磁场对涡流检测线圈影响实验的研究.docx
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磁场对涡流检测线圈影响实验的研究
磁场对涡流检测信号影响实验的研究
学生姓名:
刘宏村班级:
080812
******
摘要:
钢管与人类生活、生产活动密不可分,其安全性需要保证。
生产中一般采用磁饱和涡流检测实施检测。
但施加磁饱和效应后,涡流检测探头获得的信号会不会有漏磁场的信号呢?
因此,研究钢管磁饱和以后涡流检测信号的来源对钢管涡流检测的发展有巨大意义。
本文首先自行研制了涡流探头,进行了对自行研制的检测探头灵敏度进行了测试,选择了达到实验灵敏度要求的探头。
对比了穿过式线圈对不加永磁体的铝管涡流检测信号与加永磁体的铝管涡流检测信号,结果表明不论是否加以永磁体,涡流探伤能够对缺陷进行检测且检测结果基本一致。
说明用穿过式线圈涡流检测中,是否加以永磁体,涡流信号都是涡流效应产生的。
最后,在10mm厚铝板下使用永磁体模拟漏磁场源,用放置式探头在铝板上方扫查永磁体对应部位,此时涡流仪上有信号显示。
相同的检测条件,在10mm厚铝板下分别放置一小钢块和铝块,用放置式探头依次扫查刚块和铝块对应部位,涡流仪没有信号显示。
结果表明涡流仪无法感知10mm厚铝板下磁导率和电导率变化。
综合表明漏磁场信号能被涡流仪检测到,强磁场会对涡流检测产生影响。
关键词:
磁饱和漏磁场涡流检测钢管
指导老师签名:
Magneticfieldtoaffecttheexperimentalstudyofeddycurrenttestingsignals
Studentname:
liuhongcunClass:
080812
Supervisor:
SongKai
Abstract:
StellPipeandhumanlifeandproductionactivitiesareinseparable,the
needtoensuretheirsafety.Implementationofthedetectionofmagneticsaturationeddycurrenttestingiscommonlyusedinproduction.Imposedmagneticsaturationeffect,eddycurrenttestingprobesignalwillnotbetaintedsignalofthemagneticfieldit?
Therefore,thestudyofsteelmagneticsaturationaftereddycurrenttestingsignalsourcehasahugesignificanceforthedevelopmentofthesteelpipeeddycurrenttesting.
Thisarticlefirstself-developededdycurrentprobe,weretestedonthedetectionsensitivityoftheprobedevelopedbyselectingtheprobetoreachexperimentalsensitivityrequirements.
Contrastthroughthecoilresultsshowthatthealuminumtubeswithoutpermanentmagneteddycurrentdetectionsignalandincreasethepermanentmagnetaluminumtubeeddycurrentdetectionsignal,whetherornottobepermanentmagnets,eddycurrentinspectiontodefectdetectionandtestresultsarebasicallythesame.Instructionstousethroughthecoileddycurrenttesting,whetheritbeapermanentmagnet,eddycurrentsignalsaregeneratedbyeddycurrenteffects.
10mmthickaluminumplateusingsimulationofpermanentmagnetleakagemagneticfieldsource,thealuminumtopoftheplacedprobetoscanthecorrespondingpartofthepermanentmagnet,eddycurrentinstrumentsignal.Thesametestingconditions,the10mmthickaluminumplateplacedonasmallsteelblockandthealuminumblock,placetheprobefollowedbyscanningjustblockandaluminumblock,thecorrespondingpartsoftheeddycurrentinstrument,thereisnosignal.Theresultsshowthattheeddycurrentinstrumentisunabletoperceivethemagneticpermeabilityandelectricalconductivitychangeinthe10mmthickaluminumplate.Integratedtoshowthattheleakagemagneticfieldsignalcanbeeddycurrentinstrumentdetected,eddycurrenttestingofastrongmagneticfieldwillhaveanimpact.
Keyword:
magneticsaturationleakagemagneticfield
Eddycurrenttestingsteelpipe
SignatureofSupervisor:
磁场对涡流检测信号影响实验的研究
1绪论
1.1选题背景及研究意义
油田专用钢管出厂前必须按照相关标准逐根进行严格的检测,保证内外表面没有细微裂纹以及孔洞等缺陷的存在,同时保证壁厚的变化在允许的范围之内。
另外全球石油行业的发展使得原油供应紧张,加之油田钢管消耗巨大,使得油井钢管供不应求。
由于油田用承压钢管的质量要求很高,存在细微裂纹的钢管承受不了巨大的压力发生爆裂,由此造成的损失往往都由钢管生产厂家来承担,少则上百万人民币。
经济赔偿使得厂家不得不寻求一种方法对每根钢管进行在线的高速检测,确保交付的钢管应严格满足石油钢管使用规范。
尤其是出口到国外时,必须完全满足美国石油协会制定的标准《套管和油管规范》(APISpec5CT)。
这对钢管的检测提出了较高的要求。
因而需要采用各种无损检测方法对其进行严格检测。
涡流探伤法具有不需要耦合剂、表面检测灵敏度高、检测速度快且可进行高温下检测等一系列优点,故在钢管生产中可进行大批量的自动无损检测,并得到广泛应用。
有关产品标准将其规定为钢管生产检验过程中不可缺少的重要工序之一。
但对铁磁性材料用普通涡流检测就非常困难,其原因之一是信噪比低。
钢管是铁磁性材料,其相对磁导率高达几百至几千。
由于生产工艺如扎制温度波动、冷却不均、矫直工艺等影响造成材料的残余应力,使材料内部的磁率分布极不均匀。
这些因素是造成信噪比降低的主要原因。
在无外磁场作用时,铁磁性物质中各个磁畴的自发磁化强度矢量的取向是不同的,但是对外效果相互抵消,因而整个物质对外不显磁性。
在外加磁场不足时,铁磁性物质中部分磁畴的磁矩转向外磁场,其相对磁导率µr是变化的,涡流检测时将产生磁噪声。
因此在检测过程中会引起磁噪声,将缺陷信号掩盖。
克服铁磁性金属磁导率对探伤影响的方法有两种:
其一,采用远场涡流检测方法;其二,对钢管进行饱和磁化后再探伤。
但必须看到,对钢管实施磁饱和的方式是漏磁检测方法中的激励方式。
涡流检测仅对表层缺陷敏感,在钢管施加了饱和磁化以后,却能够得到内缺陷信号。
在涡流检测中,施加磁饱和效应后,涡流检测探头获得的信号会不会有漏磁场的信号呢?
本课题通过研究磁场对涡流检测的信号的影响,让人们对钢管磁饱和涡流检测有个正确的认识,对钢管涡流检测的发展有巨大意义。
1.2涡流检测研究概况
涡流检测过程中,主要通过测量线圈阻抗的变化以检出工件的缺陷,受检工件影响检测线圈阻抗的因素很多,诸如磁导率、电导率、外形尺寸和各种缺陷等,各种因素的影响程度各异。
涡流检测的关键就是从诸多因素中提取到检测的因素。
针对以上问题,人们在努力完善涡流检测技术的同时,提出了很多新的基于电磁原理的检测设想,其中一些设想己经发展为相对独立的涡流检测新技术。
(l)多频涡流检测技术
多频涡流检测是实现多参数检测的有效方法。
该方法同时采用几个频率信号激励探头工作,能有效地抑制多个干扰因素,一次性提取出多个所需信号(如缺陷信息、壁厚情况等)。
由于它包含了单频率涡流检测技术,又能胜任单频率涡流检测无法完成的工作,因而具有强大的生命力。
(2)远场涡流检测技术
远场涡流检测技术是一种能穿透金属管壁的低频涡流检测技术,该技术克服了常规涡流由于集肤效应的局限性,可以检测铁磁性和非铁磁性管子的表面及内部缺陷。
远场涡流检测技术在核反应堆压力管、石油、及天然气输送管和城市煤气管道等方面具有独特的优越性。
其被认为是管道在役检测最有前途的技术。
(3)磁光涡流检测技术
磁光涡流检测技术是根据法拉第磁光效应和电磁感应定律而提出的一种新的电磁检测技术。
若工件中感应出直线流动、分布均匀的层状涡流,此涡流会在空间产生垂直于工件的磁场。
有缺陷时磁场变化,磁光传感元件将磁场变化转换成相应光强度变化。
该方法可实时成像,直接输出。
(4)涡流阵列技术
涡流阵列技术是近10年内出现的涡流检测新方法。
它通过涡流检测线圈结构的特殊设计,即采用多个独立工作的线圈,线圈按照特殊方式排布,并借助于强大的信号分析与处理功能,实现对材料和零件的快速、有效检测。
涡流检测技术的可能发展趋势有以下几个方面
(1)涡流检测探头是检测设备的关键器件。
目前,有关探头设计的理论研究尚不充分,探头的制作多是凭经验或依据实验进行。
通过理论分析来进行探头参数的优化设计是很重要的研究课题。
我国虽有不少单位研制了多种型式的探头,但与国外相比,品种仍不多,有必要加紧研制适于各种应用场合的高性能新式探头。
(2)大力研究和发展成象技术。
如在管材探伤中,用多频技术提取管子内外表面及内部缺陷涡流信号,并利用微机对不同涡流信号的图象进行分析与识别,然后在荧光屏上显示的管子截面图象中准确地表示出来。
目前,国外这方面研究成果报道较多。
国内亦有各种C扫描成象装置的应用,但需进一步研究,以图在缺陷定性定量分析上有所进展。
(3)随着我国石油、天然气、电力等工程建设的发展,管道检测必将引起人们的高度重视。
由于远场涡流技术对金属管子(特别是铁磁性管)内部缺陷的检测很灵敏,是各种长距离管道维修检查的有效办法。
可以预见,远场涡流技术的研究和应用在我国将得到进一步的发展。
(4)涡流方法对金属材料表面电磁性能非常敏感,通过对金属材料表面涡流效应与材料表面性能之间关系的研究分析,可实现金属材料表面质量的评价。
因此,应用涡流检测技术进行金属材料疲劳裂纹扩展、开裂、金属加工中的磨削烧伤及残余应力的研究将更多地引起人们的关注,并可望得到突破性的进展。
此外在众多涡流检测研究上,康宜华、宋凯、张雅伟及任吉林系统地进行了实验规划和验证,最后应用等效源法对实验结果进行了分析。
分析表明,钢管在磁饱和状态下的涡流检测信号并不是由涡流效应产生的,而是由漏磁场引起的。
缺陷的漏磁信号可视为一等效电流源,产生的扰动磁场被调制在高频载波上而引起涡流仪的信号显示。
1.3论文主要工作
涡流检测仅对工件表面及近表面的缺陷敏感,在钢管施加了饱和磁化以后,却能够得到内缺陷信号。
涡流检测探头获得的信号会不会有漏磁场的信号呢?
因此,本文结合涡流检测基本理论,通过改变有无永磁体模拟的漏磁场源,利用自行研制的专用涡流换能器进行对比实验,分析磁场对涡流检测信号的影响。
本论文的主要工作如下:
第一章为绪论,论述课题的背景及研究的意义,介绍了涡流检测新技术、涡流检测技术的可能发展趋势以及部分涡流检测研究的相关结论。
第二章简要论述涡流检测基本原理,重点讲述了涡流检测技术的特点、磁饱和涡流检测技术以及磁场对涡流检测信号的影响。
第三章首先论述对实验系统的研制,主要包括试样、磁饱和装置、检测探头、信号采集。
然后进行了对自行研制的检测探头灵敏度进行了测试,选择了达到实验灵敏度要求的探头。
再进行了永磁体模拟的漏磁场源下铝管涡流检测实验研究,主要分几部分进行实验研究。
首先,不加永磁体对铝管进行涡流检测,再对比加永磁体铝管涡流检测时的信号。
然后在铝管中放置永磁体模拟漏磁场源进行涡流检测。
最后对比铝板下小钢块、小铝块和永磁体的涡流信号研究了磁特性对涡流检测的影响。
第四章对本论文工作进行总结,并对课题下一步工作进行展望。
2涡流检测的概述
2.1涡流检测基础理论
涡流检测是以电磁感应原理为基础的无损检测方法。
其基本原理是:
当载有交变电流的实验线圈靠近导体试件时,由于线圈产生的交变磁场的作用会在导体中产生出涡流。
此涡流同时产生一个与原磁场方向相反的磁场,部分抵消了原磁场,导致检测线圈的电阻和电感变化。
若金属工件存在缺陷,就会改变涡流场的强度及分布,使线圈阻抗发生变化。
因此,通过测试试验线圈的阻抗的变化,就可以推断出被检测试件性能的变化及有无缺陷的结论。
其原理图如图1所示。
由于被检工件形状的不同、受检部位不同,所以检测线圈的形状与接近试件的方式也不尽相同。
为了适应各种检测需要,人们设计了各种各样的检测线圈和涡流检测仪器。
其中,检测线圈用来建立交变磁场,把能量传递给被检导体;同时,又通过涡流所建立的交变磁场来获得被检导体中的质量信息。
所以检测线圈是一种换能器。
检测线圈的形状、尺寸和技术参数对于最终检测结果是至关重要的。
以涡流探伤为例,往往是根据被检试件的形状、尺寸、材质和质量要求等来选定检测线圈的种类。
相应地,涡流探伤也常依据检测线圈的形式来进行检测方法的分类。
常用的检测线圈有三类,它们的使用范围见表2-1所示。
表2-1检测方法与应用分类
检测线圈
检测对象
应用范围
外穿式线圈
管、棒、线
在线检测
内穿式线圈
管内壁、钻孔
在役检测
探头式线圈
板、坯、棒、管、机械零件
材质和加工工艺检查
外穿式线圈是将被检试样放在线圈内进行检测的线圈,适用于管、棒、线材的探伤。
线圈产生的磁场首先作用在试样外壁,因此检出外壁缺陷的效果较好。
而内壁缺陷的检测是利用磁场的渗透来进行的,故一般说来,内壁缺陷检测灵敏度比外壁低。
厚壁管材的内壁缺陷是无法使用外穿式线圈来检测的。
内穿式线圈是放在管子内部进行检测的线圈,专门用来检查厚壁管子的内壁或钻孔内壁的缺陷,也用来检查成套设备中管子的质量,如热交换管的在役检验。
探头式线圈是放置在试样表面上进行检测的线圈,它不仅适用于形状简单的板材、板坯、方坯、圆坯、棒材及大直径管材的表面扫查探伤,也适用于形状较复杂的机械零件的检测。
与穿过式线圈相比,由于探头式线圈的体积小,磁场作用范围小,所以适用于检出尺寸较小的表面缺陷。
由于使用对象和目的不同,检测线圈的结构往往不一样。
检测线圈由一只线圈组成,为绝对检测方式;由两只反向连接的线圈组成,为差动检测方式。
同时,为了达到某种检测目的,检测线圈可以由多个线圈串联、并联或相关排列组成。
多个线圈绕在一个骨架上,为自比较方式;绕在两个骨架上,其中一个线圈中放入已知样品,另一个用来进行实际检测,为他比较式。
检测线圈的电气连接也不尽相同。
检测线圈使用一个绕组,既起激励作用又起检测作用,为自感方式;激励绕组与检测绕组分别绕制,为互感方式;线圈本身是电路的一个组成部分,为参数型线圈。
涡流检测的探头线圈是涡流检测系统的关键,它是由金属导线绕制而成。
探头线圈除了具有电感外,导线还有电阻,各匝线圈之间有电容,所以,一个线圈可以用一个由电感、电容和电阻串联的电路表示,通常忽略线匝间分布的电容,即线圈自身的复阻抗可用式(2.1)表示。
(2.1)
这里X1=ωL,ω为线圈激励频率,L为线圈电感。
为了分析方便,我们将被测金属材料中形成的电涡流等效为一个短路环中的电流,这样线圈与被测金属板材便可等效为相互祸合的两个线圈,如图2-2所示,R,为线圈的电阻,L1为线圈的电感,R2为短路环的电阻,L2为短路环的电感,M为线圈与短路环之间的互感,M随它们之间的距离x的减小而增大,U1为激励源电压。
由等效电路和基尔霍夫定律可列出两个回路的电压方程为:
图2.2等效电路
(2.2)
解方程组可得:
(2.3)
由式(2.3)可得线圈的总阻抗Z为:
(2.4)
于是可以得出当探头线圈置于被测试件上时的等效电阻R和等效阻抗XL分别为:
(2.5)
(2.6)
这里引入阻抗的概念,由式(2.5),(2.6)可得:
(2.7)
则有:
(2.8)
可见,有金属板材影响后,线圈阻抗的实数部分即有效电阻增加;而虚数部分即等效电感减小,这样使线圈阻抗发生了改变,这种作用称为反射阻抗作用。
因此,电涡流传感器工作的原理,实质上是由于受到交变磁场作用的金属板材中产生的电涡流起到调解线圈原来阻抗作用的结果。
其中探头线圈的阻抗发生变化,其变化量可用折合阻抗(ZZ=RZ+XZ)来表示,我们就定义折合阻抗与原边线圈本身的阻抗之和称为视在阻抗(ZS=RS+XS)。
应用视在阻抗的概念,就可以认为原边电路中电流或电压的变化,是由于电路中视在阻抗的变化所引起的。
2.2涡流检测技术的概述
2.2.1涡流检测技术的特点
检测速度快,易于实现自动化
由于涡流检测的基本原理是电磁感应,涡流检测只适用于能产生涡流的导电材料。
涡流检测线圈激励后所形成的电磁场实质是一种电磁波,具有波动性和粒子性,所以检测时传感器不需要接触工件,也不必在线圈与试件之间填充耦合剂,因此检测速度快,对管、棒材的探伤每分钟可检查几十米;对丝、线材的探伤每分钟可达几百米,甚至上千米,因此,易于实现自动化检测。
表面、亚表面缺陷检出灵敏度高
由于感生涡流渗入被检试件的深度与试验频率的平方根成反比,这个深度不大,因此,涡流检测通常被认为是一种检测表面或近表面质量的无损检测技术。
常用试验频率的范围为几赫兹至几兆赫兹(特殊的可高达上百兆)。
抑制多种干扰因素
涡流检测能对试件性能的多种参数作出反应,因此,是一种多用途的检测方法。
同时,由于检测中对多种参数的敏感反应,工件的无关参数将形成多种干扰信号,严重的干扰信号可影响对有效信号的辨认,给检测结果的判断带来困扰。
这就要求在检测时,应采用各种有效措施来消除干扰因素的影响,确保检测的可靠进行
多用途的检测技术
对试件中涡流产生的影响因素主要有:
金属物体的电导率和磁导率、试件的尺寸和形状、线圈和试件间隙的大小、试件内部的缺陷等。
因此,涡流可以应用于多个不同的领域,除探伤外,还能测量工件的电导率、磁导率、晶粒尺寸、热处理状态和工件几何尺寸,涂层(或镀层)厚度。
它适用于铁磁性、非铁磁性金属或金属工件的各种物理的、组织的冶金状态检测。
2.2.2磁饱和涡流检测技术
钢管是铁磁性材料,其相对磁导率高达几百至几千。
铁磁性金属在经过加工处理后,会引起金属体内部磁导率分布的不均匀。
在涡流探伤中,金属磁导率的变化会产生噪声信号。
一般来说,磁噪声对线圈阻抗的影响往往远大于缺陷的影响,给缺陷的检出带来困难。
经过磁饱和处理后的铁磁性材料可以以非铁磁材料对待。
采用磁饱和技术,使钢管在探头部位处于局部磁饱和状态,外加稳恒磁场H达到一定值后,金属的磁感应强度B不再增加,这样相对磁导率μr=B/H为相对固定的一个常数,相对磁导率μr趋于饱和状态,这样磁噪声消除,极大的提高了信噪比。
但必须看到,对钢管实施磁饱和的方式是漏磁检测方法中的激励方式。
漏磁法检测基本原理是:
被测材料在外加磁场作用下被磁化,当材料中无缺陷时,磁感应线基本被约束在被测材料中,此时磁力线均匀分布;当材料内部有缺陷时,磁力线发生弯曲,并且有一部分磁感应线泄漏出材料表面,形成漏磁场,用磁敏传感器检测被磁化材料表面逸出的漏磁场,就可判断缺陷是否存在。
由此可知,缺陷处有漏磁场存在。
2.2.3磁场对涡流检测信号的影响
涡流检测是以电磁感应原理为基础的无损检测方法。
当导体置于交变磁场之中,导体中就会有感应电流产生。
由于导体自身各种因素的变化,会导致感应电流的变化,利用这种现象判知导体性质、状态及有无缺陷的检测方法叫涡流检测。
根据楞次定律内容感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
楞次定律计算公式;其中E是感应电动势,N是线圈圈数,Φ是磁通量。
从楞次定律及其计算公式我们可以得出磁场对涡流检测信号是有影响的。
3检测系统设计及涡流信号的研究
3.1试样及实验装置
铝管外径为89㎜,壁厚10㎜。
在铝管上加工2个外部刻槽是为了对比永磁体模拟漏磁场时涡流检测信号。
铝管外径为89㎜,壁厚为10mm,在距两侧为各500㎜的地方分别加工1个外部刻槽C1、C2。
其中C1深0.5㎜,宽1㎜。
C2深1㎜、宽为1㎜。
为后期实验中对比永磁体模拟漏磁场时涡流检测信号做准备。
Ø89铝管结构如图3.1所示。
图3.1铝管结构示意图
Ø89铝管参数见下表3-1。
表3-1Ø89铝管参数
直径
D
壁厚
δ
环形槽(宽×深)
总长
L
C1(外伤)
C2(外伤)
1100
Ø89
10
1×0.5
1×1
采用永磁体模拟一个漏磁场源,如图3.2所示。
在10mm厚铝板下放置一个钕铁硼永磁铁,大小为Ø5mm×10mm。
用放置式探头在铝板上方扫查永磁体对应部位,观察涡流仪上信号的显示。
为后期实验中对比永磁体模拟漏磁场时涡流检测信号做准备。
图3.2永磁体模拟漏磁场源示意图
选用涡流仪为EEC-22+智能金属棒涡流探伤仪。
EEC-22+智能数字式金属管棒涡流探伤仪是采用最先进的涡流技术,数字电子技术和微机技术设计而成的新一代涡流设备。
它适用于各种金属管、棒、线材以及其它零部件的在线探伤、测厚与分选。
EEC-22+具有很宽的测试频率,从64Hz至4MHz均具有石英晶体稳定度。
因此,对不同导电率的金属管道(无缝管或焊管)及棒材、线、丝材都适用。
EEC-22+采用涡流阻抗平面技术和时基扫描技术,实时显示检测对象的涡流变化二维图形及二个内部带式曲线。
全部操作采用菜单式人机对话,键盘控制。
标准检测程序可大量存贮于软、硬盘中,方便用户随时调用。
重要的检测结果可冻结在屏幕上加以文字注释,并可永久存贮于软硬盘中,或可打印成硬拷贝。
EEC-22+的另一个显著优点是具有独创的非等幅相位/幅度报警技术,该技术比扇形区域报警能更好地适应涡流场趋肤效应的特点。
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