基于三维磁场的三轴漏磁管道缺陷检测技术研究

基于三维磁场的三轴漏磁管道缺陷检测技术研究

随着石油、天然气等能源需求的逐渐增加，管道作为最基本、最经济的能源运输方式之一的安全性越来越受到重视。长久以来,管道事故的发生多由管壁的金属腐蚀和缺陷引起。管道漏磁检测技术因不需要耦合、价格低廉等特点,是目前应用最广泛也是最成熟的技术。然而根据漏磁场理论,检测到的漏磁场信号与尺寸之间是复杂的非线性关系,这使得根据检测到的漏磁场信号清晰识别缺陷尺寸成为难点。目前,针对这一问题,主要有两种解决方法,一种是提高传感器分辨率,另一种是根据漏磁场三维特性,增加漏磁场检测分量,用来判断缺陷的类型。三轴漏磁缺陷检测技术通过对轴向、径向和周向三个方向的漏磁信号的检测,较多地反映了缺陷的信息,可较好地检测轴向裂纹等缺陷类型。1有漏磁的管壁缺陷检测技术三轴漏磁检测原理以漏磁检测原理为基础,是利用永磁铁将管壁饱和磁化,即由永磁铁产生的磁力线通过钢刷耦合进入管壁,使磁铁间的管壁达到磁饱和状态,并传到另一钢刷和永磁铁,两个永磁铁之间由轭铁连接,最终由永磁铁、钢刷、管壁和铁心形成磁回路(图1)。当磁力线通过管壁时,在管壁没有缺陷的情况下,磁力线全部被束缚在管壁中,没有漏磁的迹象。当管壁有缺陷时,由于磁力线经过的管壁横截面积变小,缺陷处空气的磁导率远小于管壁本身,使得缺陷处磁阻变大,磁力线发生偏折,在缺陷处穿出形成漏磁场。在管壁缺陷处漏出的磁力线分别在轴向、径向和周向方向上有对应强度分布变化。三轴漏磁检测技术将缺陷处形成的空间三维矢量场漏磁场分为轴向、径向和周向分量,并在两永磁铁之间紧贴管壁处,放置三相正交霍尔传感器,测量出缺陷漏磁场的轴向、径向和周向漏磁分量,判定缺陷处三维漏磁场,提高对特殊缺陷类型和大小的判断精度。当有漏磁场产生时,漏磁信号被霍尔传感器检测到,并利用霍尔原理产生相应的感应信号。缺陷漏磁场的形状的形成与缺陷本身特点有关,经传感器产生感应电信号,经过滤波放大和模数转换等环节,最终被记录到存储器中。缺陷处产生的漏磁信号反映出缺陷的信息,通过对信号的分析,可推断出缺陷的类型和尺寸。三轴漏磁检测技术通过检测三个方向的漏磁信号,较多地记录了缺陷的信息。2实验平台2.1检测结果的分析三轴漏磁检测实验平台主要由被测钢板和机械小车组成。其中机械小车主要由励磁装置、三相正交霍尔探头和数据采集系统组成。被测钢板放置于水平地面上,并固定好,防止测量时因机械小车上的永磁铁磁性较强,对钢板的吸力较大,使得推动时连带着被测钢板一起移动,导致采集结果准确度降低。在被测钢板上刻有轴向裂纹和周向裂纹等类型的缺陷。机械小车的检测部分主要由永磁铁、轭铁和三轴漏磁探头模块组成。其中永磁铁共分为两排,每排6块,共12块,足以保证被测钢板的饱和磁化,以达到最佳的检测效果,每个三轴漏磁探头和被测钢板间放置有耐磨片。耐磨片承载探头,并被固定于两组永磁铁之间,紧贴被测钢板,使得三轴漏磁探头被固定于两组永磁铁中轴线上,同时也防止实验过程中探头被损坏。三轴漏磁探头通过引线连接至放大滤波电路系统和数据采集系统,最终连入计算机。实验平台原理图如图2所示,图中X、Y、Z分别代表三轴漏磁探头检测缺陷漏磁场后产生的相应轴向、径向和周向信号。当计算机接收到检测数据后,利用数据采集处理软件,描绘出采集到的感应电信号的波形。同时存储采集到的数据,并进行分析处理,确定缺陷的类型和尺寸等。2.2主要结构2.2.1钢板厚度、厚度对缺陷的影响励磁系统包括被测钢板和机械小车上的励磁装置。实验过程中励磁方式为轴向励磁,其中被测钢板选用X52钢,厚度为7mm,钢板上同一面分别刻有长度和宽度相同、深度均为钢板厚度的10%的轴向缺陷和周向缺陷,可用于正反面检测,用以试验检测钢板内外伤。永磁体选用N45等级的铷铁硼稀土永磁体。2.2.2相位性传感器三轴漏磁探头的每个探头模块由4组三相正交霍尔传感器组成,每3个霍尔传感器为一组。根据霍尔效应原理,当磁场方向与电路方向垂直时,产生的感应电信号最大。因此三相正交霍尔传感器中的3个霍尔传感器互相之间紧密相连,并分别垂直于管道轴向、管体表面径向和管道周向,用于最大限度地检测缺陷处三维漏磁场的轴向、径向和周向分量,获取更多的缺陷信息。三相正交霍尔传感器制成后,在耐磨片上并排放置四组,用于同时测量多路信号。2.2.3机械小品脉冲信号的模拟数据采集系统包括放大滤波电路和数据采集卡。三轴漏磁探头由霍尔传感器组成,霍尔传感器输出信号较微弱,容易受到现场环境和电路间信号的干扰。利用放大电路将输出信号放大,同时通过低通滤波电路,去掉信号中掺杂的噪声等干扰信号,使最终采集到的信号变得清晰。其放大滤波电路图如图3所示。检测信号经放大滤波后,由数据采集卡进行模数转换。数据采集卡采用型号为UA301的12位盒式采集器,最高采样频率为100kHz。模数转换完成后,数据采集卡通过USB接口将数据传入计算机。计算机中安装有基于VB编制的数据采集处理软件,可以通过显示器实时看到所采集数据的显示波形。在机械小车前段,安装有里程轮。当机械小车运动时,里程轮也会随之运动,并产生脉冲信号。这一脉冲信号经由电路传送给计算机,并用数据采集处理软件接收处理。通过设置,数据采集处理软件上的显示页面会按照里程轮产生的脉冲进行定量的画面显示,当里程轮处于静止状态,相应的显示界面也不再有数据波形显示。3磁通密度的计算在进行三轴漏磁检测实验之前,利用有限元仿真软件ANSYS对实验装置进行仿真分析,基于三轴漏磁理论分析,得出相应仿真结果,为后续实验提供理论基础和参考。建立三维有限元模型进行静态磁场仿真分析。ANSYS的分析过程包含三个步骤:前处理;求解;通用后处理。根据三轴漏磁检测实验平台设备的材料属性,为三轴漏磁检测仿真模型中的材料建立材料属性库,主要的仿真材料属性如表1所示。根据仿真材料属性,为三轴漏磁检测建立ANSYS三维仿真模型。主要仿真部分为励磁系统部分(图4)。图4中所示主要包括刻有缺陷的被测钢板、永磁铁和轭铁。在ANSYS软件中对仿真模型添加饱和磁化条件,并进行磁场强度计算。查看计算结果,得到磁通密度矢量分布图如图5所示。图中可以清晰地看到三轴漏磁检测实验励磁系统部分的磁通密度分布。通过ANSYS仿真软件,可以查看到励磁系统不同角度和不同位置的磁场走势和磁通密度,为三轴漏磁缺陷检测实验提供了理论基础和参考。4检测出缺陷的长度和深度图6所示为缺陷处轴向漏磁信号的波形图,根据电磁场原理,磁场在缺陷的轴向方向形成的漏磁场形状为波峰型。根据霍尔效应原理,当霍尔传感器与漏磁场对应方向的分量相互垂直时,产生的感应信号的绝对值最大。因此,由霍尔传感器检测到的数据波形为波峰型,即在缺陷的轴向方向两端为较陡的曲线,在缺陷中间为波峰峰顶。在三轴漏磁检测中,检测到的轴向漏磁信号在波形变化的宽度上可以反映出缺陷的长度,即缺陷在轴向方向上的尺寸。通过对轴向漏磁信号的幅度测量,其大小可以一定程度上反映出缺陷的深度。图7所示为缺陷处径向漏磁信号的波形图,根据电磁场原理,磁场在缺陷的径向方向形成的漏磁场形状为波峰型。根据霍尔效应,检测出的感应信号波形理论上应该为连续的波峰波谷型。检测到的径向漏磁信号在幅度上的测量,其大小可以一定程度上反映出缺陷的深度,通过峰峰值之间的距离的大小可以较清晰地反映出缺陷的长度。通常在管道漏磁检测中,径向漏磁信号检测效果一般较为清晰,检测信号的波形对于缺陷长度和深度的判断提供了较好的依据。图8所示为缺陷处周向漏磁信号的波形图,根据电磁场原理,缺陷处的漏磁场周向分量很少,因此,检测到的信号相比于轴向、径向信号微弱。缺陷处漏磁场周向分量的相应检测信号波形的形成原理与轴向漏磁信号相似,形成的漏磁场周向分量对应的感应信号的波形为波峰型,但波形幅值应比轴向漏磁信号小。在三轴漏磁检测中,检测到的周向漏磁信号的最大特点是在波形变化的宽度上可以反映出缺陷的宽度,即缺陷在周向方向上的尺寸,这一点对于轴向裂纹等特殊类型的缺陷具有较好的检测作用。通过对周向漏磁信号的幅度测量,并与轴向漏磁信号和径向漏磁信号的幅度大小相结合,可以一定程度上反映出缺陷的深度。5缺陷检测原理及检测方向轴向裂纹等类型缺陷在轴向励磁下形成的漏磁场较为特殊,检测难度较大