鋼板厚度對漏磁檢測效果的影響

楊理踐，張森林，高松巍

（沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870）

管道鋪設在地下或海底，難以直接檢測，加上輸送介質(zhì)的腐蝕和服役年限的增加，油氣管線事故便時有發(fā)生［1］。所以合理、高效的油氣管道檢測方法是必須和急需的。目前世界管道行業(yè)中普遍采用的是基于漏磁檢測的管道內(nèi)檢測方法［2－3］。其工作機理是將檢測設備送入管內(nèi)，設備沿管道內(nèi)壁運動并實時檢測，同時存儲結(jié)果，通過后期數(shù)據(jù)處理以描述管道狀況。漏磁檢測方法實現(xiàn)的前提是待測管道的磁化程度要達到磁飽和的80%左右。如果管道沒有達到近磁飽和的程度，那么在缺陷較小的管壁處將不會產(chǎn)生可檢測的漏磁信號。近年來隨著油氣管道和海底管道的大量鋪建，為滿足油氣管道承受的氣體高壓和海底管道漂移的剛度需求，在鋪建時選用的鋼材管壁厚度要遠超過油氣管道的壁厚。帶來的問題是，在磁化裝置的磁化能力固定的情況下，管壁厚度的增加使得管壁呈現(xiàn)出遠小于磁飽和水平的狀態(tài)，造成缺陷不可檢。針對這個問題，筆者研制了一種鋼板漏磁檢測裝置，用它檢測厚度不同的鋼板，以模擬檢測管道的情況，并通過試驗得出了磁飽和程度對漏磁信號的影響規(guī)律，粗略地判斷出以N45等級的釹鐵硼永磁鐵為磁源的漏磁檢測裝置可以對小于20mm厚的管壁實現(xiàn)近飽和磁化的能力。

1 漏磁檢測原理

漏磁檢測原理是利用鐵磁材料的高磁導率特性，通過測量鐵磁材料中由于存在缺陷而引起的磁導率變化來檢測缺陷［4］，如圖1所示。圖中兩部分管壁為管道縱切向剖面圖，上管壁有缺陷而下壁無缺陷。檢測時永磁鐵將待測管段磁化，在管壁完好并且管壁材質(zhì)均勻的情況下，磁力線全部在管壁、永磁體、鋼刷和軟鐵構(gòu)成的磁回路中通過。若管壁上有缺陷存在，那么當管壁達到近飽和磁化狀態(tài)時，經(jīng)過缺陷處的磁力線有一部分仍然會在磁回路中通過，但會有少量磁力線在缺陷處發(fā)生畸變，繞過缺陷邊緣泄露到管壁外，在周圍的空氣中形成漏磁場。采用兩組探頭分別測量有缺陷管壁和無缺陷管壁，安裝有磁敏元件的檢測探頭被固定在磁化裝置的軟鐵上，檢測時探頭隨磁化裝置的行進達到實時檢測的目的。探頭經(jīng)過無缺陷的管壁時，因沒有漏磁通變化，所以輸出電壓不變；經(jīng)過有缺陷的管壁時，缺陷導致電壓變化，達到探傷的目的［5］，而后通過對漏磁信號的分析即可準確評價缺陷。

圖1 管道漏磁檢測原理

2 漏磁檢測裝置的研制

2.1 漏磁檢測裝置的結(jié)構(gòu)

鋼板缺陷漏磁檢測裝置由磁化系統(tǒng)、檢測探頭、數(shù)據(jù)采集模塊和顯示模塊構(gòu)成，該裝置系統(tǒng)框圖見圖2。在研發(fā)該試驗裝置前做了鋼板局部磁飽和漏磁檢測可行性試驗，通過分析得出如果鋼板無限大，在磁路設計合理的情況下，鋼板的待測區(qū)域仍然可以達到磁飽和狀態(tài)，為漏磁檢測所要求的局部磁場飽和條件提供了理論依據(jù)。

檢測裝置的工作過程是：利用設計好的12塊對稱分布的釹鐵硼永磁體作為勵磁源，將鋼板磁化到近飽和狀態(tài)。磁力線通過鋼板、空氣間隙、永磁體和軛鐵構(gòu)成的磁路形成回路，利用霍爾傳感器采集漏磁場并將輸出的電信號送入數(shù)據(jù)采集模塊，在顯示器上顯示波形信息。試驗裝置組圖如圖3所示。

圖2 漏磁檢測裝置系統(tǒng)框圖

圖3 鋼板缺陷漏磁檢測試驗裝置

2.2 磁化系統(tǒng)

磁化系統(tǒng)由勵磁源和軛鐵組成。永磁體是鋼板達到近飽和磁化的磁源，軛鐵是為了形成完整的閉合磁路，軛鐵一般選擇導磁性好的低碳鋼。雖然永磁鐵和電磁鐵都可以作為勵磁裝置的勵磁源，但是電磁鐵使用時需要外接電源，對于本套設備來說電磁鐵不能滿足安全性和便捷性的需求。通過比較多種常用永磁鐵的內(nèi)稟矯頑力、最大磁能積和退磁曲線等特性，選定了釹鐵硼永磁N45作為勵磁源。它具有磁性強、質(zhì)量小的優(yōu)點，是一款適合試驗設計需求的永磁鐵之一，其磁特性如表1所示。

表1 釹鐵硼永磁N45性能

需要說明的是，勵磁裝置尺寸要小于待測鋼板的尺寸，不能一次均勻磁化整塊鋼板，而是僅對一部分區(qū)域?qū)嵭芯植看呕?/p>

2.3 檢測探頭

檢測探頭主要由基座和磁敏元件構(gòu)成?；脕砉潭ê捅Ｗo磁敏元件，磁敏元件用來采集磁信號并以電信號形式輸出。磁敏元件的種類包括霍爾傳感器、感應線圈、磁敏二極管、磁通門傳感器等，它們都有各自的特點和應用環(huán)境。霍爾傳感器SS494A具有靈敏度高的特點，滿足試驗設計的要求，因此選用其作為漏磁檢測傳感器。按照特別設計制作了霍爾傳感器探頭。為了保證檢測靈敏度，設計時將霍爾傳感器緊貼在耐磨基座上并進行了封裝。檢測器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 檢測器裝置結(jié)構(gòu)

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

利用數(shù)據(jù)采集卡采集霍爾傳感器的輸出電壓，采集卡通過USB口連接計算機。采集卡采用UA301盒式采集器。檢測設備的系統(tǒng)噪聲以及檢測過程中引入的多成分噪聲對檢測信號的影響較大，同時漏磁信號較為微弱，所以傳感器電壓變化小，如果不對輸出信號進行濾波放大處理，那么漏磁信號將湮沒在噪聲中，無法有效識別。因此需要對輸出的電壓信號進行濾波放大，達到降低和消除干擾目的，以提高檢測信號的信噪比。

2.5 顯示模塊

檢測時顯示器實時動態(tài)顯示波形信息。經(jīng)過缺陷時顯示的徑向信號如圖5所示。

圖5 檢測裝置通過缺陷時的徑向信號波形

數(shù)據(jù)采集處理軟件采用VB編寫。數(shù)據(jù)采集程序由里程輪的輸出脈沖控制，里程輪的結(jié)構(gòu)由脈沖碼盤組成，它每走1mm就給系統(tǒng)發(fā)一個脈沖，系統(tǒng)接收到脈沖信號后進行一次測量。輸出的電信號經(jīng)過濾波放大器后送到UA301數(shù)據(jù)采集卡，同時以數(shù)字量的形式送給計算機進行處理并存入硬盤。試驗中也常用高精度數(shù)字示波器顯示波形。示波器為兩路輸出，因此在使用示波器顯示時要保證所顯示的兩路信號對應的霍爾傳感器經(jīng)過缺陷。

3 檢測試驗

準備4塊長度為1000mm，寬度為500mm，厚度分別為7，10，15，20mm的20號鋼板。分別在4塊鋼板的上、下表面制作了人工裂紋缺陷，缺陷尺寸為長100mm，寬1mm，深度分別為壁厚的10%。利用鋼板漏磁檢測設備分別檢測上述四塊有缺陷的鋼板。

3.1 鋼板厚度與信號幅值關系

試驗是在磁化裝置確定的情況下，采用改變鋼板厚度的方式來分析磁場不飽和、缺陷不再可檢的狀態(tài)。試驗并未采取固定鋼板厚度，改變勵磁強度的試驗方案有兩點原因：一是隨著永磁鐵勵磁強度的增大，永磁鐵和鋼板之間的磁吸力F會顯著增大，磁吸力H的增大會使檢測設備在鋼板上的活動能力變得很差（F與H 為平方關系）；二是永磁鐵磁化強度的設計是有固定量值的，選擇一組磁化強度呈數(shù)學遞增關系的永磁鐵十分困難。

對人工裂紋的檢測結(jié)果為：7mm鋼板上檢測所得徑向信號的電壓絕對值為200mV，軸向信號電壓為180mV；10mm鋼板上檢測所得徑向信號的電壓絕對值為160mV，軸向信號電壓為120mV；15mm鋼板檢測所得徑向信號電壓絕對值為60mV，軸向信號電壓絕對值為40mV；20mm鋼板上徑向、軸向信號均沒有檢測出。從以上數(shù)據(jù)分析可得，隨著板厚的增加，軸向、徑向電壓信號的絕對值都有減小的趨勢，對20mm板檢測時沒有檢測到缺陷處的漏磁信號。

為了獲得缺陷處漏磁場的實際大小，應用特斯拉計在待測鋼板缺陷的反面測量漏磁場強度。測量結(jié)果為：7mm鋼板反面的磁場強度為21mT，10mm鋼板磁場強度為15mT，15mm鋼板磁場強度為5mT，20mm鋼板磁場強度近似為0mT。圖6為根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制的曲線。該結(jié)果說明了勵磁強度相同時，鋼板厚度增加到一定值時就不能被磁飽和，待測鋼板缺陷處的漏磁顯著減小直到為0，即是待測鋼板被磁化區(qū)域的磁場強度由飽和狀態(tài)變成了非飽和狀態(tài)。試驗結(jié)果說明，勵磁強度固定時，當鋼板厚度達到一定值且缺陷又比較小的情況下，由于缺陷處鋼板的截面積大，內(nèi)部磁場沒有飽和，也就沒有漏磁場產(chǎn)生，造成無法利用漏磁原理來實現(xiàn)缺陷的檢測。

圖6 漏磁場與信號幅值關系曲線

3.2 其他因素與信號幅值的關系

試驗發(fā)現(xiàn)，探頭位置與信號幅值的大小有一定關系。檢測探頭逐漸遠離缺陷位置則信號幅值減小，尤其在小提離值變化時信號幅值的變化非常大。為了保證信號的穩(wěn)定和準確性，檢測時探頭緊貼在待測鋼板表面，裝置沒有安裝動力系統(tǒng)，而采取人工推動的方式工作，人工推動的問題是不能保證設備勻速運行。試驗發(fā)現(xiàn)，以較快速度經(jīng)過缺陷時，信號的周期稍?。宦俳?jīng)過缺陷時，信號的周期稍大，但兩者的幅值一致，因此檢測速度對漏磁信號的影響不大。

4 有限元仿真分析

通過仿真進一步驗證了鋼板厚度增加造成的磁場不飽和現(xiàn)象。漏磁檢測裝置的結(jié)構(gòu)主要由勵磁單元和探測單元組成。應用ANSYS對該設備進行三維有限元模型仿真分析，有限元模型見圖7。勵磁部分由永磁體、軛鐵、鋼板及磁化間隙構(gòu)成一個完整閉合的磁回路；探測部分主要是霍爾傳感器。

圖7 鋼板漏磁檢測設備磁化系統(tǒng)三維模型

仿真模型中各區(qū)域材料屬性定義為：永磁鐵選用釹鐵硼永磁N45，軛鐵選用A3鋼，磁化間隙的空氣磁導率設為1，鋼板為厚度不同的20號鋼。仿真計算時，在圖7模型的基礎上建立兩層空氣層結(jié)構(gòu)，以使結(jié)果更精確。在仿真模型固定的情況下，鋼板厚度從7mm增加到20mm時，沿鋼板缺陷切向的磁感應強度分布如圖8所示。通過圖8可看出，這一簇曲線在形狀上有一個明顯的“單駝峰”的凸起，同時可以看出，鋼板厚度從7mm增加到20mm時，缺陷處磁感應強度的峰值絕對值（即波峰值與水平值的差）從70mT下降到大約25mT，與試驗結(jié)論一致。

圖8 切向磁通密度分布曲線

5 結(jié)語

以N45等級永磁鐵為磁源的鋼板漏磁檢測設備能夠檢測出20mm以下鋼板10%深的缺陷。隨著鋼板厚度的增加，在勵磁源強度相同的條件下，鋼板由磁飽和狀態(tài)向不飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化，20mm為近似的臨界飽和點。

［1］范向紅，王少華，那晶.我國管道漏磁檢測技術及其成就［J］.石油科技，2007（4）：55－57.

［2］GERGELY K，MIKLOS K.Simulation of a developed magnetic flux leakage method［J］.Pollack Periodica，2009，2（4）：45－56.

［3］NARA T，TAKANASHI Y，MIZUIDE M.A sensor measuring the Fourier coefficients of the magnetic flux density for pipe crack detection using the magnetic flux leakage method［J］.Journal of Applied Physics，2011，109（7），305－307.

［4］PAULSEN J A，JILES.A magnetic imaging system for evaluation of material conditions using magnetoresistive devices ［J］.IEEE Tansactions on Magnetics，2003，39（5）：3453－3455.

［5］康中尉，羅飛路，潘孟春，等.鋼管表面缺陷檢測用交變漏磁檢測系統(tǒng)［J］.無損檢測，2006，28（4）：189－191.