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1、漏磁无损检测传感器提离值与缺陷漏磁场关系的仿真研究摘要 本文主要是传感器提离值与缺陷漏磁场的仿真研究，介绍了漏磁检测技术的原理及其应用，给出了漏磁信号与缺陷特征所形成的线性关系，并通过ANSYS分析研究了提离值对漏磁信号的影响。 管道漏磁检测中，管道中的焊缝和管道异物等会引起传感器提离值和漏磁检测工具磁化器提离值，并且对获得的漏磁数据有潜在影响。利用有限元仿真软件模拟各种提离值对漏磁信号的影响。仿真结果表明传感器提离值引起漏磁信号峰值的降低，传感器提离值对漏磁信号峰值的影响远大于相同大小的磁化器提离值的影响，传感器和磁化器同时引起的提离值引起漏磁信号峰值的最大降低。正确理解提离值对漏磁信号的影
2、响，将改善漏磁检测的质量，并获得对缺陷完整的评价。 本设计的目的是为了提高油气管道漏磁检测的准确度，需要在确保检测灵敏度的同时，减小传感器与被测油气管道表面的距离即提离值的波动影响。分析了提离值选择的主要原则，采用ANSYS得到两者之间的关系。关键词：漏磁检测；提离值；漏磁；缺陷第1章 绪论1.1课题的来源及意义 漏磁检测的方法通常与涡流-微波-金属磁记忆一起别列为电磁无损检测方法。该方法主要应用于诸如输油气管-储油罐底板-钢丝绳-钢板-钢管-钢棒-链条-钢结构件-焊缝-埋地管道等铁磁性材料表面和近表面的腐蚀-裂纹-气孔-凹坑-夹杂等缺陷的检测，也可用于铁磁性材料的测厚。漏磁无损检测技术在钢铁
3、-石油-石化等领域应用较广泛.我国各工业领域对漏磁检测技术尚处于了解-认识-引用的初级阶段，在工业上实用探伤设备的开发制造还刚刚起步，而随着质量控制技术的发展与进步我国对于漏磁探伤设备的市场需求将越来越大。因此，缩小同国外先进的无损检测设备制造水平的差距是当前我国无损检测业界同仁的重要且紧迫的任务。12 国内外的研究现状1.2.1 国内的研究现状 我国从90年代初对漏磁检测技术进行了研究,于2002年研制出管道和钢板腐蚀漏磁检测仪,其总体技术水平落后于欧美等发达国家。近年来,在国内无损检测工作者的共同努力下,目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果,逐步缩小了与国际水平的差距。 国
4、内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、沈阳工业大学等。其中华中科技大学的杨叔子、康宜华、武新军等,在储罐底板漏磁检测研究和管道漏磁无损检测传感器的研制、钢丝绳的漏磁检测等方面进行了大量的实验研究工作,利用ANSYS软件分析了传感器励磁装置的参数对钢板局部磁化的影响,设计了相应的漏磁检测传感器等;清华大学的李路明、黄松龄等研究了管道的漏磁探伤,铁铸件的漏磁探伤方法,采用有限元分析法研究永磁体几何参数对管道磁化效果的影响,分析漏磁探伤中各种量之间的数值关系,如表面裂纹宽度对漏磁场Y分量影响的问题；交直流磁化问题,针对漏磁检测交流磁化的磁化电流频率选择问题,分析了磁化频
5、率的选取原则等等；沈阳工业大学的杨理践等,研究了基于单片机控制系统的管道漏磁在线检测系统,分析了小波包在管道漏磁信号分析中的应用,通过时域分析理论对管道漏磁信号进行处理;合肥工业大学的何辅云对漏磁探伤采用多路缺陷信号的滑环传送方法并研制了在役管线漏磁无损检测设备；上海交通大学的阙沛文、金建华等对海底管道缺陷漏磁检测进行研究,通过小波分析对漏磁检测信号进行去噪实验,同时将巨磁阻传感器应用于漏磁检测系统,研制了适用于输油、输气管道专用漏磁检测传感器；中原油田钻井机械仪器研究所开发出了抽油杆井口漏磁无损检测装置；军械工程学院研制的智能漏磁裂纹检测仪,能对钢质构件的表面和内部的裂纹进行定量检测；中国科
6、学院金属研究所的蔡桂喜对磁粉和漏磁探伤对裂伤缺陷检出能力进行了研究,用环电流模型计算了各种矩形槽形状人工及自然缺陷产生的漏磁场,提出磁粉和漏磁两种方法不适合开裂缝隙很窄的疲劳裂纹的检测的结论。爱德森公司采用多信息融合技术研制成集涡流、漏磁、磁记忆、低频电磁场于一体的便携式检测仪器,该仪器能同时获取多种检测信号,适用于流动现场的检测。1.2.2 国外的研究现状 国外对漏磁检测技术的研究很早,Zuschlug于1933年首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想,但直至1947年Hastings设计了第一套漏磁检测系统,漏磁检测才开始受到普遍的承认。20世纪50年代,西德Forster研制出产品化的漏
7、磁探伤装置。1965年,美国Tube scope 国际公司采用漏磁检测装置Linalog首次进行了管内检测,开发了Wellcheck井口探测系统,能可靠地探测到管材内外径上的腐蚀坑、横向伤痕和其它类型的缺陷。1973年,英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为600mm的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测,首次引入了定量分析方法。ICO公司的EMI漏磁探伤系统通过漏磁探伤部分来检测管体的横向和纵向缺陷,壁厚测量结合超声技术进行,提供完整的现场探伤。 对于缺陷漏磁场的计算始于1966年,Shcherbinin和Zatsepin两人采用磁偶极子模型计算表面开口的无限长裂纹,前苏联也于
8、同年发表了第一篇定量分析缺陷漏磁场的论文,提出用磁偶极子、无限长磁偶极线和无限长磁偶带来模拟工件表面的点状陷、浅裂纹和深裂缝。之后,苏、日、美、德、英等国相继对这一领域开展研究,形成了两大学派,主要为研究磁偶极子法和有限元法两大学派。Shcherbinnin和Poshagin用磁偶极子模型计算了有限长表面开口裂纹的磁场分布。1975年,Hwang和Lord采用有限元方法对漏磁场进行分析,首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。Atherton把管壁坑状缺陷漏磁场的计算和实验测量结果联系起来,得到了较为一致的结论。Edwards和Palaer推出了有限长开口裂纹的三维表达式,从中得出当材
9、料的相对磁导率远大于缺陷深宽比时,漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论。国内研究现状我国从90年代初对漏磁检测技术进行了研究,于2002年研制出管道和钢板腐蚀漏磁检测仪,其总体技术水平落后于欧美等发达国家。近年来,在国内无损检测工作者的共同努力下,目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果,逐步缩小了与国际水平的差距。 1.3 本文的主要研究内容 本文主要是传感器提离值与缺陷漏磁场的仿真研究，介绍了漏磁检测技术的原理及其应用，ANSYS软件的操作和使用，并通过ANSYS分析研究了提离值对漏磁信号的影响，本设计的目的是为了提高油气管道漏磁检测的准确度，需要在确保检测灵敏度的同时，减
10、小传感器与被测油气管道表面的距离即提离值的波动影响。分析了提离值选择的主要原则，通过仿真计算验证了这种方法的效果。第2章 漏磁无损检测2.1漏磁无损检测概述 无损检测技术是一门新兴的综合性应用学科，它是在不破坏或不损坏被检测对象的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的，类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价。目前，常用的无损探伤方法有液体渗透检测、磁粉检测与漏磁检测、声发射检测、射线探伤等。近年来，无损检测技术的发展速度很快，一些无损检测新技术如磁记忆无损检测、红外热
11、波无损检测、超声相控阵技术、激光无损检测、微波无损检测等也得到了应用。 漏磁检测方法通常与涡流、微波、金属磁记忆一起被列为电磁（EM Electromagnetic)无损检测方法。该方法主要应用于诸如输油气管、储油罐底板、钢丝绳、钢板、钢管、钢棒、链条、钢结构件、焊缝、埋地管道等铁磁性材料表面和近表面的腐蚀、裂纹、气孔、凹坑、夹杂等缺陷的检测 ,也可用于铁磁性材料的测厚。漏磁无损检测技术在钢铁、石油、石化等领域应用较广泛。我国各工业领域对漏磁检测技术尚处于了解、认识、引用的初级阶段 ,在工业上实用探伤设备的开发制造还刚刚起步 ,而随着质量控制技术的发展与进步我国对于漏磁探伤设备的市场需求将越来
12、越大。因此 ,缩小同国外先进的无损检测设备制造水平的差距是当前我国无损检测业界同仁的重要且紧迫的任务。 随着现代科学技术的发展 ,尤其是计算机技术的发展 ,仪器的体积越来越小、处理速度越来越快、功能越来越强大。漏磁检测理论研究及探伤系统的传感器性能、数据处理等方面也都有很大的进步。下面就漏磁场的理论计算、各种因素和缺陷漏磁场之间的关系、漏磁检测的磁化方法、采用的传感器种类、检测方式和信号处理技术分别作简要的归纳。随着现代各领域技术的相互交叉融入 ,各种技术相互促进发展 ,漏磁检测技术的应用研究也必将朝着更趋于成熟、完善的方向发展。其发展趋势有以下几个方面 : （1）更高的处理速度 （2）高性能
13、传感器及智能传感器 （3）传器的智能化、小型化 （4）专家系统的融入 （5）多信息融合技术 （6）高可靠性和稳定性 （7）界面更为友好直观 （8）操作更为简易、快捷 （9）在线、离线检测的机电一体化 （10）网络技术的融入 （11）在役设备检测信息管理跟踪分析的研究2.2漏磁检测的原理 漏磁 (magnetic flux leakage ,简称MFL)无损检测技术由于检测速度快、可靠性高且对工件表面清洁度要求高等特点在金属材料的检测和相关产品的评估中得到广泛应用。与磁粉探伤不同 ,漏磁检测中信号不用磁粉显示 ,对环境无污染 ；由于采用各种敏感元件 (如霍尔元件和线圈方式 ) ,检测结果直接以电
14、信号输出 ,容易与计算机连接实现数字处理 ,因此其检测结果可存储和再现 ,便于检测信号的分析及检测结果的历史趋势分析。一般来说，漏磁信号的大小取决于四个因素，即：、监测仪器本身性能，包括传感器及配套系统、预处理电路和信号分析系统。、实际缺陷的几何形状和特性。、仪器检测速度和被测部件运行状况（如是否受力等）。、被检部件的磁性。 目前对漏磁信号处理的方法主要有时域的波形分析法（包括信号峰峰值和短程能量等）、频域分析方法、小波分析和神经网络等，这些方法更多的是针对特定工况的特定信息，采用检测信号与标准缺陷信号比较来进行缺陷分析，很少考虑到检测过程中不同因素对信号分析结果的影响，对缺陷类型、几何形状和
15、部件工况等缺乏定量描述。 当用磁化器磁化被测铁磁材料时，若材料的材质是连续-均匀的，则材料中的磁感应线将被约束在材料中，磁通是平行于材料表面的，几乎没有磁感应线从表面穿出，被检表面没有磁场。但当材料中存在着切割磁力线的缺陷时，材料表面的缺陷或组织状，态变化会使磁导率发生变化，由于缺陷的磁导率很小，磁阻很大，使磁路中的磁通发生畸变，磁感应线会改变途径，除了一部分磁通直接通过缺陷或在材料内部绕过缺陷外，还有部分的磁通会离开材料表面，通过空气绕过缺陷再重新进入材料，在材料表面缺陷处形成漏磁场。如果采用磁粉检测漏磁通的方法称为磁粉检测法，而采用磁敏传感器检测则称为漏磁检测法。 漏磁检测的原理如图21所示。当铁磁性材料被外加磁铁磁化后，在板材内可产生强的感应磁场，若板材上存在腐蚀缺陷，则会在其相应的表面形成漏磁场，如在磁极之间放置一个磁场探头（通常采用霍尔元件或线圈），则可探测到该漏磁场，由于漏磁场的强度与腐蚀缺陷的深度和大小有关，因此可以通过对漏磁场信号的分析来获得板材上产生腐蚀缺陷的情况。图21漏磁检测基本原理示意图 采用漏磁探伤的过程是首先对被检铁磁性材料进行磁化,然后测量其漏磁场信号，通过分析判断给出检测结果,最后根据实际情况选择退磁与否。漏磁检测只限于检测铁磁性材料，主要是铁磁性材料的表面及近表面的检测。该方法具有探头结构简单-易于实现自动化-无污染-检测灵敏度高-不需
