王學(xué)增，戴 光，趙 天，任 毅

（1.中國石油大慶石化分公司，大慶 163000；2.東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318）

1 檢測原理

在20世紀80年代末，俄羅斯學(xué)者拉谷洛夫最早在電機研究中提出了復(fù)合勵磁方式。隨后俄羅斯、美國與日本等國先后完成了基于混合勵磁的電機研制［1－2］。復(fù)合勵磁漏磁檢測原理為：以直流電勵磁源和永久磁鐵勵磁源相結(jié)合作為復(fù)合勵磁勵磁源，用以磁化被檢測的工件；當被測工件上有裂紋或腐蝕等缺陷時，磁力線在缺陷處會發(fā)生畸變；用特定的傳感器采集被測工件所產(chǎn)生的漏磁場；通過計算機匯編程序顯示被測工件的完整性。串聯(lián)復(fù)合勵磁漏磁檢測為直流電勵磁磁路與永久磁鐵勵磁磁路相串聯(lián)的漏磁檢測。當被測試件表面或近表面沒有缺陷時，磁力線大部分從試件內(nèi)部通過；當被測試件表面存在缺陷時，其中一部分磁力線從試件內(nèi)部通過，一部分在缺陷處溢出試件表面，形成漏磁場［3－4］。在磁化過程中，如果被測工件厚度小于等于8mm，由永久磁鐵作為勵磁結(jié)構(gòu)的勵磁源；如果被測工件厚度大于8mm，由永久磁鐵和直流電磁鐵所構(gòu)成的復(fù)合勵磁源作為勵磁結(jié)構(gòu)的勵磁源，圖1為復(fù)合勵磁磁化過程框圖。

圖1 復(fù)合勵磁磁化過程框圖

以線圈纏繞在銜鐵上的串聯(lián)復(fù)合勵磁漏磁檢測模型為研究對象，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對該模型進行仿真模擬。為了應(yīng)用race命令建立線圈作為電磁激勵載荷，采用8節(jié)點的solid96單元作為有限元分析的單元類型。采用映射網(wǎng)格將模型劃分成規(guī)則的六面體若干份，可有效控制模型中各部分的網(wǎng)格精度，保證較高的計算精度［5］。采用race命令，在銜鐵上建立跑道型線圈以作為直流電勵磁的載荷，由于模型為單連通鐵區(qū)，所以采用DSP法對模型進行求解計算，通過軟件的計算求解，得出復(fù)合勵磁磁感應(yīng)強度云圖。圖2為復(fù)合勵磁磁化結(jié)構(gòu)云圖和缺陷處漏磁場云圖，由于race命令建立的線圈為虛擬載荷而并非實體建模，雖然電流載荷參數(shù)參與了計算，但在計算結(jié)果的云圖上并不能顯示出電流載荷。

圖2 復(fù)合勵磁磁化結(jié)構(gòu)云圖和缺陷處漏磁場云圖

提取缺陷上方高度1mm，且與高度方向垂直的多個路徑點，改變安匝數(shù)大小，擬合不同安匝數(shù)對水平和豎直方向的磁感應(yīng)強度B的影響。圖3為水平方向和豎直方向的磁感應(yīng)強度分量擬合圖。從圖中可以清晰地看到，提高安匝數(shù)時，水平和豎直方向的磁感應(yīng)強度都有一定程度的提高，由此驗證了復(fù)合勵磁思想在漏磁檢測領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

圖3 磁感應(yīng)強度水平、豎直方向的分量擬合圖

2 串聯(lián)復(fù)合勵磁漏磁檢測儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

以行進方向與磁化方向為同一個方向，將線圈纏繞在銜鐵上，與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用構(gòu)成復(fù)合勵磁勵磁源［6］。整體磁化結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中包括驅(qū)動手柄、數(shù)據(jù)采集單元、支撐護板和行走單元等。數(shù)據(jù)采集單元采用13通道高靈敏度的霍爾傳感器，并將其水平排列，掃描寬度為130mm。傳感器盒上方安裝錐形彈簧，防止傳感器盒碰到平板上的焊疤等障礙物時受到硬性破壞［7］。為防止提升螺栓與漆包線發(fā)生刮蹭，在銜鐵和提升螺栓中添加尼龍?zhí)淄病ＴO(shè)計數(shù)據(jù)采集卡選用PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，動態(tài)采集缺陷漏磁場分量及傳感器位移信息；在采集卡上可對信號進行預(yù)處理，濾除噪聲信號，放大缺陷信號。觸屏式計算機用于波形實時顯示、數(shù)據(jù)返放及存儲。

圖4 復(fù)合勵磁漏磁檢測儀結(jié)構(gòu)

3 試驗結(jié)果和分析

使用直流電池和永久磁鐵共同作為勵磁源，添加200 W 滑動變阻器以調(diào)節(jié)直流電磁路的電流大小，在磁路中加入開關(guān)以控制直流電磁路的開關(guān)，采用最高支持16通道的工控機對漏磁信號進行數(shù)據(jù)的采集、返放等功能，利用之前設(shè)計的磁化結(jié)構(gòu)，組建復(fù)合勵磁漏磁檢測系統(tǒng)，圖5為復(fù)合勵磁漏磁檢測系統(tǒng)的實物照片。

圖5 復(fù)合勵磁漏磁檢測系統(tǒng)

利用如圖5所示的復(fù)合勵磁漏磁檢測系統(tǒng)進行試驗。以6，8，10 mm 的Q235 鋼板 為對象，在鋼板表面預(yù)先制作深度為20%，40%，60%，80%板厚的缺陷，分別通入電流0，2，4，6，9A，對被測鋼板進行磁化，讓復(fù)合勵磁漏磁檢測儀在相同的4個缺陷上方通過，最后保存所采集的數(shù)據(jù)文件。返放所采集的數(shù)據(jù)文件，圖6（a）為永久磁鐵勵磁作用下，不同深度缺陷處的漏磁信號波形，圖6（b）為復(fù)合勵磁作用下，不同深度缺陷處的漏磁信號波形。從圖6 中可以明顯看出，復(fù)合勵磁作用下的缺陷漏磁場信號比永久磁鐵勵磁作用下的缺陷漏磁信號要強。

圖6 永磁勵磁和復(fù)合勵磁漏磁信號波形

由于每次數(shù)據(jù)采集時的基線不一樣，所以統(tǒng)一選取第一次數(shù)據(jù)采集的基線為標準，把剛采集的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Origin數(shù)據(jù)擬合軟件中，擬合上述幾種情況下的峰值。圖7 分別為6，8，10mm鋼板上深度為80%板厚的缺陷的磁感應(yīng)強度B峰值與基線的差值擬合曲線，從圖7可以看出，在對6，8mm 鋼板的試驗中，隨著通入電流的增加，峰值和基線之間的差值也在不斷增加；而從對10 mm鋼板的試驗中可以看出，通入6，9A 電流時，峰值和基線的差值沒有變化，證明10mm 的鋼板沒有被磁化飽和。

圖7 不同厚度鋼板缺陷處B 峰值與基線的差值擬合曲線

4 結(jié)論

（1）通入電流的大小會對缺陷處漏磁場的空間分布有影響，主要表現(xiàn)在其能改變?nèi)毕萋┐判盘柕姆逯蹬c基線值的差值。當通入直流電的電流增大時，直流電勵磁回路的安匝數(shù)增大，復(fù)合勵磁整體磁路的勵磁強度得到增強。

（2）缺陷的幾何尺寸對缺陷處漏磁場的空間分布有影響，主要表現(xiàn)在缺陷的深度對缺陷處漏磁場的影響。隨著缺陷深度的增加，缺陷處的磁力線的畸變程度增大，缺陷上方漏磁場有所增強。

（3）被測鋼板的板厚對鋼板的磁化飽和程度有影響，隨著被測鋼板板厚的增加，鋼板的磁路變寬，鋼板越不容易被磁化飽和，鋼板的磁化飽和程度也就會降低。

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