漏磁檢測技術及發展現狀研究
發布時間：2017-09-01
1前言
漏磁檢測方法通常與渦流、微波、金屬磁記憶一起被列為電磁(EM Electromagnetic)無損檢測方法。該方法主要應用于諸如輸油氣管、儲油罐底板、鋼絲繩、鋼板、鋼管、鋼棒、鏈條、鋼結構件、焊縫、埋地管道等鐵磁性材料表面和近表面的腐蝕、裂紋、氣孔、凹坑、夾雜等缺陷的檢測,也可用于鐵磁性材料的測厚。漏磁無損檢測技術在鋼鐵、石油、石化等領域應用較廣泛。我國各工業領域對漏磁檢測技術尚處于了解、認識、引用的初級階段,在工業上實用探傷設備的開發制造還剛剛起步,而隨著質量控制技術的發展與進步我國對于漏磁探傷設備的市場需求將越來越大。因此,縮小同國外先進的無損檢測設備制造水平的差距是當前我國無損檢測業界同仁的重要且緊迫的任務。
2漏磁檢測的原理及其特點
當用磁化器磁化被測鐵磁材料時,若材料的材質是連續、均勻的,則材料中的磁感應線將被約束在材料中,磁通是平行于材料表面的,幾乎沒有磁感應線從表面穿出,被檢表面沒有磁場。但當材料中存在著切割磁力線的缺陷時,材料表面的缺陷或組織狀態變化會使磁導率發生變化,由于缺陷的磁導率很小,磁阻很大,使磁路中的磁通發生畸變,磁感應線會改變途徑,除了一部分磁通直接通過缺陷或在材料內部繞過缺陷外,還有部分的磁通會離開材料表面,通過空氣繞過缺陷再重新進入材料,在材料表面缺陷處形成漏磁場。如果采用磁粉檢測漏磁通的方法稱為磁粉檢測法,而采用磁敏傳感器檢測則稱為漏磁檢測法。
采用漏磁探傷的過程是:首先對被檢鐵磁性材料進行磁化;然后測量其漏磁場信號,通過分析判斷,給出檢測結果;最后根據實際情況選擇退磁與否。漏磁檢測只限于檢測鐵磁性材料,主要是鐵磁性材料的表面及近表面的檢測。該方法具有探頭結構簡單、易于實現自動化、無污染、檢測靈敏度高、不需要耦合劑、檢測時一般不需要對表面進行清洗處理、可以實現缺陷的初步量化等特點。
3漏磁檢測技術的現狀
隨著現代科學技術的發展,尤其是計算機技術的發展,儀器的體積越來越小、處理速度越來越快、功能越來越強大。漏磁檢測理論研究及探傷系統的傳感器性能、數據處理等方面也都有很大的進步。下面就漏磁場的理論計算、各種因素和缺陷漏磁場之間的關系、漏磁檢測的磁化方法、采用的傳感器種類、檢測方式和信號處理技術分別作簡要的歸納。
3.1漏磁場的理論計算[1][2]
漏磁場分布的計算主要采用解析法和數值法。解析法的實質為解方程的解。磁偶極子模型是漏磁場簡單的解析方程。國內仲維暢采用磁偶極子模型研究了有限長、無限長帶偶極子的漏磁場分布問題[3]。但磁偶極子模型在缺損形狀復雜的情況下無法確定偶極子的分布。漏磁理論分析的數值法主要是采用了有限元法[6][11][31],可以對非線性的、具有復雜邊界和形狀的缺陷漏磁場問題進行求解。麥克斯韋方程是電磁場的理論基礎,也是有限元分析的理論依據,用解析法解出在三維空間內麥克斯韋方程時變問題,幾乎不可能,而采用數值法可以通過不同單元的劃分,容易給出邊界條件,所得的代數方程組具有對稱正定的系數矩陣,線性方程組的求解過程得以簡化。
ANSYS軟件是融熱、電磁、流體、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件。采用ANSYS有限元分析軟件中相關電磁計算方法,可以對被檢測的構件和漏磁檢測方法,建立漏磁檢測的有限元分析模型,從計算結果中分析研究檢測的機理,為檢測傳感器的設計和結果分析提供理論指導。通過ANSYS軟件可以模擬各種缺陷試驗,分析過程可以分為三個階段。第一,前處理階段,此階段先建立實體模型、定義出材料一些相關參數(有限單元的劃分,有限單元的輸入和輸出結果參數);第二,求解階段,施加載荷,通過求解器求解;最后為處理階段,查看模擬計算的結果,根據它的輸出結果,可以產生試驗模型的磁力線圖、矢量磁位、磁感應強度、磁場強度的等值圖、矢量圖等。計算時間的多少和模擬的近似程度,主要取決于模型的維數、單元的多少。在目前最快的臺式PC機上,漏磁檢測模型的二維有限元計算已經能較快地給出結果。
3.2各種因素和缺陷漏磁場之間的關系[2][8][19][21]
3.2.1磁化強度對漏磁場的影響
缺陷漏磁場的峰峰值起初隨著磁化磁場強度的增大而增大,增大到一定值時,趨于平緩。當鐵磁材料進入磁飽和狀態時,外界磁化磁場強度的增大對裂紋磁場強度的貢獻不大。磁路的設計應盡可能使被測材料達到近飽和磁化狀態。
3.2.2裂紋深度對漏磁場的影響
裂紋寬度固定的條件下,在一定范圍內,磁感應強度與缺陷深度近似成線性關系。狹縫越深,漏磁場越強,直至達到漏磁場對狹縫深度的進一步增大不敏感的深度為止。
3.2.3裂紋寬度對漏磁場的影響
對于相同深度的缺陷,在相同的磁化條件下,隨著寬度的增加,漏磁場強度首先增加,然后減小。
3.2.4提離對漏磁場的影響
當提離值超過裂紋寬度兩倍時,隨著提離高度的增加,漏磁場強度迅速下降。傳感器支架的設計必須使探頭在被檢測表面掃查時提離值保持恒定,一般要小于2 mm。
3.2.5裂紋埋藏深度對漏磁場的影響
近表面裂紋比表面裂紋產生的漏磁場弱,對于相同形狀大小的缺陷,埋藏深度與漏磁場幅值近似成線性關系。
3.3漏磁檢測系統的磁化方法
磁化方法在漏磁檢測中起著重要的作用,它影響被檢測對象的磁場信號。磁化范圍可分為局部磁化和整體磁化;磁化方法按所用的勵磁磁源分為交變磁場磁化方法、直流磁場磁化方法和永久磁鐵磁化法。交變磁場磁化方法以交流電激勵電磁鐵進行磁化,電流頻率的增高,磁化的深度減小,磁化后鐵磁性材料不會產生剩磁,不需要退磁;直流磁場磁化方法以直流電流激勵電磁鐵產生磁場進行磁化,磁化強度可以通過控制電流來實現;永久磁鐵磁化法以永久磁鐵作為勵磁磁源,其效果相當于固定直流磁化。永久磁鐵可以采用稀土永磁、鋁鎳鈷永磁等,一般采用稀土永磁,它磁能高、體積小。采用直流磁化和永久磁化都會產生剩磁,退磁與否根據具體要求而定,對檢測速度參數沒有特定的要求。磁化強度的選擇一般以確保檢測靈敏度和減輕磁化器使缺陷或結構特征產生的磁場能夠被檢測到為目標。
3.4漏磁檢測采用的傳感器種類及檢測方式[1][2][20][21]
漏磁檢測采用的傳感器種類有線圈、霍爾器件、磁敏二極管、磁敏電阻、磁通門、巨磁阻傳感器等。目前比較常用的傳感器元件為線圈和霍爾器件。因為線圈纏繞的匝數、幾何形狀和尺寸較為靈活,根據測量目的的不同,線圈可以做成多種形式。線圈的匝數和相對運動速度、截面積決定測量的靈敏度。而霍爾元件的優點是較寬的響應頻帶、制造工藝成熟、溫度特性和穩定性較好等。漏磁檢測主要采用的方式有:
3.4.1單傳感器檢測
單傳感器檢測的是檢測面上的平均漏磁場強度,一般用在受檢面較小或效率要求不高的場合,這種檢測電路相對簡單,但不適合于需要大面積快速掃查的檢測任務,且較易漏檢。
3.4.2傳感器陣列檢測
采用傳感器陣列進行檢測,可以提高檢測覆蓋范圍、空間分辨力和有效地降低漏檢率,同時可以提高檢測效率。有多通道實時檢測方式和采用模擬開關進行通道切換的分時檢測方式,前者實現起來較復雜,但檢測效率高,后者電路相對較簡單,效率較低,并且檢測速度上限隨著通道數的增加而下降。
3.4.3聚磁技術
聚磁技術是通過聚磁器來實現缺陷漏磁場的檢測。聚磁器采用高導磁材料,用聚磁材料來集中空間分布的漏磁場,并引入磁敏感器件。如此收集漏磁場,可提高信噪比,增加檢測掃查面積。
3.4.4磁屏蔽技術
外界磁場對漏磁檢測會產生干擾,形成噪聲,影響檢測效果。采用該技術可以屏蔽外界磁場的干擾,減弱雜散磁場的影響,保證檢測結果的可靠性,尤其對弱磁場信號的檢測。需要采用高導磁材料做磁屏蔽外殼,以最大程度地減小外界磁場的干擾。
3.5漏磁場的信號處理技術
信號處理在漏磁檢測過程中起著至關重要的作用,決定檢測設備的總體性能,其目的是去除噪聲,獲取最佳的檢測效果并對裂紋深度進行相對的量化處理。
信號處理的過程包括信號的放大、濾波、信號預處理、診斷識別、波形顯示、報警、記錄存儲等。這里只對信號的放大、濾波和診斷識別進行闡述。
3.5.1信號放大
信號的放大是將探頭拾取的微弱信號進行放大,一般需要多級放大,根據信號的特點選擇放大電路,比如,對于局部變化的信號,采用交流放大,通過耦合或偏置消除信號中的低頻或直流分量;對于緩慢變化的信號采用直流放大,放大處理時一般需要加調零和溫度補償電路。
3.5.2信號濾波
在檢測過程中,各種噪聲信號會混入檢測信號中,掩蓋缺陷信號,降低檢測的靈敏度。為了提取有用信號,剔除干擾信號,需進行濾波。信號濾波主要為模擬信號濾波和數字信號濾波。以下對幾種濾波方法進行簡要介紹。
3.5.2.1模擬信號濾波
模擬信號濾波方法包括:空間域濾波、時間域濾波和時空混合濾波。信號工作在時間域上采用時域濾波方法;當傳感器與被測磁場間的相對運動速度恒定時,采用空間域濾波。
空間域濾波:磁場信號在空間域上的濾波處理通過空間濾波器來實現,其基本原理是通過導磁性能優良的材料來主動引導空間分布的磁場,實現不同空間頻率成分的磁場的分流,從而有選擇性地獲得測量回路上的磁場信號。空間濾波器屬于結構型功能構件,從探頭的結構或磁路設計上來進行優化。時間域濾波:當測量速度恒定不變時,可根據空間域濾波和時間域濾波的要求設計磁路信號濾波器,并根據速度的變動,調整濾波器的截止頻率。但放大電路和測量通道自身也會產生噪聲,為了提高檢測信號的信噪比,可以將這部分噪聲信號濾除。因此在確定測量速度時,應選擇適當的速度范圍,使測量的頻率與電路噪聲信號頻率相距較大,同時,應避免它出現在50 Hz的工頻干擾附近。
時空混合濾波:在測量速度波動的情況下,同樣也可以采用時域濾波的方法來實現空間域濾波。這要求時域濾波的特征頻率隨探頭掃描運動速度波動而變化。
3.5.2.2數字濾波
數字濾波方法主要包括均值濾波、中值濾波、限幅濾波、一階慣性濾波等,這里不贅述。
3.5.2.3診斷識別
小波變換是進行信號處理的一種有效方法。小波具有多分辨率分析的特點,在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率,在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率。小波分析相當于低通濾波和高通濾波,由于在時―頻域局部化,而且時窗和頻窗的寬度可以調節,可檢測到突變信號。根據噪聲和漏磁信號在小波域的不同特征用小波變換進行除噪。此外,神經元網絡分析法及支撐矢量基也可用于漏磁信號的分析處理。
4國內外漏磁檢測技術的研究概況
4.1國外研究概況[5][6][7][29][30]
國外對漏磁檢測技術的研究很早,Zuschlug[5]于1933年首先提出應用磁敏傳感器測量漏磁場的思想,但直至1947年Hastings設計了第一套漏磁檢測系統,漏磁檢測才開始受到普遍的承認。20世紀50年代,西德Forster研制出產品化的漏磁探傷裝置。1965年,美國TubecopeVetco國際公司采用漏磁檢測裝置Linalog首次進行了管內檢測,開發了Wellcheck井口探測系統,能可靠地探測到管材內外徑上的腐蝕坑、橫向傷痕和其它類型的缺陷。1973年,英國天然氣公司采用漏磁法對其所管轄的一條直徑為600 mm的天然氣管道的管壁腐蝕減薄狀況進行了在役檢測,首次引入了定量分析方法。ICO公司的EMI漏磁探傷系統通過漏磁探傷部分來檢測管體的橫向和縱向缺陷,壁厚測量結合超聲技術進行,提供完整的現場探傷。
對于缺陷漏磁場的計算始于1966年,Shcherb-nin和Zatsepin兩人采用磁偶極子模型計算表面開口的無限長裂紋,前蘇聯也于同年發表了第一篇定量分析缺陷漏磁場的論文,提出用磁偶極子、無限長磁偶極線和無限長磁偶帶來模擬工件表面的點狀缺陷、淺裂紋和深裂縫。之后,蘇、日、美、德、英等國相繼對這一領域開展研究,形成了兩大學派,主要為研究磁偶極子法和有限元法兩大學派。Shcherbinnin和Poshagin用磁偶極子模型計算了有限長表面開口裂紋的磁場分布。1975年,Hwang和Lord采用有限元方法對漏磁場進行分析,首次把材料內部場強和磁導率與漏磁場幅值聯系起來。Atherton[6][7]把管壁坑狀缺陷漏磁場的計算和實驗測量結果聯系起來,得到了較為一致的結論。Edwards和Palaer[5]推出了有限長開口裂紋的三維表達式,從中得出當材料的相對磁導率遠大于缺陷深寬比時,漏磁場強度與缺陷深度呈近似線性關系的結論。
摘自：中國計量測控網
