基于三維磁場的三軸漏磁管道缺陷檢測技術研究

基于三維磁場的三軸漏磁管道缺陷檢測技術研究

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)濟的能源運輸方式之一的安全性越來越受到重視。長久以來,管道事故的發(fā)生多由管壁的金屬腐蝕和缺陷引起。管道漏磁檢測技術因不需要耦合、價格低廉等特點,是目前應用最廣泛也是最成熟的技術。然而根據(jù)漏磁場理論,檢測到的漏磁場信號與尺寸之間是復雜的非線性關系,這使得根據(jù)檢測到的漏磁場信號清晰識別缺陷尺寸成為難點。目前,針對這一問題,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)漏磁場三維特性,增加漏磁場檢測分量,用來判斷缺陷的類型。三軸漏磁缺陷檢測技術通過對軸向、徑向和周向三個方向的漏磁信號的檢測,較多地反映了缺陷的信息,可較好地檢測軸向裂紋等缺陷類型。1有漏磁的管壁缺陷檢測技術三軸漏磁檢測原理以漏磁檢測原理為基礎,是利用永磁鐵將管壁飽和磁化,即由永磁鐵產(chǎn)生的磁力線通過鋼刷耦合進入管壁,使磁鐵間的管壁達到磁飽和狀態(tài),并傳到另一鋼刷和永磁鐵,兩個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)。當磁力線通過管壁時,在管壁沒有缺陷的情況下,磁力線全部被束縛在管壁中,沒有漏磁的跡象。當管壁有缺陷時,由于磁力線經(jīng)過的管壁橫截面積變小,缺陷處空氣的磁導率遠小于管壁本身,使得缺陷處磁阻變大,磁力線發(fā)生偏折,在缺陷處穿出形成漏磁場。在管壁缺陷處漏出的磁力線分別在軸向、徑向和周向方向上有對應強度分布變化。三軸漏磁檢測技術將缺陷處形成的空間三維矢量場漏磁場分為軸向、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,測量出缺陷漏磁場的軸向、徑向和周向漏磁分量,判定缺陷處三維漏磁場,提高對特殊缺陷類型和大小的判斷精度。當有漏磁場產(chǎn)生時,漏磁信號被霍爾傳感器檢測到,并利用霍爾原理產(chǎn)生相應的感應信號。缺陷漏磁場的形狀的形成與缺陷本身特點有關,經(jīng)傳感器產(chǎn)生感應電信號,經(jīng)過濾波放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié),最終被記錄到存儲器中。缺陷處產(chǎn)生的漏磁信號反映出缺陷的信息,通過對信號的分析,可推斷出缺陷的類型和尺寸。三軸漏磁檢測技術通過檢測三個方向的漏磁信號,較多地記錄了缺陷的信息。2實驗平臺2.1檢測結(jié)果的分析三軸漏磁檢測實驗平臺主要由被測鋼板和機械小車組成。其中機械小車主要由勵磁裝置、三相正交霍爾探頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。被測鋼板放置于水平地面上,并固定好,防止測量時因機械小車上的永磁鐵磁性較強,對鋼板的吸力較大,使得推動時連帶著被測鋼板一起移動,導致采集結(jié)果準確度降低。在被測鋼板上刻有軸向裂紋和周向裂紋等類型的缺陷。機械小車的檢測部分主要由永磁鐵、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,足以保證被測鋼板的飽和磁化,以達到最佳的檢測效果,每個三軸漏磁探頭和被測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,緊貼被測鋼板,使得三軸漏磁探頭被固定于兩組永磁鐵中軸線上,同時也防止實驗過程中探頭被損壞。三軸漏磁探頭通過引線連接至放大濾波電路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),最終連入計算機。實驗平臺原理圖如圖2所示,圖中X、Y、Z分別代表三軸漏磁探頭檢測缺陷漏磁場后產(chǎn)生的相應軸向、徑向和周向信號。當計算機接收到檢測數(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電信號的波形。同時存儲采集到的數(shù)據(jù),并進行分析處理,確定缺陷的類型和尺寸等。2.2主要結(jié)構2.2.1鋼板厚度、厚度對缺陷的影響勵磁系統(tǒng)包括被測鋼板和機械小車上的勵磁裝置。實驗過程中勵磁方式為軸向勵磁,其中被測鋼板選用X52鋼,厚度為7mm,鋼板上同一面分別刻有長度和寬度相同、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,用以試驗檢測鋼板內(nèi)外傷。永磁體選用N45等級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探頭模塊由4組三相正交霍爾傳感器組成,每3個霍爾傳感器為一組。根據(jù)霍爾效應原理,當磁場方向與電路方向垂直時,產(chǎn)生的感應電信號最大。因此三相正交霍爾傳感器中的3個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缺陷處三維漏磁場的軸向、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,用于同時測量多路信號。2.2.3機械小品脈沖信號的模擬數(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較微弱,容易受到現(xiàn)場環(huán)境和電路間信號的干擾。利用放大電路將輸出信號放大,同時通過低通濾波電路,去掉信號中摻雜的噪聲等干擾信號,使最終采集到的信號變得清晰。其放大濾波電路圖如圖3所示。檢測信號經(jīng)放大濾波后,由數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集卡采用型號為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USB接口將數(shù)據(jù)傳入計算機。計算機中安裝有基于VB編制的數(shù)據(jù)采集處理軟件,可以通過顯示器實時看到所采集數(shù)據(jù)的顯示波形。在機械小車前段,安裝有里程輪。當機械小車運動時,里程輪也會隨之運動,并產(chǎn)生脈沖信號。這一脈沖信號經(jīng)由電路傳送給計算機,并用數(shù)據(jù)采集處理軟件接收處理。通過設置,數(shù)據(jù)采集處理軟件上的顯示頁面會按照里程輪產(chǎn)生的脈沖進行定量的畫面顯示,當里程輪處于靜止狀態(tài),相應的顯示界面也不再有數(shù)據(jù)波形顯示。3磁通密度的計算在進行三軸漏磁檢測實驗之前,利用有限元仿真軟件ANSYS對實驗裝置進行仿真分析,基于三軸漏磁理論分析,得出相應仿真結(jié)果,為后續(xù)實驗提供理論基礎和參考。建立三維有限元模型進行靜態(tài)磁場仿真分析。ANSYS的分析過程包含三個步驟:前處理;求解;通用后處理。根據(jù)三軸漏磁檢測實驗平臺設備的材料屬性,為三軸漏磁檢測仿真模型中的材料建立材料屬性庫,主要的仿真材料屬性如表1所示。根據(jù)仿真材料屬性,為三軸漏磁檢測建立ANSYS三維仿真模型。主要仿真部分為勵磁系統(tǒng)部分(圖4)。圖4中所示主要包括刻有缺陷的被測鋼板、永磁鐵和軛鐵。在ANSYS軟件中對仿真模型添加飽和磁化條件,并進行磁場強度計算。查看計算結(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實驗勵磁系統(tǒng)部分的磁通密度分布。通過ANSYS仿真軟件,可以查看到勵磁系統(tǒng)不同角度和不同位置的磁場走勢和磁通密度,為三軸漏磁缺陷檢測實驗提供了理論基礎和參考。4檢測出缺陷的長度和深度圖6所示為缺陷處軸向漏磁信號的波形圖,根據(jù)電磁場原理,磁場在缺陷的軸向方向形成的漏磁場形狀為波峰型。根據(jù)霍爾效應原理,當霍爾傳感器與漏磁場對應方向的分量相互垂直時,產(chǎn)生的感應信號的絕對值最大。因此,由霍爾傳感器檢測到的數(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,在缺陷中間為波峰峰頂。在三軸漏磁檢測中,檢測到的軸向漏磁信號在波形變化的寬度上可以反映出缺陷的長度,即缺陷在軸向方向上的尺寸。通過對軸向漏磁信號的幅度測量,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的波形圖,根據(jù)電磁場原理,磁場在缺陷的徑向方向形成的漏磁場形狀為波峰型。根據(jù)霍爾效應,檢測出的感應信號波形理論上應該為連續(xù)的波峰波谷型。檢測到的徑向漏磁信號在幅度上的測量,其大小可以一定程度上反映出缺陷的深度,通過峰峰值之間的距離的大小可以較清晰地反映出缺陷的長度。通常在管道漏磁檢測中,徑向漏磁信號檢測效果一般較為清晰,檢測信號的波形對于缺陷長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的波形圖,根據(jù)電磁場原理,缺陷處的漏磁場周向分量很少,因此,檢測到的信號相比于軸向、徑向信號微弱。缺陷處漏磁場周向分量的相應檢測信號波形的形成原理與軸向漏磁信號相似,形成的漏磁場周向分量對應的感應信號的波形為波峰型,但波形幅值應比軸向漏磁信號小。在三軸漏磁檢測中,檢測到的周向漏磁信號的最大特點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,這一點對于軸向裂紋等特殊類型的缺陷具有較好的檢測作用。通過對周向漏磁信號的幅度測量,并與軸向漏磁信號和徑向漏磁信號的幅度大小相結(jié)合,可以一定程度上反映出缺陷的深度。5缺陷檢測原理及檢測方向軸向裂紋等類型缺陷在軸向勵磁下形成的漏磁場較為特殊,檢測難度較大