是通过聚磁器来实现缺陷漏磁场的检测。聚磁器采用高导磁材料,用聚磁材料来集中空间分布的漏磁场,并引入磁敏感器件。如此收集漏磁场,可提高信噪比,增加检测扫查面积。
3.4.4磁屏蔽技术
外界磁场对漏磁检测会产生干扰,形成噪声,影响检测效果。采用该技术可以屏蔽外界磁场的干扰,减弱杂散磁场的影响,保证检测结果的可靠性,尤其对弱磁场信号的检测。需要采用高导磁材料做磁屏蔽外壳,以最大程度地减小外界磁场的干扰。
3.5漏磁场的信号处理技术
信号处理在漏磁检测过程中起着至关重要的作用,决定检测设备的总体性能,其目的是去除噪声,获取最佳的检测效果并对裂纹深度进行相对的量化处理。
信号处理的过程包括信号的放大、滤波、信号预处理、诊断识别、波形显示、报警、记录存储等。这里只对信号的放大、滤波和诊断识别进行阐述。
3.5.1信号放大
信号的放大是将探头拾取的微弱信号进行放大,一般需要多级放大,根据信号的特点选择放大电路,比如,对于局部变化的信号,采用交流放大,通过耦合或偏置消除信号中的低频或直流分量;对于缓慢变化的信号采用直流放大,放大处理时一般需要加调零和温度补偿电路。
3.5.2信号滤波
在检测过程中,各种噪声信号会混入检测信号中,掩盖缺陷信号,降低检测的灵敏度。为了提取有用信号,剔除干扰信号,需进行滤波。信号滤波主要为模拟信号滤波和数字信号滤波。以下对几种滤波方法进行简要介绍。
3.5.2.1模拟信号滤波
模拟信号滤波方法包括:空间域滤波、时间域滤波和时空混合滤波。信号工作在时间域上采用时域滤波方法;当传感器与被测磁场间的相对运动速度恒定时,采用空间域滤波。
空间域滤波:磁场信号在空间域上的滤波处理通过空间滤波器来实现,其基本原理是通过导磁性能优良的材料来主动引导空间分布的磁场,实现不同空间频率成分的磁场的分流,从而有选择性地获得测量回路上的磁场信号。空间滤波器属于结构型功能构件,从探头的结构或磁路设计上来进行优化。时间域滤波:当测量速度恒定不变时,可根据空间域滤波和时间域滤波的要求设计磁路信号滤波器,并根据速度的变动,调整滤波器的截止频率。但放大电路和测量通道自身也会产生噪声,为了提高检测信号的信噪比,可以将这部分噪声信号滤除。因此在确定测量速度时,应选择适当的速度范围,使测量的频率与电路噪声信号频率相距较大,同时,应避免它出现在50 Hz的工频干扰附近。
时空混合滤波:在测量速度波动的情况下,同样也可以采用时域滤波的方法来实现空间域滤波。这要求时域滤波的特征频率随探头扫描运动速度波动而变化。
3.5.2.2数字滤波
数字滤波方法主要包括均值滤波、中值滤波、限幅滤波、一阶惯性滤波等,这里不赘述。
3.5.2.3诊断识别
小波变换是进行信号处理的一种有效方法。小波具有多分辨率分析的特点,在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。小波分析相当于低通滤波和高通滤波,由于在时―频域局部化,而且时窗和频窗的宽度可以调节,可检测到突变信号。根据噪声和漏磁信号在小波域的不同特征用小波变换进行除噪。此外,神经元网络分析法及支撑矢量基也可用于漏磁信号的分析处理。
4国内外漏磁检测技术的研究概况
4.1国外研究概况[5][6][7][29][30]
国外对漏磁检测技术的研究很早,Zuschlug[5]于1933年首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想,但直至1947年Hastings设计了第一套漏磁检测系统,漏磁检测才开始受到普遍的承认。20世纪50年代,西德Forster研制出产品化的漏磁探伤装置。1965年,美国TubecopeVetco国际公司采用漏磁检测装置Linalog首次进行了管内检测,开发了Wellcheck井口探测系统,能可靠地探测到管材内外径上的腐蚀坑、横向伤痕和其它类型的缺陷。1973年,英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为600 mm的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测,首次引入了定量分析方法。ICO公司的EMI漏磁探伤系统通过漏磁探伤部分来检测管体的横向和纵向缺陷,壁厚测量结合超声技术进行,提供完整的现场探伤。
对于缺陷漏磁场的计算始于1966年,Shcherb-nin和Zatsepin两人采用磁偶极子模型计算表面开口的无限长裂纹,前苏联也于同年发表了第一篇定量分析缺陷漏磁场的论文,提出用磁偶极子、无限长磁偶极线和无限长磁偶带来模拟工件表面的点状缺陷、浅裂纹和深裂缝。之后,苏、日、美、德、英等国相继对这一领域开展研究,形成了两大学派,主要为研究磁偶极子法和有限元法两大学派。Shcherbinnin和Poshagin用磁偶极子模型计算了有限长表面开口裂纹的磁场分布。1975年,Hwang和Lord采用有限元方法对漏磁场进行分析,首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。Atherton[6][7]把管壁坑状缺陷漏磁场的计算和实验测量结果联系起来,得到了较为一致的结论。Edwards和Palaer[5]推出了有限长开口裂纹的三维表达式,从中得出当材料的相对磁导率远大于缺陷深宽比时,漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论。
摘自：中国计量测控网
