钢管漏磁检测探头及其装置研究

论文摘要

钢管漏磁探伤设备的制造集中在国外几家大型无损检测设备制造公司,如德国FORSTER和美国TUBOSCOPE。它们的设备采用穿过式横向伤检测和探头旋转式纵向伤检测方法。旋转探头工作方式检测速度快,检测灵敏度高,但由于探头高速旋转,对机械系统的设计和制造提出了很高的要求,加工和制造难度大,目前国内的机械制造水平很难满足旋转探头的精度要求。北京钢铁研究总院分析测试研究所对探头固定/钢管螺旋前进的工作方式进行了研究,指出只要探伤装置设计合理,检测参数设置得当,有效地检查出钢管中的缺陷是完全可能的,并能够满足国家标准对钢管漏磁探伤的性能指标要求,这种钢管漏磁探伤方法是可行且适合中国国情的。本课题研制的钢管漏磁检测试验装置采用钢管原地旋转/探头直线扫查的工作方式,目的在于研究交流和直流漏磁探头对钢管纵横向缺陷的检测,该检测方案的可行性以及漏磁检测试验装置的可靠性,并研究漏磁检测的影响因素,为研制实用的漏磁探伤设备做准备。本课题的研究方法是从漏磁检测理论研究开始,结合模型分析计算,装置设计制作后进行实验测试。首先,本文分析了钢管的主要缺陷,概述了漏磁检测的基本原理、漏磁场的形成机理以及钢管漏磁检测的过程,介绍了漏磁检测的主要技术,研究了国内外的漏磁检测技术现状及趋势和钢管漏磁检测设备的概况,最后确定了漏磁检测试验装置的技术方案以及课题研究的主要内容。接着,本文计算了缺陷漏磁场试环模型,对气隙的磁场、通缝的漏磁场和有限深狭缝的漏磁场进行了计算,接着分析了钢管漏磁检测的磁化方法,指出了磁化方式、磁化强度和磁化方向对漏磁检测的影响,然后分析了传感器的电磁感应原理和扫查影响因素,最后分析了交流和直流漏磁检测磁路,并对钢管漏磁检测探头的磁路模型进行了分析与计算。然后,本文运用ANSYS对探头模型进行了有限元分析,对缺陷的埋藏深度和大小、钢管的壁厚、磁化的强度和提离间隙对漏磁检测的影响进行了仿真分析。之后,本文设计了漏磁检测探头,包括线圈传感器的设计,励磁线圈的设计和励磁铁芯的设计,接着计算了励磁线圈的参数,最后是探头的制作。最后,本文在制作了钢管旋转扫查装置和检测样管后,实现了漏磁检测试验装置。接着对漏磁检测探头及试验装置进行了实验测试,对漏磁检测的影响因素进行了实验研究。最后得出了漏磁检测的速度特性、提离特性、交流磁化频率特性等结果。本文研究表明：如何使钢管缺陷产生漏磁场是漏磁检测的前提。钢管漏磁检测探头是漏磁检测的核心,它的作用是激励磁场和接收磁场信号,实现这两个功能的分别为传感器和励磁器。对钢管进行漏磁探伤时,既要确保充分的磁化,又不能使磁化强度过大,否则会同时影响检测灵敏度和信噪比。不管是交流磁化还是直流磁化,当钢管过磁化后,信噪比明显降低。磁化方向与缺陷长轴方向垂直时,漏磁场最强。当磁化方向与缺陷长轴方向平行时,几乎没有漏磁场信号。对于钢管轴向伤,应采用纵向线圈传感器扫查,对于钢管周向伤,应采用横向线圈传感器扫查。漏磁检测的关键是实现探头和钢管的相对运动,本课题采用探头直线扫查／钢管原地旋转的检测方式,此方法虽然旋转和扫查速度有限,但能够实现对钢管纵横像缺陷的检测。ANSYS有限元仿真分析表明：近表面缺陷比表面缺陷产生的漏磁场弱,对于相同形状大小的缺陷,埋藏深度与漏磁场幅值近似成线性关系。对于相同深度的缺陷,在相同的磁化条件下,缺陷的宽度对波峰幅值的影响不是很大,只是略有增大而已。在缺陷宽度一定的情况下,在一定范围内,漏磁场垂直分量的峰—峰值与缺陷深度大致成线性关系。钢管壁厚对磁力线分布的影响主要在于管壁对磁力线的包容,管壁越薄,磁力线越容易漏出管壁。在施加电流密度载荷时,发现电流密度到一定大小时缺陷处才有磁力线漏出,并随着电流密度的增大而增加,但到达一定程度后漏磁又不再增加。漏磁场轴向分量的基线和峰值随着传感器提离值的增大迅速降低,径向漏磁场峰-峰值随着传感器提离值的增大亦迅速降低,当提离值较大时,漏磁场变化缓慢。由于提离值与漏磁信号的关系是非线性的,提离值越小,减小的速度越快。也就是说,提离值越小,提离值的波动对检测灵敏度的影响越大。实验测试表明：交流探头和直流探头在信号特性、磁化强度、检测灵敏度等方面存在差异。交流探头的信噪比较直流探头高,所需磁化强度较低,检测相同的提离间隙下,灵敏度较高。漏磁检测的磁化特性与铁磁性材料磁化理论相符,漏磁检测的速度特性符合传感器电磁感应理论。提离特性与ANSYS仿真分析结论一致,随着提离值的增大传感器获得的缺陷信号迅速减小,在提离值较小时,其波动较明显对检测不利,实际检测时应当避开波动较大的提离间隙。对于本课题研制的漏磁探伤试验装置,直流探头合适的提离间隙为1-3mm。交流漏磁探头合适的提离值范围为1-10mm。交流漏磁检测合适的频率范围在1kHz-10kHz。在适当的提离间隙、探伤速度和磁化强度下,本课题研制的钢管原地旋转/探头直线扫查式漏磁探伤装置,能够实现钢管纵、横向缺陷检测。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 插图清单
• 表格清单
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管的缺陷分析
• 1.2 钢管漏磁检测概述
• 1.2.1 漏磁检测基本原理
• 1.2.2 缺陷漏磁场的形成机理
• 1.2.3 钢管漏磁检测的过程分析
• 1.3 钢管漏磁检测的主要技术
• 1.4 钢管漏磁检测技术的发展现状和趋势
• 1.5 国内外钢管漏磁检测设备概况
• 1.6 钢管漏磁检测试验装置的技术方案
• 1.7 课题研究的主要内容
• 1.8 本章小结
• 第二章 钢管漏磁检测探头理论分析与计算
• 2.1 缺陷漏磁场试环模型计算
• 2.1.1 气隙的磁场计算
• 2.1.2 通缝的漏磁场计算
• 2.1.3 有限深狭缝的漏磁场计算
• 2.2 探头励磁方法分析
• 2.2.1 磁化方式
• 2.2.2 磁化强度
• 2.2.3 磁化方向
• 2.3 线圈传感器检测分析
• 2.3.1 线圈传感器电磁感应原理
• 2.3.2 线圈传感器扫查分析
• 2.4 探头励磁磁路分析与计算
• 2.4.1 直流漏磁探头励磁磁路分析
• 2.4.2 交流漏磁探头励磁磁路分析
• 2.4.4 励磁器磁路模型计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 钢管漏磁检测探头ANSYS有限元分析
• 3.1 漏磁检测探头模型ANSYS分析过程
• 3.1.1 建立有限元模型
• 3.1.2 定义材料特性
• 3.1.3 定义单元类型和网格划分
• 3.1.4 施加边界条件、载荷及求解
• 3.2 缺陷漏磁场影响因素仿真研究
• 3.3 提离间隙对漏磁检测的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 钢管漏磁检测探头设计与制作
• 4.1 钢管漏磁探头设计
• 4.1.1 线圈传感器设计
• 4.1.2 励磁线圈设计
• 4.1.3 励磁器铁芯设计
• 4.2 励磁线圈参数计算
• 4.3 漏磁检测探头的制作
• 4.3.1 传感器的制作
• 4.3.2 励磁器的制作
• 4.4 本章小结
• 第五章 钢管漏磁检测试验装置的实现及实验研究
• 5.1 钢管旋转扫查装置的制作
• 5.2 漏磁检测试验装置的实现
• 5.3 钢管漏磁检测探头及试验装置测试
• 5.3.1 测试方案
• 5.3.2 测试信号图形及数据
• 5.3.3 测试结果分析
• 5.3.3.1 漏磁检测的磁化特性
• 5.3.3.2 漏磁检测的速度特性
• 5.3.3.3 漏磁探头的提离效应
• 5.3.3.4 交流漏磁检测的频率特性
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况