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        管道漏磁內(nèi)檢測裂紋缺陷仿真與實驗研究

        2020-12-30 06:21:50楊理踐梁成壯高松巍
        遼寧石油化工大學學報 2020年6期
        關鍵詞:漏磁磁化磁通

        楊理踐,梁成壯,高松巍,劉 斌

        (沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院,遼寧沈陽110870)

        漏磁內(nèi)檢測是油氣管道安全檢測的主要技術,國內(nèi)高校、科研院所等對檢測裝置的研發(fā)已經(jīng)達到國際先進水平。裂紋缺陷是對各種長輸油氣管道機械性能影響較大的一種缺陷[1-3],漏磁檢測原理說明了鐵磁性管道裂紋缺陷的可檢性與磁化方向的關系,以及裂紋缺陷可檢性與磁化強度的關系,漏磁檢測技術先進裝置采用不同磁化方向解決裂紋缺陷識別問題[4-5]。H.M.Kim 等[6]、吳德會等[7]利用實測缺陷信號對軸裂紋進行估算和整形,通過周向勵磁,對軸向定向裂紋進行了三維有限元分析,估算了缺陷形狀。廖昌榮等[8]、J.Haueisen 等[9]建立了V型裂紋漏磁場解析模型,得出了平板鐵磁構件表面指定探測點的漏磁場理論表達式,經(jīng)理論分析得出了裂紋漏磁場分布曲線特征以及漏磁場空間形態(tài)規(guī)律,為缺陷的幾何參數(shù)評估建立了一定的理論基礎。國內(nèi)外對裂紋漏磁場進行了大量的研究,裂紋方向性對漏磁場的影響仍是管道漏磁內(nèi)檢測中需要研究的重要問題[9]。

        本文基于管道漏磁內(nèi)檢測原理,研究了裂紋漏磁信號分布規(guī)律,對管道裂紋不同分布角度的檢測結構進行了有限元仿真分析;搭建實驗平臺,運用高速霍爾傳感器采集裂紋與磁化方向不同角度時的漏磁信號,采用直流電磁鐵軸向勵磁,針對最小角度可識別的裂紋缺陷以及管道漏磁內(nèi)檢測裂紋缺陷對漏磁檢測信號的影響進行了實驗驗證。

        1 管道漏磁檢測基本理論

        管道漏磁內(nèi)檢測具有精準、便捷等優(yōu)點,為目前最有效的管道安全檢測方法之一。國內(nèi)外學者對漏磁檢測技術研究較為深入,從理論到工程應用建立了較為完善的漏磁檢測系統(tǒng)。

        1.1 管道漏磁內(nèi)檢測原理

        鐵磁性材料管道被磁化后,管道內(nèi)部不存在缺陷時,磁感線管道內(nèi)部平行均勻通過,理想情況下泄漏的磁通基本為0[10]。管道與空氣磁導率不同,管道存在裂紋時,磁感應線會優(yōu)先通過磁導率較高的管道部分,迫使相當一部分磁感應線形成壓縮,管道可以容納的磁感應線數(shù)量有限,同性的磁感應線之間會相互排斥,一定數(shù)量的磁感應線從裂紋缺陷位置穿出,進入空氣形成漏磁通,在繞過缺陷位置后大部分的磁感應線又會回到管道內(nèi)部,形成漏磁場,通過磁敏元件采集漏磁場信號的變化來確定裂紋等缺陷程度,利用麥克斯韋方程有限元法和計算機輔助來求解漏磁場分布[11-12],管道漏磁內(nèi)檢測器結構與管道組成近似閉合的磁路。管道漏磁內(nèi)檢測原理結構如圖1 所示。

        檢測器經(jīng)過垂直于磁化方向?qū)挾葹長 mm 的裂紋時,檢測的等效裂紋寬度最小。假設實際裂紋寬度為L mm,當裂紋與磁化方向成角度a 時,檢測器移動方向和磁化方向都不變,此時檢測的等效裂紋寬度為L/sina mm;當裂紋等缺陷與在磁化磁場強度和裂紋的深度都不變時,如果裂紋與磁化方向角度逐漸增加即檢測等效長度逐漸增加,則對漏磁場產(chǎn)生影響,檢測到的漏磁場信號逐漸變得不明顯。工程中裂紋取向不定,對裂紋缺陷的識別尤為重要。

        實驗中采用直流電磁鐵,通過改變電流控制磁場大?。ù呕瘡姸龋?,利用特斯拉計測得與永磁場相同大小的磁化場,模擬工程環(huán)境,完成相應的實驗驗證。

        1.2 裂紋漏磁場理論

        有限元分析漏磁場形成原理。對于等效電流密度J 在磁導率為μ 的介質(zhì)中形成的磁場強度與磁感應強度之間的關系,根據(jù)麥克斯韋方程組及磁通連續(xù)性原理與全電流定律可得[10]:

        式中,H 為磁場強度矢量,A/m;B 為磁通密度矢量,Wb/m2;J 為等效電流密度,A/m2;μ 為 材 料 的磁導率,H/m;?為哈密算子。

        根據(jù)磁介質(zhì)邊界條件可知,法線方向上的磁通密度和切線方向上的磁場強度連續(xù):

        式中,B1n、B2n分別為介質(zhì)交界處分界面兩端法向磁感應強度,T;H1t、H2t分別為介質(zhì)分界面兩端切向磁場強度,A/m。

        加入邊界條件:磁感應強度法向連續(xù),磁場強度切向連續(xù),引入矢量磁位A:

        由式(1)、(2)、(3)、(5)可得到控制方程:

        管道是關于軸對稱的幾何結構,矢量磁位A 只有一個分量,庫倫規(guī)范為:

        由恒等式?×?×A=?(?·A)-?2×A,式(6)可改寫為:

        在管道結構對稱的幾何條件下,選用圓柱坐標系(r,θ,z),A=A(r,z)e0,其中,e0為θ 方向的單位矢量,則方程(8)可以表示為:

        可以求得磁通密度的兩個分量為:

        式中,Br為磁通密度的徑向分量,Wb/m2;Bz為磁通密度軸向分量,Wb/m2。

        2 管道裂紋不同角度仿真分析

        磁化方向與裂紋取向之間的角度對裂紋缺陷漏磁檢測信號識別影響較大,采用有限元仿真方式對不同裂紋角度漏磁信號進行分析,得到裂紋漏磁場信號分布情況,對裂紋漏磁中信號分布規(guī)律進行研究。

        2.1 管道不同角度裂紋仿真結構

        運用Comsol 仿真軟件,對永磁勵磁管道外不同角度裂紋檢測結構分別進行仿真分析,對永磁軸向勵磁不同角度裂紋三維結構裝置進行直流電磁勵磁等效分析,建立直流電磁鐵仿真結構模型。在電磁等效永磁勵磁管道檢測結構中,管道的長度為600 mm,厚度為15 mm,裂紋寬度為0.2 mm,裂紋深度為壁厚的10%,裂紋缺陷位于磁化器的中心位置且裂紋與磁化方向的角度分別為90°、60°、45°、30°、25°、0°,磁敏元件(高速霍爾傳感器)置于管道內(nèi)壁表面1 mm 處,構成檢測裝置。管道直流電磁勵磁結構如圖2 所示。圖2 中,磁化場大小可通過線圈電流大小控制,磁化方向為軸向,磁極性由電流方向決定。

        2.2 管道不同角度裂紋對漏磁信號的影響

        仿真分析管道裂紋角度的漏磁場分布規(guī)律。工程檢測中磁飽和狀態(tài)下無缺陷管道表面磁通密度約為10 mT,對工程數(shù)據(jù)進行仿真,利用有限元軟件選擇電磁勵磁結構,采用2 000 匝線圈通直流電2.5 A 產(chǎn)生的恒定電磁場進行磁化,軸向勵磁方式,對管道10%深度不同角度0.2 mm 裂紋進行仿真分析。管道不同角度裂紋結構圖及三維磁通能量圖如圖3 所示。

        由于線圈磁化器將管道均勻磁化至飽和,在圖3 中可以看出磁化方向與裂紋的角度(裂紋角度,下同)在磁化區(qū)域的能量分布關系。其中,z 軸為管道的軸向方向,x 軸為管道的徑向方向,y 軸為管道的周向方向,圖例磁化器磁化管道強度為1.5 T。

        由圖3 可以看出,當裂紋角度為90°時,傳感器經(jīng)過裂紋的有效寬度最小,產(chǎn)生的漏磁場強度最大,漏磁場顏色最深;當裂紋角度為30°~60°時,傳感器經(jīng)過的有效距離變長(與裂紋角度為90°的情況相比),相當于裂紋的寬度變大,漏磁場的強度變小,漏磁場顏色較淺但仍比較明顯,仍處于可檢測狀態(tài);當裂紋角度為25°時,漏磁場顏色更淺,其漏磁場很弱;當裂紋角度為0°時,磁通密度幾乎無變化,在此情況下無漏磁場,檢測器檢測不到有效信號。

        管道裂紋處由于管壁變薄,磁通密度變大,顏色相對比無缺陷處要深,最大處達1.6 T 左右;隨著裂紋角度的變小,磁通密度顏色逐漸變淺,漏磁場強度逐漸減弱。

        2.3 管道不同裂紋角度仿真結果分析

        不同取向裂紋漏磁檢測數(shù)據(jù)見表1。表中,Bxm為裂紋漏磁信號的軸向分量峰值;Bym為裂紋漏磁信號的徑向分量峰值與谷值差;θ 為鋼板裂紋與磁化方向的角度即裂紋角度,(°);L 為漏磁檢測信號的變化寬度,mm。

        表1 不同取向裂紋漏磁檢測數(shù)據(jù)

        由 表1 可 以 看 出,當裂紋角度為90°時,Bxm為69.953 mT,Bym為70.535 mT,檢測效果最佳;裂紋角度為45°時,Bxm和Bym相對于90°時減小且信號寬度增加1.3 mm,這是由于所檢測裂紋的有效寬度變大,且檢測信號有效寬度與裂紋實際寬度呈比例關系;裂紋角度為30°時,Bxm相對于90°時相差近40 mT,Bym相差近25 mT,裂紋角度為25°時裂紋漏磁場強度極其微弱,與噪聲信號相差5 mT 左右,幾乎檢測不到有效的漏磁信號;裂紋缺陷與軸向磁化方向平行時檢測信號小于噪聲信號,可視為沒有漏磁信號產(chǎn)生。

        3 實驗與結果分析

        為驗證仿真結果,搭建了漏磁檢測實驗平臺,在鋼板試件上對裂紋缺陷進行實驗,對仿真結果進行驗證。

        3.1 實驗裝置

        采用線切割技術,在鋼板上依次刻上不同角度的0.2 mm 裂紋缺陷,模擬工程裂紋,進行拖拉實驗驗證檢測能力。試件鋼板通過檢測器直流電磁鐵磁化至飽和,利用漏磁檢測傳感器(霍爾傳感器)采集漏磁信號,經(jīng)過A/D 信號轉(zhuǎn)換處理,由計算機分析并存儲數(shù)據(jù),在上位機顯示檢測結果。不同角度裂紋漏磁檢測拖拉實驗平臺模型如圖4 所示。圖中使用頻率為1 kHz 的探頭采集漏磁信號。

        3.2 結果分析

        鋼板厚度為15 mm;鋼板上裂紋長度為70 mm,寬度為0.2 mm,深度為管壁的10%;磁化方向為軸向磁化。傳感器在管道內(nèi)壁上方的提離距離為1 mm 時平穩(wěn)移動長度為60 mm,采樣頻率為1 kHz,步長約為1 mm。裂紋角度分別為90°、60°、45°、30°、25°、0°時,裂紋的漏磁信號軸向分量Bx和漏磁信號徑向分量By與裂紋角度的關系如圖5 所示。

        由圖5(a)可見,Bx的極性為正且變化較為平緩;磁敏元件檢測時θ 發(fā)生了變化,隨著裂紋角度的減小,有效路徑變大,裂紋寬度變大;裂紋角度為30°時Bx的峰值約為35 mT;裂紋角度為90°時Bx的峰值約為60 mT;裂紋角度為25°時Bx約為18 mT,與噪聲信號相差5 mT 以內(nèi),突變情況與檢測噪聲無法區(qū)分;當裂紋角度減小時Bx的跨度變大,背景噪聲信號增加。

        由圖5(b)可以看出,By的峰值與谷值差隨著裂紋角度的減小而減小,兩者存在一定的比例關系;當裂紋角度為90°時,By的峰值與谷值差為60 mT左右,且By的極性為先負后正;當裂紋角度為60°時,By的峰值與谷值差為40 mT 左右;當裂紋角度為25°時,信號很微弱,大約只有5 mT,是裂紋角度為90°時的1/12;當裂紋角度為0°時,By在裂紋處趨于平緩,幾乎無幅值突變情況產(chǎn)生,管道裂紋的漏磁信號極弱,無法檢測缺陷。在工程中檢測信號噪聲不可避免,對于單一軸向勵磁條件,裂紋檢測對寬度≥0.2 mm、深度≥10%的裂紋只能識別裂紋角度大于25°的裂紋缺陷,裂紋角度小于25°的裂紋缺陷無法準確識別,實驗結果與仿真結果相吻合。

        4 結 論

        通過仿真與實驗結合的方法,研究了管道漏磁內(nèi)檢測中裂紋角度對漏磁信號的影響。結果表明,勵磁強度為2.5 A 電流提供的磁場強度可以有效檢測漏磁場;裂紋角度為90°時漏磁信號最大;可檢最小裂紋角度為25°,當裂紋角度小于25°時,裂紋的漏磁場極其微弱,以至檢測不到有效信號;在裂紋角度為25°~90°時,裂紋角度越小漏磁信號跨度越大,噪聲信號越大。

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