鋼管端部效應(yīng)的仿真分析與檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

鋼管端部效應(yīng)的仿真分析與檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1探傷設(shè)備及端部磁場(chǎng)的分析管道端頭缺陷嚴(yán)重影響了其安全使用。許多重要的事故發(fā)生在管道端頭上。目前端部探傷的方法和設(shè)備有超聲波和磁粉探傷兩種,但其檢測(cè)過程復(fù)雜、效率低,受人為因素影響大,不適合大批量檢測(cè)探傷。漏磁檢測(cè)方法是目前檢測(cè)鋼管最有效的方法之一。隨著自動(dòng)漏磁檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,鋼管的檢測(cè)精度與效率也越來越高。然而,常規(guī)的自動(dòng)漏磁檢測(cè)方法與探傷設(shè)備都存在不同的端頭檢測(cè)盲區(qū),最先進(jìn)的設(shè)備也至少有50mm以上;有試驗(yàn)研究表明端部盲區(qū)可以縮小到20mm～30mm的范圍,但對(duì)端部磁場(chǎng)及減小盲區(qū)的機(jī)理分析不多,且盲區(qū)還可以進(jìn)一步縮小。對(duì)此,有必要繼續(xù)進(jìn)一步分析并研究出縮小端部盲區(qū)的檢測(cè)方法與裝置。2在管道端部的檢測(cè)盲點(diǎn)分析中2.1鋼管端部磁場(chǎng)分布在電磁檢測(cè)中,由于工件的幾何形狀(端部邊緣)急劇改變而引起鄰邊磁場(chǎng)和渦流干擾,將掩蓋一定范圍的缺陷檢出,這種現(xiàn)象稱之為端部效應(yīng),該效應(yīng)與端部是同時(shí)存在的。在鋼管漏磁無損探傷中,當(dāng)檢測(cè)到鋼管端部時(shí)會(huì)產(chǎn)生端部效應(yīng),在端部相當(dāng)一段長(zhǎng)度內(nèi)造成檢測(cè)盲區(qū)。在檢測(cè)時(shí),當(dāng)管子的端部(頭和尾)進(jìn)入或離開磁化線圈時(shí),通電線圈逐漸變成帶鐵心線圈或還原為中空狀,此時(shí)磁化場(chǎng)在鋼棒端部不能有效地恒穩(wěn)聚集,導(dǎo)致端部空間泄漏磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng);另一方面,由于端部磁場(chǎng)的發(fā)散變動(dòng),導(dǎo)致端部管壁內(nèi)磁通量變化,影響了其磁飽和的保證,使得缺陷處漏磁場(chǎng)減弱。采用ANSYS有限元分析其端部磁場(chǎng)的分布,如圖1所示。此時(shí)缺陷處漏磁場(chǎng)被端部的泄漏靜磁場(chǎng)所淹沒,在鋼管壁近表面處的磁場(chǎng)值分布如圖2所示,可以看出離端部最近的缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)幾乎被空間發(fā)散磁場(chǎng)所掩蓋,難以被檢測(cè)并識(shí)別出來,形成端部檢測(cè)盲區(qū)。2.2生存磁場(chǎng)分布鋼管因有端部而不可避免地存在端部效應(yīng),但端部檢測(cè)盲區(qū)卻可以減小或消除。鋼管端部效應(yīng)的存在,主要是由于鋼管在端部發(fā)生形狀連續(xù)性突變,造成其磁化場(chǎng)在端部的發(fā)散形成端部泄漏靜磁場(chǎng)。對(duì)此,可采用導(dǎo)磁構(gòu)件來收集端部泄漏磁場(chǎng),對(duì)端部磁路加以引導(dǎo),借用另外的導(dǎo)磁構(gòu)件與鋼管端部對(duì)接后形成新的端部,使得原端部變?yōu)楣荏w,稱這種減小端部盲區(qū)的方法為端部移接法。端部移接法中對(duì)接的導(dǎo)磁構(gòu)件可以為管狀對(duì)接,可以為板狀對(duì)接,也可以既加對(duì)接管又加對(duì)接板來進(jìn)行對(duì)接。圖3為管狀對(duì)接端部移接法的ANSYS有限元分布端部磁場(chǎng)圖。鋼管對(duì)接了管狀導(dǎo)磁構(gòu)件后,減少了磁化場(chǎng)在原端部的泄漏,很好地引導(dǎo)了在端部處鋼管管壁內(nèi)的磁路走向,從而使得端部很好地達(dá)到磁飽和狀態(tài)。此時(shí),在鋼管壁近表面處的磁場(chǎng)值分布如圖4所示?？梢悦黠@地看出端部泄漏靜磁場(chǎng)值減小,且離端部最近的缺陷漏磁信號(hào)幅值增大,缺陷容易識(shí)別。此方法的缺陷就是對(duì)接管有時(shí)比較長(zhǎng),特別是對(duì)直徑大磁化場(chǎng)要求大的鋼管。采用板狀對(duì)接端部移接法的磁場(chǎng)分布圖如圖5所示。與管狀對(duì)接法一樣能夠減小端部泄漏靜磁場(chǎng),在鋼管壁近表面空間位置處磁場(chǎng)值分布如圖6所示,端部缺陷也較容易識(shí)別出來。但此方法中所加的對(duì)接板會(huì)阻止檢測(cè)探靴往鋼管端頭的進(jìn)一步掃描檢測(cè),形成掃描盲區(qū),故最終不一定能夠達(dá)到減小端部檢測(cè)盲區(qū)的目的。結(jié)合加對(duì)接管和對(duì)接板對(duì)接法,采用連接有對(duì)接板的對(duì)接管來實(shí)現(xiàn)其對(duì)接,這樣在減少對(duì)接管對(duì)接長(zhǎng)度的同時(shí),又能讓檢測(cè)探靴到達(dá)端部并對(duì)端部進(jìn)行全面的掃描檢測(cè),更重要的是能夠很好地對(duì)端部磁路加以引導(dǎo),減少端部泄漏靜磁場(chǎng)。其端部磁場(chǎng)分布及端部缺陷幅值如圖7、圖8所示。3突變漏磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)在漏磁檢測(cè)中,常用磁敏元件采用霍爾元件,但考慮到霍爾磁敏元件對(duì)靜磁場(chǎng)的敏感性強(qiáng),可能檢測(cè)出更多的端部泄漏靜磁場(chǎng)而掩蓋掉了動(dòng)態(tài)掃描時(shí)突變的缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào);而線圈卻主要拾取的是磁場(chǎng)的突變量,所以這里采用貼片式線圈來拾取缺陷的突變漏磁場(chǎng)信號(hào),從而避開了由于對(duì)接管或?qū)影鍖?duì)接時(shí)收集引導(dǎo)端部磁場(chǎng)時(shí)仍有發(fā)散在端部空間的靜磁場(chǎng)對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響。貼片式線圈如圖9所示。由磁敏感線圈、磁化器構(gòu)成檢測(cè)探頭。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼管的制造流程以及使用情況對(duì)鋼管大批量快速檢測(cè)的要求,設(shè)計(jì)出一套鋼管端部小盲區(qū)檢測(cè)設(shè)備,如圖10所示。對(duì)接頭為帶對(duì)接板的對(duì)接管,與輔助小車固接在一起,隨著小車的移動(dòng),可以直接與被檢測(cè)鋼管快速對(duì)接,當(dāng)檢測(cè)探頭里的磁化器通電產(chǎn)生磁場(chǎng)后,對(duì)接頭由于吸力作用就與被檢測(cè)鋼管端部緊貼對(duì)接,消除了對(duì)接頭與鋼管端部存在對(duì)接間隙而泄漏出端部靜磁場(chǎng)的問題。另外,對(duì)接頭由于磁化器的斷電消失磁吸力而輕易退出離開與鋼管端頭的對(duì)接。檢測(cè)探頭懸掛在對(duì)接頭上,方便套送上被檢測(cè)鋼管和檢測(cè)完畢停車。4mm深2mm的缺陷在直徑為?89mm的鋼管管壁上等距離制作8個(gè)寬0.3mm×長(zhǎng)20mm×深2mm的缺陷,缺陷離端頭最近距離為10mm,如圖11所示。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試,獲得相應(yīng)的缺陷信號(hào)如圖12所示。從缺陷信號(hào)波形圖中可以看出能夠檢測(cè)出離端頭最近10mm處的缺陷。5小區(qū)內(nèi)端部磁場(chǎng)檢測(cè)本文通過ANSYS有限元仿真分析解釋了鋼管端部效應(yīng)的存在,同時(shí)提出多種減小鋼管端部檢測(cè)盲區(qū)的對(duì)接方法并仿真分析了其端部磁場(chǎng)的分