楊理踐，張森林，高松巍

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

管道鋪設(shè)在地下或海底，難以直接檢測(cè)，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(shí)有發(fā)生［1］。所以合理、高效的油氣管道檢測(cè)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(cè)的管道內(nèi)檢測(cè)方法［2－3］。其工作機(jī)理是將檢測(cè)設(shè)備送入管內(nèi)，設(shè)備沿管道內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)存儲(chǔ)結(jié)果，通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理以描述管道狀況。漏磁檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)的前提是待測(cè)管道的磁化程度要達(dá)到磁飽和的80%左右。如果管道沒(méi)有達(dá)到近磁飽和的程度，那么在缺陷較小的管壁處將不會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)的漏磁信號(hào)。近年來(lái)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(shí)選用的鋼材管壁厚度要遠(yuǎn)超過(guò)油氣管道的壁厚。帶來(lái)的問(wèn)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(yuǎn)小于磁飽和水平的狀態(tài)，造成缺陷不可檢。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，筆者研制了一種鋼板漏磁檢測(cè)裝置，用它檢測(cè)厚度不同的鋼板，以模擬檢測(cè)管道的情況，并通過(guò)試驗(yàn)得出了磁飽和程度對(duì)漏磁信號(hào)的影響規(guī)律，粗略地判斷出以N45等級(jí)的釹鐵硼永磁鐵為磁源的漏磁檢測(cè)裝置可以對(duì)小于20mm厚的管壁實(shí)現(xiàn)近飽和磁化的能力。

1 漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)原理是利用鐵磁材料的高磁導(dǎo)率特性，通過(guò)測(cè)量鐵磁材料中由于存在缺陷而引起的磁導(dǎo)率變化來(lái)檢測(cè)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(wú)缺陷。檢測(cè)時(shí)永磁鐵將待測(cè)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(guò)。若管壁上有缺陷存在，那么當(dāng)管壁達(dá)到近飽和磁化狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)缺陷處的磁力線有一部分仍然會(huì)在磁回路中通過(guò)，但會(huì)有少量磁力線在缺陷處發(fā)生畸變，繞過(guò)缺陷邊緣泄露到管壁外，在周圍的空氣中形成漏磁場(chǎng)。采用兩組探頭分別測(cè)量有缺陷管壁和無(wú)缺陷管壁，安裝有磁敏元件的檢測(cè)探頭被固定在磁化裝置的軟鐵上，檢測(cè)時(shí)探頭隨磁化裝置的行進(jìn)達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的。探頭經(jīng)過(guò)無(wú)缺陷的管壁時(shí)，因沒(méi)有漏磁通變化，所以輸出電壓不變；經(jīng)過(guò)有缺陷的管壁時(shí)，缺陷導(dǎo)致電壓變化，達(dá)到探傷的目的［5］，而后通過(guò)對(duì)漏磁信號(hào)的分析即可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)缺陷。

圖1 管道漏磁檢測(cè)原理

2 漏磁檢測(cè)裝置的研制

2.1 漏磁檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

鋼板缺陷漏磁檢測(cè)裝置由磁化系統(tǒng)、檢測(cè)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(jiàn)圖2。在研發(fā)該試驗(yàn)裝置前做了鋼板局部磁飽和漏磁檢測(cè)可行性試驗(yàn)，通過(guò)分析得出如果鋼板無(wú)限大，在磁路設(shè)計(jì)合理的情況下，鋼板的待測(cè)區(qū)域仍然可以達(dá)到磁飽和狀態(tài)，為漏磁檢測(cè)所要求的局部磁場(chǎng)飽和條件提供了理論依據(jù)。

檢測(cè)裝置的工作過(guò)程是：利用設(shè)計(jì)好的12塊對(duì)稱分布的釹鐵硼永磁體作為勵(lì)磁源，將鋼板磁化到近飽和狀態(tài)。磁力線通過(guò)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(chǎng)并將輸出的電信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集模塊，在顯示器上顯示波形信息。試驗(yàn)裝置組圖如圖3所示。

圖2 漏磁檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖

圖3 鋼板缺陷漏磁檢測(cè)試驗(yàn)裝置

2.2 磁化系統(tǒng)

磁化系統(tǒng)由勵(lì)磁源和軛鐵組成。永磁體是鋼板達(dá)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(dǎo)磁性好的低碳鋼。雖然永磁鐵和電磁鐵都可以作為勵(lì)磁裝置的勵(lì)磁源，但是電磁鐵使用時(shí)需要外接電源，對(duì)于本套設(shè)備來(lái)說(shuō)電磁鐵不能滿足安全性和便捷性的需求。通過(guò)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(lì)磁源。它具有磁性強(qiáng)、質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)，是一款適合試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shuō)明的是，勵(lì)磁裝置尺寸要小于待測(cè)鋼板的尺寸，不能一次均勻磁化整塊鋼板，而是僅對(duì)一部分區(qū)域?qū)嵭芯植看呕?/p>

2.3 檢測(cè)探頭

檢測(cè)探頭主要由基座和磁敏元件構(gòu)成?；脕?lái)固定和保護(hù)磁敏元件，磁敏元件用來(lái)采集磁信號(hào)并以電信號(hào)形式輸出。磁敏元件的種類包括霍爾傳感器、感應(yīng)線圈、磁敏二極管、磁通門傳感器等，它們都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。霍爾傳感器SS494A具有靈敏度高的特點(diǎn)，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，因此選用其作為漏磁檢測(cè)傳感器。按照特別設(shè)計(jì)制作了霍爾傳感器探頭。為了保證檢測(cè)靈敏度，設(shè)計(jì)時(shí)將霍爾傳感器緊貼在耐磨基座上并進(jìn)行了封裝。檢測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 檢測(cè)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(guò)USB口連接計(jì)算機(jī)。采集卡采用UA301盒式采集器。檢測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)噪聲以及檢測(cè)過(guò)程中引入的多成分噪聲對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響較大，同時(shí)漏磁信號(hào)較為微弱，所以傳感器電壓變化小，如果不對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理，那么漏磁信號(hào)將湮沒(méi)在噪聲中，無(wú)法有效識(shí)別。因此需要對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波放大，達(dá)到降低和消除干擾目的，以提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比。

2.5 顯示模塊

檢測(cè)時(shí)顯示器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示波形信息。經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)顯示的徑向信號(hào)如圖5所示。

圖5 檢測(cè)裝置通過(guò)缺陷時(shí)的徑向信號(hào)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(gè)脈沖，系統(tǒng)接收到脈沖信號(hào)后進(jìn)行一次測(cè)量。輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大器后送到UA301數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)以數(shù)字量的形式送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并存入硬盤。試驗(yàn)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(shí)要保證所顯示的兩路信號(hào)對(duì)應(yīng)的霍爾傳感器經(jīng)過(guò)缺陷。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

準(zhǔn)備4塊長(zhǎng)度為1000mm，寬度為500mm，厚度分別為7，10，15，20mm的20號(hào)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(zhǎng)100mm，寬1mm，深度分別為壁厚的10%。利用鋼板漏磁檢測(cè)設(shè)備分別檢測(cè)上述四塊有缺陷的鋼板。

3.1 鋼板厚度與信號(hào)幅值關(guān)系

試驗(yàn)是在磁化裝置確定的情況下，采用改變鋼板厚度的方式來(lái)分析磁場(chǎng)不飽和、缺陷不再可檢的狀態(tài)。試驗(yàn)并未采取固定鋼板厚度，改變勵(lì)磁強(qiáng)度的試驗(yàn)方案有兩點(diǎn)原因：一是隨著永磁鐵勵(lì)磁強(qiáng)度的增大，永磁鐵和鋼板之間的磁吸力F會(huì)顯著增大，磁吸力H的增大會(huì)使檢測(cè)設(shè)備在鋼板上的活動(dòng)能力變得很差（F與H 為平方關(guān)系）；二是永磁鐵磁化強(qiáng)度的設(shè)計(jì)是有固定量值的，選擇一組磁化強(qiáng)度呈數(shù)學(xué)遞增關(guān)系的永磁鐵十分困難。

對(duì)人工裂紋的檢測(cè)結(jié)果為：7mm鋼板上檢測(cè)所得徑向信號(hào)的電壓絕對(duì)值為200mV，軸向信號(hào)電壓為180mV；10mm鋼板上檢測(cè)所得徑向信號(hào)的電壓絕對(duì)值為160mV，軸向信號(hào)電壓為120mV；15mm鋼板檢測(cè)所得徑向信號(hào)電壓絕對(duì)值為60mV，軸向信號(hào)電壓絕對(duì)值為40mV；20mm鋼板上徑向、軸向信號(hào)均沒(méi)有檢測(cè)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(hào)的絕對(duì)值都有減小的趨勢(shì)，對(duì)20mm板檢測(cè)時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到缺陷處的漏磁信號(hào)。

為了獲得缺陷處漏磁場(chǎng)的實(shí)際大小，應(yīng)用特斯拉計(jì)在待測(cè)鋼板缺陷的反面測(cè)量漏磁場(chǎng)強(qiáng)度。測(cè)量結(jié)果為：7mm鋼板反面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為21mT，10mm鋼板磁場(chǎng)強(qiáng)度為15mT，15mm鋼板磁場(chǎng)強(qiáng)度為5mT，20mm鋼板磁場(chǎng)強(qiáng)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(shuō)明了勵(lì)磁強(qiáng)度相同時(shí)，鋼板厚度增加到一定值時(shí)就不能被磁飽和，待測(cè)鋼板缺陷處的漏磁顯著減小直到為0，即是待測(cè)鋼板被磁化區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度由飽和狀態(tài)變成了非飽和狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，勵(lì)磁強(qiáng)度固定時(shí)，當(dāng)鋼板厚度達(dá)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(chǎng)沒(méi)有飽和，也就沒(méi)有漏磁場(chǎng)產(chǎn)生，造成無(wú)法利用漏磁原理來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。

圖6 漏磁場(chǎng)與信號(hào)幅值關(guān)系曲線

3.2 其他因素與信號(hào)幅值的關(guān)系

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探頭位置與信號(hào)幅值的大小有一定關(guān)系。檢測(cè)探頭逐漸遠(yuǎn)離缺陷位置則信號(hào)幅值減小，尤其在小提離值變化時(shí)信號(hào)幅值的變化非常大。為了保證信號(hào)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確性，檢測(cè)時(shí)探頭緊貼在待測(cè)鋼板表面，裝置沒(méi)有安裝動(dòng)力系統(tǒng)，而采取人工推動(dòng)的方式工作，人工推動(dòng)的問(wèn)題是不能保證設(shè)備勻速運(yùn)行。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以較快速度經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，信號(hào)的周期稍??；慢速經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，信號(hào)的周期稍大，但兩者的幅值一致，因此檢測(cè)速度對(duì)漏磁信號(hào)的影響不大。

4 有限元仿真分析

通過(guò)仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼板厚度增加造成的磁場(chǎng)不飽和現(xiàn)象。漏磁檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)主要由勵(lì)磁單元和探測(cè)單元組成。應(yīng)用ANSYS對(duì)該設(shè)備進(jìn)行三維有限元模型仿真分析，有限元模型見(jiàn)圖7。勵(lì)磁部分由永磁體、軛鐵、鋼板及磁化間隙構(gòu)成一個(gè)完整閉合的磁回路；探測(cè)部分主要是霍爾傳感器。

圖7 鋼板漏磁檢測(cè)設(shè)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(dǎo)率設(shè)為1，鋼板為厚度不同的20號(hào)鋼。仿真計(jì)算時(shí)，在圖7模型的基礎(chǔ)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(shí)，沿鋼板缺陷切向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖8所示。通過(guò)圖8可看出，這一簇曲線在形狀上有一個(gè)明顯的“單駝峰”的凸起，同時(shí)可以看出，鋼板厚度從7mm增加到20mm時(shí)，缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值絕對(duì)值（即波峰值與水平值的差）從70mT下降到大約25mT，與試驗(yàn)結(jié)論一致。

圖8 切向磁通密度分布曲線

5 結(jié)語(yǔ)

以N45等級(jí)永磁鐵為磁源的鋼板漏磁檢測(cè)設(shè)備能夠檢測(cè)出20mm以下鋼板10%深的缺陷。隨著鋼板厚度的增加，在勵(lì)磁源強(qiáng)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(diǎn)。

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