高速漏磁检测方法的发展
冯搏”,伍剑波,邱公喆’,康宜华!
(1.华中科技大学机械科学与工程学院,武汉430074;2.四川大学机械工程学院,成都610065)摘要:漏磁检测法已成功应用于各类铁磁性材料的检测中,但当代生产技术的革新和新应用领域的出现对漏磁检测法的检测速度提出了新的挑战。高速漏磁检测的信号出现畸变,制约着检测速度的进一步提高。对此,众多研究人员对信号畸变的机理进行研究,发现磁化滞后效应是影响高速漏磁检测信号的主要因素。当高速运动的钢管通过磁化线圈时,涡流使得管壁内的磁场无法达到稳定状态,从而影响了漏磁检测信号。在机理探究的基础上,提出了增大磁化线圈长度、采用多级磁化等方法来抑制高速漏磁检测时信号的畸变。动生涡流无损检测法和动生涡流热成像检测法等新电磁检测方法也被提出,并在高速检测时获得了较好的效果。
关键词:高速漏磁检测;磁化滞后;涡流效应
高速漏磁检测;磁化滞后;涡流效应方法,能对铁磁性材料的内、外缺陷进行全面检测。
在欧美国家,漏磁检测技术自20世纪60年代开始被大量用在石油化工、能源和交通运输等领域,保障材料、构件和产品的质量与使用时的安全性[]。我国漏磁检测技术的起步则相对较晚,自20世纪80年代开始,在杨叔子院士的带领下,我国也将漏磁检测技术用于钢丝绳断丝检测和钢管裂纹检测等领域[]。此后,国内外众多学者对漏磁检测技术进行了深入的研究,研究内容主要集中在以下几个方面:
①基于磁偶极子模型和有限元法的缺陷漏磁场理论分析与建模;②漏磁场的激励方法与漏磁信号的传感方法;③缺陷尺寸、提离距离、磁化强度和检测速度等参数对漏磁信号的影响规律;④漏磁信号的反演与定量评估。在上述研究的基础上,漏磁检测理论与应用体系已基本建立。
随着当代科技的迅速发展,生产技术的变革与应用环境的变化对漏磁检测提出了许多新的挑战,在新需求的驱动下,漏磁检测方法与技术都取得了一些新的研究成果。对此,针对需求驱动下的漏磁检测发展进行综述,主要对速度驱动下的漏磁检测方法的发展进行总结。
1高速度驱动下的需求与挑战GB/T19830-2005标准规定钢管在出厂前必须进行全面检测。对于铁磁性材料的检测,漏磁检测法具有效率高、能同时检测内外缺陷和无需耦合剂等优势,因此钢管出厂前主要采用漏磁检测法进行检测。为了避免钢管堆积,保证生产的钢管能及时出厂,一般直接将漏磁检测作为钢管生产线中的最后一道工序,做到生产的同时进行在线检测。随着钢管生产效率的提升,钢管在生产线上的运行速度也逐渐增大,热轧钢管在经过冷床后速度大于3m·s1,在定径阶段速度高达8~18m·s1。常规漏磁检测方法的研究集中在低速和静态阶段,面对生产速度的提升,必须对高速漏磁检测进行更多研究。
漏磁法也可用于钢轨检测[口],通常将检测设备固定在检测车厢上,在列车的牵引下沿铁路运动完成扫查。在“高铁走出国门”的战略部署下,国内高铁网络里程数快速增加,高铁技术也得到迅猛发展,目前已投入使用的高铁运行时速高达80m·s1。在这样的速度下进行检测对漏磁法提出了新的挑战。另外,漏磁法也被用于矿井提升钢丝绳和电梯钢丝绳的检测ll-12],目前高速钢丝绳的运行速度高达8~20m·s1,也对漏磁检测提出了新的速度需求。
新的检测需求要求漏磁检测速度不断提升,在漏磁检测中,当工件和直流磁化器的相对运动速度大于3m·s1时,即认为是高速漏磁检测。在检测速度提升的同时,更多复杂的电磁效应也凸显出来,制约着检测速度的进一步提高。在前期的研究与实践中发现,漏磁检测速度的提升将导致检测信号的畸变,严重影响信号的一致性,甚至导致漏检。因此,需要对高速漏磁检测时的电磁效应与动态磁化机理进行深入分析,探究制约漏磁速度提升的根本原因,进而提出相应的解决方法,突破现有漏磁检测方法的速度瓶颈。
2磁化滞后效应对高速漏磁检测的影响2.1高速漏磁检测中的磁化滞后效应磁偶极子理论和漏磁试验结果都表明,缺陷漏磁场的大小与试件的磁化强度呈正相关[1],因此试件中磁场的建立是漏磁检测的前提。磁化过程是一个暂态响应的过程,根据楞次定律,钢材外部磁场发生突变时,其内部会形成涡流,并产生反向磁场阻碍内部磁场的建立,磁化滞后效应如图1所示(图中t为时间,H为磁场强度),当激励磁场在l。时刻发生突变时,试件中的磁场经过一定的响应时间以后才能达到稳定状态,该效应被称为磁化滞后效应。
在高速检测时,试件高速通过磁化器产生的磁场区域,其内部磁场还未达到稳定状态就已离开检测区域,导致漏磁检测信号产生畸变。
为了得到磁化滞后效应的具体响应时间,针对钢棒和钢管建立了如图2所示的理论计算模型。通过求解麦克斯韦方程,得到单匝线圈正弦激励时钢棒和钢管内的轴向磁场141],分别如式(1),(2)所示。
2.2高速漏磁检测中的动生涡流效应漏磁检测时,磁化器与被测试件之间发生相对运动,相对运动问题可分别从磁化器和试件2个参考系展开分析。当试件静止不动,磁化器在靠近试件到离开的过程中,相当于给试件施加了一个类似图3(a)所示的激励,磁化滞后效应使得试件的内部缺陷难以被检测到。目前,高速漏磁检测的研究更多在磁化器参考系中进行,即磁化器静止不动。试件在磁化器产生的磁场中运动时,产生动生涡流J=0v×B(3)式中:J为电流密度;v为试件运动速度,B为空间磁感应强度。
对于钢管,利用柱坐标将式(3)写为J。=0v.×B,(4)
通过有限元分析法可以得到钢管运动时的涡流分布(见图4)。在钢管进入和离开线圈的区域,由于径向磁场方向相反,涡流方向亦相反。根据式(4),在线圈轴向中心位置,由于磁场几乎没有法向分量,因此不会产生涡流。但从图4可以看出,在线
向位置。
对于方波激励,可通过傅里叶变换将激励信号分解为多个谐波信号的叠加,分别计算出磁场响应,再通过傅里叶逆变换得到磁场的时域响应。在图3(a)所示的激励下,由式(1)和(2)可以计算出钢棒和钢管内的磁场响应,分别如图3(b),(c)所示。
由图3可知,钢棒与钢管外表面的磁场都是先达到一个较高的值,再回到稳定状态,而内表面磁场则是缓慢增大,经过一定时间后达到稳态。根据材料属性的不同,这一过程大约需要几十至几百毫秒。杨理践等[]也对此进行了研究,通过有限元分析法对饱和磁场的建立过程进行了仿真,发现了钢管内壁磁场的变化明显滞后于激励磁场的变化,并分析了磁化强度和钢管材料对磁化滞后时间的影响。由此可知,在高速漏磁检测中,受磁化滞后效应影响,试件内部缺陷的信号幅值将减小,使缺陷变得难以检测。
圈轴向中心位置,钢管中仍有涡流。这是由于涡流在端部产生后,会发生扩散,扩散规律遵守控制方程式(5),趋于在管体中均匀分布,最终各点的局部涡流密度趋于0。式(5)中,扩散系数1/uo决定涡流耗散的速率,由于钢材具有较大的磁导率,在高速检测时,钢管在较短时间内从线圈端部运动到中间,涡流扩散过程还未结束,因此在中间区域的管壁内也存在部分涡流。
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