基于三維磁場(chǎng)的三軸漏磁管道缺陷檢測(cè)技術(shù)研究

基于三維磁場(chǎng)的三軸漏磁管道缺陷檢測(cè)技術(shù)研究

隨著石油、天然氣等能源需求的逐漸增加，管道作為最基本、最經(jīng)濟(jì)的能源運(yùn)輸方式之一的安全性越來(lái)越受到重視。長(zhǎng)久以來(lái),管道事故的發(fā)生多由管壁的金屬腐蝕和缺陷引起。管道漏磁檢測(cè)技術(shù)因不需要耦合、價(jià)格低廉等特點(diǎn),是目前應(yīng)用最廣泛也是最成熟的技術(shù)。然而根據(jù)漏磁場(chǎng)理論,檢測(cè)到的漏磁場(chǎng)信號(hào)與尺寸之間是復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系,這使得根據(jù)檢測(cè)到的漏磁場(chǎng)信號(hào)清晰識(shí)別缺陷尺寸成為難點(diǎn)。目前,針對(duì)這一問(wèn)題,主要有兩種解決方法,一種是提高傳感器分辨率,另一種是根據(jù)漏磁場(chǎng)三維特性,增加漏磁場(chǎng)檢測(cè)分量,用來(lái)判斷缺陷的類(lèi)型。三軸漏磁缺陷檢測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)軸向、徑向和周向三個(gè)方向的漏磁信號(hào)的檢測(cè),較多地反映了缺陷的信息,可較好地檢測(cè)軸向裂紋等缺陷類(lèi)型。1有漏磁的管壁缺陷檢測(cè)技術(shù)三軸漏磁檢測(cè)原理以漏磁檢測(cè)原理為基礎(chǔ),是利用永磁鐵將管壁飽和磁化,即由永磁鐵產(chǎn)生的磁力線(xiàn)通過(guò)鋼刷耦合進(jìn)入管壁,使磁鐵間的管壁達(dá)到磁飽和狀態(tài),并傳到另一鋼刷和永磁鐵,兩個(gè)永磁鐵之間由軛鐵連接,最終由永磁鐵、鋼刷、管壁和鐵心形成磁回路(圖1)。當(dāng)磁力線(xiàn)通過(guò)管壁時(shí),在管壁沒(méi)有缺陷的情況下,磁力線(xiàn)全部被束縛在管壁中,沒(méi)有漏磁的跡象。當(dāng)管壁有缺陷時(shí),由于磁力線(xiàn)經(jīng)過(guò)的管壁橫截面積變小,缺陷處空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于管壁本身,使得缺陷處磁阻變大,磁力線(xiàn)發(fā)生偏折,在缺陷處穿出形成漏磁場(chǎng)。在管壁缺陷處漏出的磁力線(xiàn)分別在軸向、徑向和周向方向上有對(duì)應(yīng)強(qiáng)度分布變化。三軸漏磁檢測(cè)技術(shù)將缺陷處形成的空間三維矢量場(chǎng)漏磁場(chǎng)分為軸向、徑向和周向分量,并在兩永磁鐵之間緊貼管壁處,放置三相正交霍爾傳感器,測(cè)量出缺陷漏磁場(chǎng)的軸向、徑向和周向漏磁分量,判定缺陷處三維漏磁場(chǎng),提高對(duì)特殊缺陷類(lèi)型和大小的判斷精度。當(dāng)有漏磁場(chǎng)產(chǎn)生時(shí),漏磁信號(hào)被霍爾傳感器檢測(cè)到,并利用霍爾原理產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)。缺陷漏磁場(chǎng)的形狀的形成與缺陷本身特點(diǎn)有關(guān),經(jīng)傳感器產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié),最終被記錄到存儲(chǔ)器中。缺陷處產(chǎn)生的漏磁信號(hào)反映出缺陷的信息,通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析,可推斷出缺陷的類(lèi)型和尺寸。三軸漏磁檢測(cè)技術(shù)通過(guò)檢測(cè)三個(gè)方向的漏磁信號(hào),較多地記錄了缺陷的信息。2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2.1檢測(cè)結(jié)果的分析三軸漏磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由被測(cè)鋼板和機(jī)械小車(chē)組成。其中機(jī)械小車(chē)主要由勵(lì)磁裝置、三相正交霍爾探頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。被測(cè)鋼板放置于水平地面上,并固定好,防止測(cè)量時(shí)因機(jī)械小車(chē)上的永磁鐵磁性較強(qiáng),對(duì)鋼板的吸力較大,使得推動(dòng)時(shí)連帶著被測(cè)鋼板一起移動(dòng),導(dǎo)致采集結(jié)果準(zhǔn)確度降低。在被測(cè)鋼板上刻有軸向裂紋和周向裂紋等類(lèi)型的缺陷。機(jī)械小車(chē)的檢測(cè)部分主要由永磁鐵、軛鐵和三軸漏磁探頭模塊組成。其中永磁鐵共分為兩排,每排6塊,共12塊,足以保證被測(cè)鋼板的飽和磁化,以達(dá)到最佳的檢測(cè)效果,每個(gè)三軸漏磁探頭和被測(cè)鋼板間放置有耐磨片。耐磨片承載探頭,并被固定于兩組永磁鐵之間,緊貼被測(cè)鋼板,使得三軸漏磁探頭被固定于兩組永磁鐵中軸線(xiàn)上,同時(shí)也防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探頭被損壞。三軸漏磁探頭通過(guò)引線(xiàn)連接至放大濾波電路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),最終連入計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖如圖2所示,圖中X、Y、Z分別代表三軸漏磁探頭檢測(cè)缺陷漏磁場(chǎng)后產(chǎn)生的相應(yīng)軸向、徑向和周向信號(hào)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到檢測(cè)數(shù)據(jù)后,利用數(shù)據(jù)采集處理軟件,描繪出采集到的感應(yīng)電信號(hào)的波形。同時(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析處理,確定缺陷的類(lèi)型和尺寸等。2.2主要結(jié)構(gòu)2.2.1鋼板厚度、厚度對(duì)缺陷的影響勵(lì)磁系統(tǒng)包括被測(cè)鋼板和機(jī)械小車(chē)上的勵(lì)磁裝置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中勵(lì)磁方式為軸向勵(lì)磁,其中被測(cè)鋼板選用X52鋼,厚度為7mm,鋼板上同一面分別刻有長(zhǎng)度和寬度相同、深度均為鋼板厚度的10%的軸向缺陷和周向缺陷,可用于正反面檢測(cè),用以試驗(yàn)檢測(cè)鋼板內(nèi)外傷。永磁體選用N45等級(jí)的銣鐵硼稀土永磁體。2.2.2相位性傳感器三軸漏磁探頭的每個(gè)探頭模塊由4組三相正交霍爾傳感器組成,每3個(gè)霍爾傳感器為一組。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理,當(dāng)磁場(chǎng)方向與電路方向垂直時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電信號(hào)最大。因此三相正交霍爾傳感器中的3個(gè)霍爾傳感器互相之間緊密相連,并分別垂直于管道軸向、管體表面徑向和管道周向,用于最大限度地檢測(cè)缺陷處三維漏磁場(chǎng)的軸向、徑向和周向分量,獲取更多的缺陷信息。三相正交霍爾傳感器制成后,在耐磨片上并排放置四組,用于同時(shí)測(cè)量多路信號(hào)。2.2.3機(jī)械小品脈沖信號(hào)的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括放大濾波電路和數(shù)據(jù)采集卡。三軸漏磁探頭由霍爾傳感器組成,霍爾傳感器輸出信號(hào)較微弱,容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和電路間信號(hào)的干擾。利用放大電路將輸出信號(hào)放大,同時(shí)通過(guò)低通濾波電路,去掉信號(hào)中摻雜的噪聲等干擾信號(hào),使最終采集到的信號(hào)變得清晰。其放大濾波電路圖如圖3所示。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大濾波后,由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集卡采用型號(hào)為UA301的12位盒式采集器,最高采樣頻率為100kHz。模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后,數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)中安裝有基于VB編制的數(shù)據(jù)采集處理軟件,可以通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)看到所采集數(shù)據(jù)的顯示波形。在機(jī)械小車(chē)前段,安裝有里程輪。當(dāng)機(jī)械小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí),里程輪也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng),并產(chǎn)生脈沖信號(hào)。這一脈沖信號(hào)經(jīng)由電路傳送給計(jì)算機(jī),并用數(shù)據(jù)采集處理軟件接收處理。通過(guò)設(shè)置,數(shù)據(jù)采集處理軟件上的顯示頁(yè)面會(huì)按照里程輪產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行定量的畫(huà)面顯示,當(dāng)里程輪處于靜止?fàn)顟B(tài),相應(yīng)的顯示界面也不再有數(shù)據(jù)波形顯示。3磁通密度的計(jì)算在進(jìn)行三軸漏磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)之前,利用有限元仿真軟件ANSYS對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行仿真分析,基于三軸漏磁理論分析,得出相應(yīng)仿真結(jié)果,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)和參考。建立三維有限元模型進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)仿真分析。ANSYS的分析過(guò)程包含三個(gè)步驟:前處理;求解;通用后處理。根據(jù)三軸漏磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備的材料屬性,為三軸漏磁檢測(cè)仿真模型中的材料建立材料屬性庫(kù),主要的仿真材料屬性如表1所示。根據(jù)仿真材料屬性,為三軸漏磁檢測(cè)建立ANSYS三維仿真模型。主要仿真部分為勵(lì)磁系統(tǒng)部分(圖4)。圖4中所示主要包括刻有缺陷的被測(cè)鋼板、永磁鐵和軛鐵。在ANSYS軟件中對(duì)仿真模型添加飽和磁化條件,并進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算。查看計(jì)算結(jié)果,得到磁通密度矢量分布圖如圖5所示。圖中可以清晰地看到三軸漏磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)勵(lì)磁系統(tǒng)部分的磁通密度分布。通過(guò)ANSYS仿真軟件,可以查看到勵(lì)磁系統(tǒng)不同角度和不同位置的磁場(chǎng)走勢(shì)和磁通密度,為三軸漏磁缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)和參考。4檢測(cè)出缺陷的長(zhǎng)度和深度圖6所示為缺陷處軸向漏磁信號(hào)的波形圖,根據(jù)電磁場(chǎng)原理,磁場(chǎng)在缺陷的軸向方向形成的漏磁場(chǎng)形狀為波峰型。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理,當(dāng)霍爾傳感器與漏磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)方向的分量相互垂直時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)的絕對(duì)值最大。因此,由霍爾傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)波形為波峰型,即在缺陷的軸向方向兩端為較陡的曲線(xiàn),在缺陷中間為波峰峰頂。在三軸漏磁檢測(cè)中,檢測(cè)到的軸向漏磁信號(hào)在波形變化的寬度上可以反映出缺陷的長(zhǎng)度,即缺陷在軸向方向上的尺寸。通過(guò)對(duì)軸向漏磁信號(hào)的幅度測(cè)量,其大小可以一定程度上反映出缺陷的深度。圖7所示為缺陷處徑向漏磁信號(hào)的波形圖,根據(jù)電磁場(chǎng)原理,磁場(chǎng)在缺陷的徑向方向形成的漏磁場(chǎng)形狀為波峰型。根據(jù)霍爾效應(yīng),檢測(cè)出的感應(yīng)信號(hào)波形理論上應(yīng)該為連續(xù)的波峰波谷型。檢測(cè)到的徑向漏磁信號(hào)在幅度上的測(cè)量,其大小可以一定程度上反映出缺陷的深度,通過(guò)峰峰值之間的距離的大小可以較清晰地反映出缺陷的長(zhǎng)度。通常在管道漏磁檢測(cè)中,徑向漏磁信號(hào)檢測(cè)效果一般較為清晰,檢測(cè)信號(hào)的波形對(duì)于缺陷長(zhǎng)度和深度的判斷提供了較好的依據(jù)。圖8所示為缺陷處周向漏磁信號(hào)的波形圖,根據(jù)電磁場(chǎng)原理,缺陷處的漏磁場(chǎng)周向分量很少,因此,檢測(cè)到的信號(hào)相比于軸向、徑向信號(hào)微弱。缺陷處漏磁場(chǎng)周向分量的相應(yīng)檢測(cè)信號(hào)波形的形成原理與軸向漏磁信號(hào)相似,形成的漏磁場(chǎng)周向分量對(duì)應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)的波形為波峰型,但波形幅值應(yīng)比軸向漏磁信號(hào)小。在三軸漏磁檢測(cè)中,檢測(cè)到的周向漏磁信號(hào)的最大特點(diǎn)是在波形變化的寬度上可以反映出缺陷的寬度,即缺陷在周向方向上的尺寸,這一點(diǎn)對(duì)于軸向裂紋等特殊類(lèi)型的缺陷具有較好的檢測(cè)作用。通過(guò)對(duì)周向漏磁信號(hào)的幅度測(cè)量,并與軸向漏磁信號(hào)和徑向漏磁信號(hào)的幅度大小相結(jié)合,可以一定程度上反映出缺陷的深度。5缺陷檢測(cè)原理及檢測(cè)方向軸向裂紋等類(lèi)型缺陷在軸向勵(lì)磁下形成的漏磁場(chǎng)較為特殊,檢測(cè)難度較大