铁磁性构件内外侧缺陷重合度与漏磁场信号的关系
作者简介:
洪勇（1983—）,男,博士,副教授,高级工程师,主要研究方向为无损检测技术与承压设备检测
钢管的无损检测方法主要包括超声检测、磁粉检测、漏磁检测、涡流检测等。其中,在不添加耦合剂和不对管道进行破坏的前提下,漏磁检测方法可以对管道内外壁的缺陷进行检测和识别,且在工程上较易进行操作[1]。
近年来,随着漏磁检测在石油业、矿业、航空航天等领域的广泛应用,仅对管道内外侧缺陷进行区分已经无法满足日益增长的检测要求。在内外侧缺陷漏磁信号区分领域,王荣彪等[2]提出了一种基于交流磁化调制的钢管内外侧缺陷检测方法,提高了内侧缺陷检测灵敏度,对于更大壁厚的内侧缺陷有良好的检出效果。李广凯等[3]利用内壁缺陷被磁化后,阻抗图中相位不变的特点,通过数据分析区分内壁缺陷和外壁缺陷。呼婧等[4]通过在磁多极子场上建立动态漏磁场,并对缺陷信号的上升沿和下降沿进行系数拟合,提取出内外缺陷的特征参数规律。LONG等[5]通过设计一种带有偏心磁路支路的复合漏磁检测方法,对检测区域进行磁集中测试来区分管道的内外侧缺陷。肖奇等[6]提出了一种多频电磁平衡检测方法,以电压峰值为特征对内外侧缺陷进行区分。
但上述方法只能对单侧缺陷进行区分,而未考虑到管道内外侧都出现缺陷的情况,即当管壁内外两侧缺陷共存时,两侧缺陷在与管壁表面垂直的方向上有重合部分,扫查中得到的漏磁场信号数据就不是单一漏磁场所产生的。当内外侧缺陷重合度较高时,重合处区域的名义厚度较薄,容易造成安全事故。笔者对管道内外侧都存在缺陷时的情况进行研究,利用有限元计算得出漏磁场的信号分布情况,旨在为含内外侧缺陷薄壁管道的安全运行评定提供依据。
1. 漏磁无损检测技术
1.1 漏磁检测原理
漏磁检测原理如图1所示,在将待测钢板磁化至饱和状态后,磁感应线重新排布,如果钢板表面没有缺陷,则磁感应线在钢板内部分布均匀,外侧表面无磁感应线泄漏,如果被磁化了的钢板上存在裂纹或蚀坑,由于缺陷处的空气磁导率远小于钢板的,钢板材料内部的磁感应线则会泄漏到材料表面上方,在材料表面形成的漏磁场,该漏磁场可以通过传感器检测出来从而实现缺陷的检出。
1.2 内外侧缺陷漏磁特性
与外侧缺陷在钢板外侧表面形成的漏磁场相比,内侧缺陷在钢板外侧表面也会产生磁感应线的“外逸”现象（见图2）,但是其产生的漏磁信号强度较低。
2. 漏磁场模型建立
2.1 交直流磁化对比
在漏磁检测中,磁化方式的选取一直比较重要。常见的磁化方式有直流磁化、交流磁化、永磁磁化、复合磁化等,目前工业上主要采用的是直流线圈磁化。
交流磁化通过对线圈施加交流电进行激励从而产生交变磁场,由于趋肤效应的存在,交变磁场只在钢板表面和近表面分布。故该方法只能对钢板外表面缺陷和近表面缺陷进行检测,检测的深度随着交流频率的增加而减小,且钢板外表面尺寸较小的缺陷不易检出,具有一定的局限性。
直流磁化可通过随时调节激励电流的大小来改变磁化场的强度,从而形成稳定的漏磁场,且对构件的内侧缺陷具有一定的检测能力[7-9]。
2.2 直流磁化模型分析
首先在COMSOL有限元仿真软件中选择“磁场”模块,建立管壁的局部模型,为简化计算,此处使用钢板代替管壁。根据实际检测的需求,采用局部磁化的方式对钢板进行磁化。为了获得稳定的背景磁场,且不在铁磁性构件表面产生趋肤效应,采用直流磁化的方式。钢板材料选择“Low Carbon Steel 1008”,其为各向同性的非线性铁磁性材料,磁轭选择软铁,线圈匝数为2 000匝,钢板内外侧缺陷漏磁检测模型如图3所示。
对图3中钢板外侧表面漏磁场信号进行矢量分解,其结果如图4所示。在钢板外侧表面任意一点产生的漏磁场信号都可以分解为外侧缺陷在外表面产生的漏磁场磁感应强度Bo及内侧缺陷在外表面空间中产生的漏磁场磁感应强度Bi,将Bo、Bi在二维平面中分解为法向、切向分量,漏磁场法向分量总磁感应强度可写为
