高速度驅(qū)動(dòng)下漏磁檢測(cè)面臨的新挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)的新方法

漏磁檢測(cè)是一種高效率、高可靠性的無(wú)損檢測(cè)方法，能對(duì)鐵磁性材料的內(nèi)、外缺陷進(jìn)行全面檢測(cè)。在歐美國(guó)家，漏磁檢測(cè)技術(shù)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始被大量用在石油化工、能源和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，保障材料、構(gòu)件和產(chǎn)品的質(zhì)量與使用時(shí)的安全性。我國(guó)漏磁檢測(cè)技術(shù)的起步則相對(duì)較晚，自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，在楊叔子院士的帶領(lǐng)下，我國(guó)也將漏磁檢測(cè)技術(shù)用于鋼絲繩斷絲檢測(cè)和鋼管裂紋檢測(cè)等領(lǐng)域。但隨著當(dāng)代科技的迅速發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)的變革與應(yīng)用環(huán)境的變化對(duì)漏磁檢測(cè)法的檢測(cè)速度提出了新的挑戰(zhàn)。1高速度驅(qū)動(dòng)下的需求與挑戰(zhàn)GB/T19830-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼管在出廠(chǎng)前必須進(jìn)行全面檢測(cè)。對(duì)于鐵磁性材料的檢測(cè)，漏磁檢測(cè)法具有效率高、能同時(shí)檢測(cè)內(nèi)外缺陷和無(wú)需耦合劑等優(yōu)勢(shì)，因此鋼管出廠(chǎng)前主要采用漏磁檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。為了避免鋼管堆積，保證生產(chǎn)的鋼管能及時(shí)出廠(chǎng)，一般直接將漏磁檢測(cè)作為鋼管生產(chǎn)線(xiàn)中的最后一道工序，做到生產(chǎn)的同時(shí)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)。隨著鋼管生產(chǎn)效率的提升，鋼管在生產(chǎn)線(xiàn)上的運(yùn)行速度也逐漸增大，熱軋鋼管在經(jīng)過(guò)冷床后速度大于3m/s，在定徑階段速度高達(dá)8~18m/s。常規(guī)漏磁檢測(cè)方法的研究集中在低速和靜態(tài)階段，面對(duì)生產(chǎn)速度的提升，必須對(duì)高速漏磁檢測(cè)進(jìn)行更多研究。漏磁法也可用于鋼軌檢測(cè)，通常將檢測(cè)設(shè)備固定在檢測(cè)車(chē)廂上，在列車(chē)的牽引下沿鐵路運(yùn)動(dòng)完成掃查。在“高鐵走出國(guó)門(mén)”的戰(zhàn)略部署下，國(guó)內(nèi)高鐵網(wǎng)絡(luò)里程數(shù)快速增加，高鐵技術(shù)也得到迅猛發(fā)展，目前已投入使用的高鐵運(yùn)行時(shí)速高達(dá)80m/s。在這樣的速度下進(jìn)行檢測(cè)對(duì)漏磁法提出了新的挑戰(zhàn)。另外，漏磁法也被用于礦井提升鋼絲繩和電梯鋼絲繩的檢測(cè)，目前高速鋼絲繩的運(yùn)行速度高達(dá)8~20m/s，也對(duì)漏磁檢測(cè)提出了新的速度需求。新的檢測(cè)需求要求漏磁檢測(cè)速度不斷提升，在漏磁檢測(cè)中，當(dāng)工件和直流磁化器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大于3m/s時(shí)，即認(rèn)為是高速漏磁檢測(cè)。在檢測(cè)速度提升的同時(shí)，更多復(fù)雜的電磁效應(yīng)也凸顯出來(lái)，制約著檢測(cè)速度的進(jìn)一步提高。在前期的研究與實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，漏磁檢測(cè)速度的提升將導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)的畸變，嚴(yán)重影響信號(hào)的一致性，甚至導(dǎo)致漏檢。因此，需要對(duì)高速漏磁檢測(cè)時(shí)的電磁效應(yīng)與動(dòng)態(tài)磁化機(jī)理進(jìn)行深入分析，探究制約漏磁速度提升的根本原因，進(jìn)而提出相應(yīng)的解決方法，突破現(xiàn)有漏磁檢測(cè)方法的速度瓶頸。2磁化滯后效應(yīng)對(duì)高速漏磁檢測(cè)的影響高速漏磁檢測(cè)中的磁化滯后效應(yīng)磁偶極子理論和漏磁試驗(yàn)結(jié)果都表明，缺陷漏磁場(chǎng)的大小與試件的磁化強(qiáng)度呈正相關(guān)，因此試件中磁場(chǎng)的建立是漏磁檢測(cè)的前提。磁化過(guò)程是一個(gè)暫態(tài)響應(yīng)的過(guò)程，試件中的磁場(chǎng)需要經(jīng)過(guò)一定的響應(yīng)時(shí)間以后才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該效應(yīng)被稱(chēng)為磁化滯后效應(yīng)。但在高速檢測(cè)時(shí)，試件高速通過(guò)磁化器產(chǎn)生的磁場(chǎng)區(qū)域，其內(nèi)部磁場(chǎng)還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)就已離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域，導(dǎo)致漏磁檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生畸變。為了得到磁化滯后效應(yīng)的具體響應(yīng)時(shí)間，針對(duì)鋼棒和鋼管建立了如圖1所示的理論計(jì)算模型。圖1鋼棒和鋼管磁場(chǎng)計(jì)算模型通過(guò)求解麥克斯韋方程可以得到單匝線(xiàn)圈正弦激勵(lì)時(shí)鋼棒和鋼管內(nèi)的軸向磁場(chǎng)。對(duì)于方波激勵(lì)，可通過(guò)傅里葉變換將激勵(lì)信號(hào)分解為多個(gè)諧波信號(hào)的疊加，分別計(jì)算出磁場(chǎng)響應(yīng)，再通過(guò)傅里葉逆變換得到磁場(chǎng)的時(shí)域響應(yīng)。在方波激勵(lì)下，計(jì)算出鋼棒和鋼管內(nèi)的磁場(chǎng)響應(yīng)如圖2所示。圖2鋼棒和鋼管中磁場(chǎng)的時(shí)域響應(yīng)可見(jiàn)鋼棒與鋼管外表面的磁場(chǎng)都是先達(dá)到一個(gè)較高的值，再回到穩(wěn)定狀態(tài)，而內(nèi)表面磁場(chǎng)則是緩慢增大，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。根據(jù)材料屬性的不同，這一過(guò)程大約需要幾十至幾百毫秒。另外也有研究人員通過(guò)有限元分析法對(duì)飽和磁場(chǎng)的建立過(guò)程進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)了鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)的變化明顯滯后于激勵(lì)磁場(chǎng)的變化，并分析了磁化強(qiáng)度和鋼管材料對(duì)磁化滯后時(shí)間的影響。由此可知，在高速漏磁檢測(cè)中，受磁化滯后效應(yīng)影響，試件內(nèi)部缺陷的信號(hào)幅值將減小，使缺陷變得難以檢測(cè)。高速漏磁檢測(cè)中的動(dòng)生渦流效應(yīng)漏磁檢測(cè)時(shí)，磁化器與被測(cè)試件之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題可分別從磁化器和試件兩個(gè)參考系展開(kāi)分析。當(dāng)試件靜止不動(dòng)，磁化器在靠近試件到離開(kāi)的過(guò)程中，相當(dāng)于給試件施加了一個(gè)類(lèi)似方波的激勵(lì)，磁化滯后效應(yīng)使得試件的內(nèi)部缺陷難以被檢測(cè)到。因此目前高速漏磁檢測(cè)的研究更多在磁化器參考系中進(jìn)行，即磁化器靜止不動(dòng)。通過(guò)有限元分析法可以得到鋼管運(yùn)動(dòng)時(shí)的渦流分布如圖3所示。圖3鋼管中動(dòng)生渦流的分布在鋼管進(jìn)入和離開(kāi)線(xiàn)圈的區(qū)域，由于徑向磁場(chǎng)方向相反，渦流方向亦相反。在線(xiàn)圈軸向中心位置，由于磁場(chǎng)幾乎沒(méi)有法向分量，因此不會(huì)產(chǎn)生渦流。但從圖3可以看出，在線(xiàn)圈軸向中心位置，鋼管中仍有渦流。這是由于渦流在端部產(chǎn)生后，會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，趨于在管體中均勻分布，最終各點(diǎn)的局部渦流密度趨于0。由于鋼材具有較大的磁導(dǎo)率，在高速檢測(cè)時(shí)，鋼管在較短時(shí)間內(nèi)從線(xiàn)圈端部運(yùn)動(dòng)到中間，渦流擴(kuò)散過(guò)程還未結(jié)束，因此在中間區(qū)域的管壁內(nèi)也存在部分渦流。在動(dòng)生渦流的作用下，管壁內(nèi)的磁化狀態(tài)受到影響，鋼管在靜態(tài)時(shí)和10m/s的運(yùn)動(dòng)速度下，管壁內(nèi)的磁場(chǎng)分布如圖4所示?？梢?jiàn)在鋼管運(yùn)動(dòng)時(shí)，其外表面磁場(chǎng)有所增強(qiáng)，而內(nèi)表面磁場(chǎng)則有所減弱。根據(jù)漏磁場(chǎng)與鋼管磁化強(qiáng)度的關(guān)系可知，動(dòng)生渦流將導(dǎo)致外壁缺陷信號(hào)的增強(qiáng)和內(nèi)壁缺陷信號(hào)的減弱。圖4鋼管靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的磁場(chǎng)分布有研究指出內(nèi)表面缺陷的漏磁場(chǎng)隨速度增大而減小，而外表面缺陷漏磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)則相反，其信號(hào)隨速度的增大而增大，在對(duì)厚壁管進(jìn)行檢測(cè)時(shí)該效應(yīng)更明顯，該漏磁場(chǎng)變化規(guī)律與圖4顯示的管壁磁場(chǎng)變化規(guī)律相符。3高速檢測(cè)中的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)高速漏磁檢測(cè)中的補(bǔ)償方法試件受有效磁場(chǎng)作用的時(shí)間由兩個(gè)因素決定，分別為有效磁場(chǎng)的空間范圍和試件的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)檢測(cè)速度一定時(shí)，可通過(guò)增大磁場(chǎng)作用范圍的方法削弱磁化滯后效應(yīng)的影響。增長(zhǎng)線(xiàn)圈長(zhǎng)度的方法雖然能有效保證信號(hào)的一致性，但線(xiàn)圈體積過(guò)大增加了檢測(cè)設(shè)備的成本和功耗。有研究人員基于增長(zhǎng)磁化時(shí)間的考慮，提出用多級(jí)磁化器增大有效磁場(chǎng)作用范圍的方法來(lái)抑制磁化滯后效應(yīng)的影響，如圖5所示。該研究通過(guò)畢奧-薩伐爾定律計(jì)算了線(xiàn)圈的磁場(chǎng)分布，對(duì)多級(jí)磁化器間距進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)試驗(yàn)得到磁化器級(jí)數(shù)與信號(hào)一致性的關(guān)系。圖5多級(jí)磁化器布置示意還有研究人員從信號(hào)擬合的角度出發(fā)，提出一種高速漏磁檢測(cè)信號(hào)的補(bǔ)償方法。首先，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得同一缺陷在不同檢測(cè)速度下的漏磁場(chǎng)法向分量，對(duì)結(jié)果進(jìn)行最小二乘擬合后，發(fā)現(xiàn)漏磁信號(hào)幅值隨速度線(xiàn)性增大，擬合結(jié)果為：Bz(v)=0.446v+2.494式中：Bz(v)為漏磁場(chǎng)大?。籿為檢測(cè)速度。在實(shí)際檢測(cè)中，對(duì)其他速度下測(cè)量的漏磁信號(hào)進(jìn)行如下式的補(bǔ)償處理，歸一化為靜態(tài)測(cè)量信號(hào)。Bz(v=0)=Bz-0.446v式中：Bz為動(dòng)態(tài)漏磁場(chǎng)測(cè)量值；Bz(v=0)為歸一化后的靜態(tài)測(cè)量信號(hào)。動(dòng)生渦流無(wú)損檢測(cè)新方法在漏磁檢測(cè)中，動(dòng)生渦流會(huì)對(duì)試件的磁化狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而干擾漏磁檢測(cè)信號(hào)，一般被認(rèn)為是一種不利于檢測(cè)的因素。從另一個(gè)角度出發(fā)，動(dòng)生渦流的產(chǎn)生為檢測(cè)提供了一種新的電磁場(chǎng)源。在常規(guī)渦流檢測(cè)中，一般通過(guò)給線(xiàn)圈通交變電流的方式在被測(cè)金屬試件中產(chǎn)生渦流，并通過(guò)缺陷對(duì)渦流及其磁場(chǎng)的擾動(dòng)對(duì)缺陷進(jìn)行判定。動(dòng)生渦流產(chǎn)生后，缺陷同樣能對(duì)動(dòng)生渦流及其磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，若能對(duì)此信號(hào)進(jìn)行提取，把對(duì)檢測(cè)不利的動(dòng)生渦流加以利用，形成一種基于動(dòng)生渦流的高速電磁檢測(cè)新方法。為了驗(yàn)證動(dòng)生渦流檢測(cè)方法的可行性，首先對(duì)非鐵磁性材料進(jìn)行了測(cè)試，以避免漏磁信號(hào)對(duì)動(dòng)生渦流檢測(cè)信號(hào)的干擾。通過(guò)如圖6所示的兩種方式進(jìn)行了試驗(yàn)：①采用固定的磁化線(xiàn)圈產(chǎn)生空間磁場(chǎng)，試件在輥輪帶動(dòng)下高速通過(guò)磁化線(xiàn)圈，并通過(guò)置于線(xiàn)圈中的磁敏傳感器提取動(dòng)生渦流檢測(cè)信號(hào)；②固定試件，用永磁體和磁敏傳感器組成小型化探頭，在電機(jī)和傳送帶的作用下在試件上方進(jìn)行高速掃查。圖6兩種動(dòng)生渦流檢測(cè)試驗(yàn)裝置用圖6(b)所示的裝置在不同速度下對(duì)金屬板中2mm深的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)檢測(cè)速度越大檢測(cè)信號(hào)的幅值越大。因此，動(dòng)生渦流法將尤其適用于高速檢測(cè)場(chǎng)合。圖7不同速度下2mm深缺陷的動(dòng)生渦流檢測(cè)信號(hào)動(dòng)生渦流熱成像檢測(cè)新方法在進(jìn)行動(dòng)生渦流檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)生渦流的焦耳熱效應(yīng)作用下，被測(cè)試件溫度會(huì)升高，尤其在進(jìn)行高速檢測(cè)時(shí)，試件升溫速度愈加明顯?；谏鲜鰧?duì)動(dòng)生渦流熱效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合熱成像方法高分辨率和缺陷可視化的優(yōu)勢(shì)，提出一種新的基于動(dòng)生渦流激勵(lì)的熱成像無(wú)損檢測(cè)方法。利用陣列磁場(chǎng)(電磁鐵激勵(lì)或永磁體激勵(lì))在試件表面高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)生渦流作為激勵(lì)，裂紋等缺陷會(huì)引起渦流傳導(dǎo)路徑的變化，并在試件表面形成可探測(cè)的畸變溫度場(chǎng)。與傳統(tǒng)的高頻大電流激勵(lì)線(xiàn)圈方式相比，一方面，與切割磁力線(xiàn)速度成正比的動(dòng)生渦流激勵(lì)在更高的探傷速度下加熱效率更高，即可獲得更高的探傷靈敏度，因此該方法適用于高速檢測(cè)；另一方面，當(dāng)磁鐵線(xiàn)速度為100km/h時(shí)，動(dòng)生渦流滲透深度為5mm，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)高頻激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生渦流的滲透深度，因此試件內(nèi)/外缺陷均能夠在表面形成可探測(cè)的畸變溫度場(chǎng)，此時(shí)，該熱成像檢測(cè)方法適用于內(nèi)/外缺陷全覆蓋檢測(cè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼管及其他金屬構(gòu)件的高速無(wú)損檢測(cè)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。動(dòng)生渦流產(chǎn)生原理如圖8(a)所示，安裝在十字磁軛上的4個(gè)永磁體在鋼管內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律以及歐姆定律微分方程，鋼管中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)生渦流環(huán)路。當(dāng)渦流行經(jīng)缺陷附近時(shí)，其分布會(huì)隨之發(fā)生變化，并在裂口兩端形成渦流密集分布區(qū)域。圖8基于永磁體旋轉(zhuǎn)的動(dòng)生渦流產(chǎn)生原理及其熱成像檢測(cè)裝置布置示意如圖8(b)所示，在變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，陣列磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)可調(diào)，紅外熱像儀用于拾取鋼管表面缺陷區(qū)域的溫度場(chǎng)變化。圖9為永磁體以轉(zhuǎn)速為1500r/min（永磁體線(xiàn)速度約為120km/h）旋轉(zhuǎn)10圈后，鋼管縱向裂紋區(qū)域的溫度場(chǎng)熱圖。圖9鋼管縱向裂紋的溫度場(chǎng)分布（永磁體轉(zhuǎn)速為1500r/min）從圖9可以看出，動(dòng)生渦流焦耳熱量集中在裂紋兩端，與非缺陷區(qū)域形成了明顯的溫度場(chǎng)差異，說(shuō)明利用動(dòng)生渦流作為激勵(lì)的熱成像檢測(cè)方法具有可行性。圖10為不同旋轉(zhuǎn)速度下裂紋端部與非缺陷區(qū)域溫度差隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)?？梢钥闯鲂D(zhuǎn)速度越快，差值增加速度越快，因此更高的運(yùn)行速度有利于缺陷檢測(cè)。圖10不同轉(zhuǎn)速下裂紋端部與非缺陷區(qū)域溫度差隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖11為永磁鐵以1500r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)10圈后，裂紋端部與非缺陷區(qū)域溫度差隨裂紋走向變化的曲線(xiàn)?？梢钥闯霾煌呦蛉毕菪纬闪擞忻黠@差異的溫度場(chǎng)分布，其中縱向裂紋形成的畸變溫度場(chǎng)最為明顯，斜向裂紋次之，橫向裂紋最弱。因此，在進(jìn)行鋼管動(dòng)生渦流熱成像檢測(cè)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)不同走向缺陷的全覆蓋檢測(cè)，需要設(shè)計(jì)多維外激勵(lì)磁場(chǎng)進(jìn)行激勵(lì)。圖11裂紋端部與非缺陷區(qū)域溫度差隨裂紋走向變化的曲線(xiàn)結(jié)語(yǔ)近年來(lái)，在高速檢測(cè)需求的驅(qū)動(dòng)下，漏磁檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的研究成果，尤其是磁化滯后效應(yīng)的研究，揭示了影響高速漏磁檢測(cè)信號(hào)一致性的深層原因。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)理論建模與試驗(yàn)得到的磁化滯后時(shí)間被用于設(shè)計(jì)高速檢測(cè)時(shí)的勵(lì)磁裝置，有效地減弱了磁化滯后效應(yīng)對(duì)高速漏磁檢測(cè)的影響。在動(dòng)生渦流的相關(guān)研究中，通過(guò)有限元仿真，明晰了管壁內(nèi)的動(dòng)生渦流分布及其對(duì)管道磁化以及漏磁場(chǎng)的影響。在對(duì)動(dòng)生渦流研究的基礎(chǔ)上，一種基于動(dòng)生渦流擾動(dòng)磁場(chǎng)的電磁檢測(cè)新方法也在近年被提出。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和新應(yīng)用對(duì)象的出現(xiàn)，漏磁檢測(cè)技術(shù)將面臨更高檢測(cè)速度的挑戰(zhàn)。未來(lái)，可在以下幾個(gè)方面開(kāi)展高速漏磁檢測(cè)研究，以適應(yīng)新的高速檢測(cè)需求。01從磁化角度出發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化勵(lì)磁裝置，設(shè)計(jì)合適的空間恒磁場(chǎng)抑制磁化滯后效應(yīng)的影響。02試件從進(jìn)入磁化區(qū)到離開(kāi)的過(guò)程中