漏磁检测技术简述

摘  要:本文是对漏磁法(MFL)检测的一个综述,漏磁检测是一种自动化程度较高的电磁无损检测技术,在钢铁、石油、石化等领域应用广泛,凭其独特的优越性,应用前景很广阔。本文首先介绍了漏磁检测的主要原理与常见的几种磁化方式,然后简单介绍了其优缺点及影响因素,例如缺陷的尺寸、高温、检测装置移动速度给检测带来的影响,最后叙述了漏磁检测技术的应用及发展现状。国内漏磁检测技术与国外先进技术尚有很大差距,工业上实用探伤设备的研发还刚刚起步,这一切都有待于进步。
关键字:漏磁检测 原理 影响因素 应用 发展

 引言

管道运输是目前石油、天然气等产品运输效率最高、成本最小、风险最小的一种运输方式。管道深埋于地下或水底,随着时间的推移,外界不稳定因素会使得管道发生腐蚀、穿孔、破损等问题,不但造成巨大的能源、经济损失,还会引起环境污染,严重时甚至会引发人身伤亡事故。现在有多种技术能对管道进行无损检测,漏磁检测技术是其中之一。在国外,磁漏检测技术还被广泛应用于钢缆、铁索等缺陷的检测中,微小的缺陷能被快速找出,给生产、生活带来了更强的安全防护。

 1 磁漏检测理论

漏磁检测就是对漏磁场进行检测。将被测铁磁材料磁化后,若材料内部材质连续、均匀,材料中的磁感应线会被约束在材料中,磁通平行于材料表面,被检材料表面几乎没有磁场;如果被磁化材料有缺陷,其磁导率很小、磁阻很大,使磁路中的磁通发生畸变,其感应线会发生变化,部分磁通直接通过缺陷或从材料内部绕过缺陷,还有部分磁通会泄露到材料表面的空间中,从而在材料表面缺陷处形成漏磁场。利用磁感应传感器(如霍尔传感器)获取漏磁场信号,然后送入计算机进行信号处理,对漏磁场磁通密度分量进行分析能进一步了解相应缺陷特征比如宽度、深度。


图1    漏磁检测原理

磁化是实现漏磁检测的第一步,它决定着被测对象能够产生足够的可被测量和可被分辨的磁场信号,同时也影响着检测信号的性能和检测装置的结构特性。一般由磁化器实现,包括磁场源与磁回路等几个主要部分。磁化方式按照不同励磁磁源分为以下几种:
1)交流磁化方式。以交流电流激励电磁铁产生磁场磁化被测对象,只适用于检测试件表面或者近表层裂纹等缺陷,磁化结构简单且成本较低。
2)直流磁化方式。以直流电流激励电磁特产生磁场磁化被测对象,又分为直流脉动电流磁化方法和直流恒定电流磁化方法。
3)永磁磁化方式。以永久磁铁作为励磁磁源,不需要电流源。
4)复合磁化方式。将直流磁场、交流磁场成一定角度合成磁场,形成所需方向变化可控的磁化方向来磁化试件,其结构复杂且控制电路要求较高。
5)综合磁化方式。

2 漏磁检测优缺点

漏磁检测是用磁传感器检测缺陷,相对于渗透、磁粉等方法,有以下几个优点:
1)容易实现自动化。由传感器接收信号,软件判断有无缺陷,适合于组成自动检测系统。
2)有较高的可靠性。从传感器到计算机处理,降低了人为因素影响引起的误差,具有较高的检测可靠性。
3)可以实现缺陷的初步量化。这个量化不仅可实现缺陷的有无判断,还可以对缺陷的危害程度进行初步评估。
4)对于壁厚30mm以内的管道能同时检测内外壁缺陷。
5)因其易于自动化,可获得很高的检测效率且无污染。
漏磁检测技术也不是万能的,有其局限性:
1)只适用于铁磁材料。因为漏磁检测的第一步就是磁化,非铁磁材料的磁导率接近1,缺陷周围的磁场不会因为磁导率不同出现分布变化,不会产生漏磁场。
2)严格上说,漏磁检测不能检测铁磁材料内部的缺陷。若缺陷粒表面距离很大,缺陷周围的磁场畸变主要出现在缺陷周围,而工件表面可能不会出现漏磁场。
3)漏磁检测不适用于检测表面有涂层或覆盖层的试件。
4)漏磁检测不适用于形状复杂的试件。磁漏检测采用传感器采集漏磁通信号,试件形状稍复杂就不利于检测。
5)磁漏检测不适合检测开裂很窄的裂纹,尤其是闭合性裂纹。

3 磁漏检测的影响因素

缺陷的外形尺寸主要包括缺陷的深度、宽度、长度、形状、倾角和内外壁缺陷等,这些因素对于漏磁信号的检测都有影响。其中最重要的影响因素就是缺陷的深度、宽度和长度,直接关系到被测体的损坏程度。
利用ANSYS进行静态磁场分析方法,建立缺陷磁场的有限元数学模型,有利于分析产生的漏磁信号与缺陷的深度、宽度及长度的影响规律。仿真分析的具体过程包括:(1)创建模型(2)定义单元的类型(3)定义材料属性(4)划分网格(5)施加载荷求解(6)后处理。
在虚拟仿真环境下能得到较理想仿真结果,可得到以下结论:可以通过检测得到的法向和切向漏磁通密度曲线来判断缺陷的损伤深度,为定量分析提供一定的基础;在一起存在干扰的情况下,检测切向信号要比检测法向信号灵敏;由于切向漏磁通密度曲线只有一个波峰,波谷在一定范围内数值几乎相同,很难判断出采集信号峰值的宽度,如果要定量判断缺陷的长度,采用法向信号要比切向信号具有一定优势。
裂纹深度对漏磁场的影响:在一定范围内,磁感应强度与缺陷深度近似成线性关系,缺陷越深,漏磁场信号越强,直至漏磁场对深度的增加变化感应变化不明显。裂纹宽度对漏磁场的影响:随着宽度的增加,漏磁场强度先增加后减小。
此外,磁化强度对漏磁场也存在影响:缺陷漏磁场的峰峰值最初随着磁化强度的增强而增大,达到一定值时,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影响不大。
实际工作中被检对象的长度很大,例如油气管道,将检测装置放入管道内,漏磁检测装置依靠介质压力前进。若其运行速度过慢,检测花费时间将会很久;若运行速度过快,则检测不精确;若运动状态不稳定,管壁磁化会成为一个动态的过程,磁化水平下降与电流密度变化都影响检测结果的精度。因此,管道漏磁检测装置的最佳运行速度需要严格确定。
通过有限元分析电流密度变化引起的磁场变化及磁化水平对漏磁信号的影响,结合相适应实验,国内研究工作者已得出结论:有效检测漏磁信号的检测装置运行速度范围为0 – 6 m/s,且运行速度对径向漏磁信号的影响大于轴向漏磁信号;当速度在6 – 8 m/s时,只有轴向漏磁信号可见;当速度超过8 m/s时,无有用信号。
高温环境影响对漏磁检测有多大影响?例如生产流水线上的钢管,其热态下如何实现探伤,对传统漏磁检测是一个挑战。许多学者认为随着铁磁材料温度升高,磁化性能下降,不利于检测,但事实上材料在居里点温度下仍有一定磁性,因此探索高温下铁磁构件的漏磁检测可行性变得很重要。
使用高温漏磁检测系统对温度可控的钢管进行漏磁检测,分析不同温度下漏磁信号特征。管体温度在其居里点以下时,仍具有较好的磁化性能;温度临近居里点时,缺陷检验能力下降;温度超过其居里点时,磁畴紊乱导致磁漏检测无法应用。漏磁探伤适用于高温环境下的铁磁性材料的检测,使用高温探头能大大增强检测效果,有利于缺陷的量化评估。

 4 漏磁检测的应用与发展

漏磁检测常用于钢铁行业、石化行业等领域。例如钢管和钢棒等产品出厂或者使用之前,需要对这些钢材是否合格进行检测,对这种结构简单的铁磁材料进行大批量检测,漏磁检测是最主要的方法之一,能够检测出裂纹、折叠、气孔等微小缺陷;对已安装的输油气管道、钻杆、储油罐底板、城市埋地管道、海底运输管道,漏磁检测能以相对较快地速度实现探伤;在游乐场、索道、工地、矿山等地方,钢绳是最主要的承载与传送工具,它的质量对安全具有重要意义,漏磁检测技术是唯一在实际中被应用的无损检测手段。随着漏磁检测技术的发展,将会应用于更加广泛的领域。
桥梁配筋的检测评估通常是基于视觉与侵入性检查,得到的信息是不完整且代价很大,而漏磁检测技术能对配筋的缺陷进行无损检测。有测试表明,钕磁铁产生的足够强的磁场对单独的钢筋进行检测具有可行性,相关技术也在不断探索。
实际应用中
漏磁探伤的一般步骤如下:
1)将探伤设备通电,预运转,使设备进入稳定工作状态。若是对成品油管道进行检测,先要进行多次清管。
2)调整探头扫差速度和运行速度,确保探头覆盖程度。
3)调整探头装置灵敏度,如对磁化电流、电压、滤波、增益等参数与显示、记录、信号处理装置等进行调制。
4)设备校准后开始检测,后期对信号分析。
结合传统漏磁检测和脉冲涡流检测技术,现已研究出脉冲漏磁检测技术。这种技术采用脉冲电压流作为激励信号,脉冲信号丰富的频率成分能使激励磁场渗透到被检测试件的不同深度,其感应信号包含更多缺陷相关信息,且在较大提离情况下,仍然具有对缺陷的较好识别能力。
随着磁传感器的技术发展,多种高分辨率磁传感器开始应用于漏磁检测,有助于检测非常微小的信号变化。在钢绳、铁索的漏磁探伤中,传感器阵列发挥了巨大的作用。使用巨磁电阻传感器(GMR)阵列能可靠的检测到其局部缺陷与金属截面缺陷,能在不需要跟踪扫描绳索圆周的情况下,快速完成检测。通过三维有限元建模,不但有利于确定所需传感器的数量与位置,更有助于缺陷的准确、高效评估。磁光传感器(MO)被实验与应用证明可以检测表层裂纹及不同空间分布的缺陷并具有极高的灵敏度,适合参与检测组成部分进行漏磁探伤,以其能实现微小表面缺陷高分辨率磁成像,亦受到越来越多的关注。
目前,漏磁检测设备几乎被美国、英国等国家垄断,国内的生产研发水平相对比较落后,亟待研究工作者努力探索。

青春悄然而逝,我,一路向前...

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