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管道端头缺陷检测技术的研究 摘要 漏磁检测技术由于其所具有的速度快，灵敏度高，对检测对象的表面 清洁度要求不高等优点而得到广泛应用。但是由于管体检测装置不适合用 于管端缺陷的检测，管端缺陷检测会存在着较大的检测盲区。而传统的磁 粉检测方法检测速度慢、范围小且受人为影响太大，不适合管道大批量检 测的要求。 本文试用a n s y s 有限元分析软件对管道管端建立静态磁场模型，对 模型中缺陷的磁感应线进行分析和研究，找到了适合于管端检测的高速缺 陷检测方法。 在本文中通过对漏磁检测形成机理和缺陷漏磁场产生和提取的研究， 得到了管道磁化方式、缺陷形状大小、传感器类型和提离值的选择等因素 与漏磁信号产生和提取之间的关系。重点研究了管道缺陷检测过程中会出 现端头检测盲区的原因和磁力线散射现象对管端检测的影响，并引入了有 限元分析的思想和a n s y s 软件对管端缺陷进行建模和求解，通过讨论管 端增设引体管和没有增设引体管这两种不同模型下磁力线的分布情况，论 证了引体管的引入对于解决管端磁力线散射干扰问题和消除检测盲区的 重要作用。 分析了管端缺陷检测系统的结构组成，并对管端检测装置、信号采集 和处理电路、h y 6 0 7 0 c 数据采集卡和计算机系统智能化检测各主要部分 进行了较为深入的研究，该系统技术指标完全可以满足设计的需求。对 a d 数据采集卡虚拟驱动程序的编写和检测数据库主要操作方法也进行 了适当的研究和讨论，a c c e s s 数据库界面友好，功能全面能很好的满足检 测数据库具体操作的需求。 关键词： 漏磁检测、缺陷、检测盲区、有限元分析、信号处理、虚拟驱动、检 测数据库 t h er e s e a r c ho fd e f e c td e t e c t i n gt e c h n o l o g yo fp i p eh e a d a b s t r a c t m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ( m f l ) d e t e c t i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e df o ri t sh i g h s p e e d ，h i g hs e n s i t i v i t ya n dl o wr e q u i r e m e n tf o rs u r f a c i n gc l e a n n e s s b e c a u s et h e e q u i p m e n ti sn o te f f e c t i v ef o rd e t e c t i n gd e f e c t so fp i p eh e a d ，al a r g eb l i n dz o n el i e s i nt h ep i p eh e a d t h et r a d i t i o n a lm a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ( m t ) t e c h n o l o g yh a st h e d i s a d v a n t a g eo fs l o ws p e e d ，n a r r o wr a n g ea n de a s yi n f l u e n c eb ym a n sa c t i v i t y ；s o t h a ti ti sn o ta v a i l a b l ef o rt e s t i n gal a r g em o u n to fp i p eh e a d s i nt h i sp a p e rw ee s t a b l i s hat w od i m e n s i o n a ls t a t i cm o d e lb ya n s y ss o f t w a r e ， a n a l y z et h el i n e so fm a g n e t i ci n d u c t i o no fd e f e c t si nt h em o d e l ，a n df i n do u ta h i g h s p e e dm e t h o df o rd e t e c t i n gt h ed e f e c t so fp i p eh e a d i nt h ep a p e rw ef i r s t l yi n t r o d u c et h em e c h a n i s mo fm f ld e t e c t i n g ，o fw h i c h t h ef o r m a t i o na n de x t r a c t i o no fm f la r et h ek e yp o i n t s t h e nw ed i s c u s sh o wt h e f a c t o r si n c l u d i n gm o d eo fm a g n e t i z a t i o n ，s h a p ea n ds i z eo fd e f e c t ，m a t e r i a l so f s e n s o r , l i f t - o f fv a l u ei m p a c tt h ed e f e c td e t e c t i n g w em a i n l ya n a l y z et h er e a s o no f f o r m a t i o no fp i p eh e a d sd e t e c t i n gb l i n dz o n ed u r i n gt h ed e t e c t i n gp r o c e s sa n dt h e i m p a c to fs c a t t e r i n go fm a g n e t i cf i e l dl i n e s b yi n t r o d u c i n gt h et h o u g h to ff e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) a n da n s y ss o f t w a r e ，w em o d e la n ds o l v et h ed e f e c t d e t e c t i n gp r o b l e m ，a n dd e m o n s t r a t et h ei m p a c to fl e a dt u b et os o l v et h ep r o b l e mo f s c a t t e r i n ga n dd i s t u r b a n c eo fm a g n e t i cf i e l dl i n e sa n de l i m i n a t et h eb l i n dz o n eo f d e t e c t i n g ，b yd i s c u s s i n gt h et w od i f f e r e n td i s t r i b u t i o n so fm a g n e t i cf i e l dl i n e s w h e t h e rl e a dt u b ei sa t t a c h e dt op i p eh e a do rn o t t h ep a p e rw ep u te m p h a s i so nm o d u l a rc o m p o n e n t so fd e f e c td e t e c t i n gs y s t e mf o r p i p ee n d ，m a k ea d e t a i l e de x p l a n a t i o no fc r u c i a lp a r t sw h i c hi n c l u d e sd e t e c t i n g d e v i c e ，c i r c u i to fm a i ns i g n a lc a p t u r i n ga n dp r o c e s s ，h y 6 0 7 0 c a dd a q ( d a t a - a c q u i s i t i o nb o a r d s ) a n di n t e l l i g e n td e t e c t i n go fc o m p u t e rs y s t e m w ea l s o m a k ead i s c u s s i o no fv i r t u a l - d r i v eo fs y s t e m ，a n da p p l i c a t i o no fd e t e c t i n gd a t a b a s e w h i c hh a saf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ea n do v e r a l lf u n c t i o n st om e e tt h eo p e r a t i o n r e q u i r e m e n t k e y w o r d s ： m a g n e t i cf l u xl e a k a g e 、 a n a l y s i s 、s i g n a lp r o c e s s i n g 、 d e f e c t 、b l i n dz o n eo fd e t e c t i n g 、f i n i t ee l e m e n t v i r t u a ld e v i c ed r i v e r 、d e t e c t i n gd a t a b a s e 插图清单 图2 1 漏磁检测基本原理示意5 图2 2 不同深度缺陷提离值与检测信号场强的关系8 图3 1 管道管端施加轴向磁化场示意图9 图3 2 管道缺陷检测的二维静态模型1 7 图3 3 管端缺陷磁场分布图1 8 图3 4 加引体后的静态模型1 8 图3 5 加引体管端磁场分布图1 9 图3 6 加引体有缺陷管端磁场分布图2 0 图4 1 管端缺陷检测系统的模块组成2 1 图4 2 管端非轴向缺陷检测装置2 2 图4 3 检测系统的信号采集部分。2 2 图4 4 前端预放大电路结构图。2 3 图4 5 多路缺陷信号处理器的运算方式2 3 图4 6h y 6 0 7 0 ca d 数据采集卡结构图2 5 图4 7 管端检测系统检测图形2 6 图5 1v x d 中断处理流程。3 0 图5 2 读写查询操作3 6 插表清单 表5 1 管材信息表3 3 表5 2 检测参数表3 4 表5 3 检测信息表3 4 表5 4 缺陷统计表3 4 表5 5 检测结果表3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得金壁互些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签字：名音岔 签字日期：沙b 年v 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些丕堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金蟹王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签轹启身揍 导师签名： 签字日期：h i ，年年月q 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： ；础七 i i i i - 7 1 1 1 1 ：彻f 口年母月刁日 n 电话： 邮编： 致谢 硕士研究生两年多的美好时光即将过去，在我人生的这一重要阶段中，得 到了许多老师和同学的热情帮助和关怀，一直心存感激，在此表示由衷的感谢。 首先向我的导师何辅云教授表示深深的感激。在硕士的学习过程中，何老师从 各个方面给予了我极大的关怀和耐心的指导，我取得的每一点进步都离不开何 老师的悉心指导与教诲。何老师渊博的专业知识、严谨的治学作风、言传身教 的学者风范、平易近人的工作作风和忘我工作的奉献精神都是我学习的榜样。 何老师对我在学习、做事和为人等方面的熏陶将使我受益终身。在此，对导师 何辅云教授再次表示最衷心的感谢和崇高的敬意。 在课题的研究过程中我还得到了张海燕老师、李亮、王振、蒯淑君、李冬、 曲贺楠、胡文彬等同学的热情帮助，同时还得到了合肥齐美有限公司各位老师 和前辈的帮助和关心。在此致以我诚挚的感谢! 感谢他们无私的帮助使我能够顺 利完成课题研究；同时我要感谢母校合肥工业大学这七年时间对我的悉心培养! 最后感谢我的家人在生活上对我的关心和照顾，在学习上给我的鼓励和支 持。是他们多年的养育、爱护和支持使我完成了学业，向他们表示深切的感激。 作者：李睿智 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 漏磁检测介绍1 1 1 1 2 l 无损检测技术( n o nd e s t r u c t i v et e s t i n g 简称n d t ) ，又名非破坏检测技术， 是第二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的工程科学技术。它是利用物质 中因存在缺陷或组织结构上的差异而使表征某些物理性质的物理量发生变化的 现象，以不使被测物体使用性能及形态受到损伤为前提因素，通过合适的检测 手段来测量、显示和评估这些变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件等 性质、状态或者内部结构等。它最突出的特点是无损探伤，因此在工业生产、 物理研究、生物工程以及医疗诊断等广大领域获得了极大的重视并得到迅速的 发展，在质量保证体系中占有相当重要的地位，是现代工业产品制造和使用过 程中不可或缺的常用测试技术之一。 漏磁检测由于具有速度快、测量范围大和无耦合剂，并不需要任何防护设 施等，可以可视化、无盲区、自动化动态检测等优秀的性能，所以应用领域十 分广泛。 漏磁检测技术运用的方法主要是先将铁磁性材料在磁场中磁化，使材料表 面或者近表面缺陷或组织状态发生变化，使导磁率改变，而从增加了磁阻，使 得磁路中的磁通相应发生畸变，除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料内部绕 过缺陷外，将有一部分的流量将离开材料表面，通过空气，然后再重新进入材 料，这将会在材料表面的缺陷处形成漏磁场。直接探测磁场使用诸如磁性元件 等特殊装置探测并记录漏磁通的存在来实现【3 儿引。 1 2 漏磁检测技术的发展 1 9 6 5 年，美国t u b o s c o p e 公司研制的l i n a l o g 漏磁通型检测器( m f l p i g ) 投入使用。1 9 7 7 年，英国b r i t i s h g a s 公司研制成功直径为6 0 0 m m 的漏磁管道 检测装置。至今，美国的t u b o s e o p e ，德国的f o r s t e r ，英国的b r i t i s h g a s ，加 拿大的c o r r p r o 等已经成了可以向用户提供一系列管道探伤设备的世界著名大 公司。 现在，随着中国对石油的冶金工业的快速发展，中国已先后进行了漏磁检 测的产品开发，在中国冶金行业的生产企业数量的石油需求漏磁探伤仪。上海 威远公司和合肥齐美检测设备有限公司等在漏磁检测领域采取了成功的一步。 合肥工业大学自从九十年代已启动石油管道和设备自动化技术研究测试， 并取得一定成效，积累丰富经验，这些用于石油和天然气管道和高速检测系统 为管道检测奠定了坚实基础。我校从1 9 9 1 年开始，对二维漏磁管道检测装置进 行研究。我校生产的l m t - 1 型管道漏磁检测装置于1 9 9 3 年在胜利油田投入运 行，紧接着l m t 0 2 型管道漏磁检测装置于1 9 9 7 年在大港油田投入运行，l m t - 3 型管道漏磁检测装置也于1 9 9 9 年在辽河油田投入运行。 1 3 管道管端漏磁检测面临的挑战 但是漏磁检测设备在检测管道时，对于管道管端大约3 0 0 m m 的管段往往不 能很好的检测，也就是说无论是t u b o s c o p e 公司、德国f o r s t e r 的设备还是合肥 齐美的设备，都相应的存在着检测盲区。我们知道，特别是管道管端处往往就 是管道事故多发处，所以对于管道管端的检测就显得尤其重要。 目前，对于管道管端质量检测一般只能采用磁粉探伤法。磁粉探伤法是局 部探伤的传统方法，其检测速度很慢、范围小且检测过程的人为因素影响很大、 检测不能自动化和智能化，不适合大批量检测和探伤。这就需要一种高效率的 可以检测各种管道管端部分缺陷的自动化高速检测技术。 然而，由于管端检测条件的特殊性( 管端磁力线散射形成的散杂磁场，高 导磁率的磁性材料对管端磁场的干扰) 管端检测设备在国内外的发展举步维艰， 难以实现突破性进展。 1 4 本文主要研究内容 本课题是在目前国内外管道管端检测技术明显滞后于管体检测技术的前提 下提出的，针对的是当今端头检测技术上的难点。 本论文主要内容： ( 1 ) 介绍漏磁检测的基本原理，重点说明管端盲区的消除方法，并对影响 管端漏磁检测的因素作了一定的分析和讨论。 ( 2 ) 用a n s y s 软件建立管端缺陷检测的有限元静态模型，通过分析和比 较各种缺陷检测模型磁场分布情况找到了适合管端非轴向缺陷检测的检测方 法。 ( 3 ) 研究管道端头漏磁检测的系统模块组成，并对管端检测装置、信号采 集和处理电路、h y 6 0 7 0 c 数据采集卡和计算机系统智能化检测各主要部分进行 了较为深入的研究，对管端漏磁检测中数据采集卡虚拟驱动的编写和检测数据 库的应用进行了适当的分析和讨论，a c c e s s 数据库界面友好，功能全面能很好 的满足检测数据库具体操作的需求。 本文的各章节内容安排如下： 第一章绪论，主要介绍了漏磁检测的基本概念，漏磁检测技术的发展过程和管 道管端检测发展现状及面临的问题，从而引出了对管道管端缺陷检测技 术进行深入研究的必要性。 第二章介绍了管道漏磁检测的基本原理和管道缺陷检测技术，其中缺陷漏磁场 的产生和提取是管道漏磁检测的关键，然后分别讨论了磁化方式、缺陷 形状大小、传感器材料和提离值等因素对于缺陷检测的影响。 第三章介绍了有限元分析方法的主要思想和a n s y s 软件电磁场分析的具体过 程，应用a n s y s 有限元分析软件对管端非轴向检测建立静态磁场模型， 2 提出了具体解决方法，在此基础上模拟仿真加以论证。 第四章分析管端缺陷检测系统的结构组成，并对管端检测装置、信号采集和处 理电路、h y 6 0 7 0 c 数据采集卡和计算机系统智能化检测各主要部分进 行较为细致的研究。 第五章研究管道管端缺陷检测软件的有关开发和应用，主要完成了对h y 6 0 7 0 c a d 数据采集卡检测过程的分析和其虚拟驱动程序的编写，对检测数据 库做了适当的研究并简要的介绍了检测数据库的主要操作。 第六章总结和展望，对整个论文做了一个总结，并对后续工作提出自己的想法 和见解。 3 第二章管道漏磁检测的相关原理 2 1 漏磁检测原理1 5 1 1 8 i 物质能够吸引铁、钴、镍等材质的特性叫做物体的磁性。铁、钴、镍以及 某些合金，都能被磁铁所吸引，这些物质被称为铁磁材料。介质中磁场的分布 情况和磁性材料的性质和形状等因素都有关，一般很难用解析式表达，可以用 磁场强度h 来表示，也可以用磁力线进行形象的描述1 9 】。 在单一的介质中磁力线的分布是连续的和均匀的，但是在不同的介质中磁 力线的方向将在材料相互接触的界面上产生改变，和光和声音会产生折射的道 理一样，这种现象叫做磁力线的折射，如图2 1 所示。如果两种材料的磁导率 相差比较大，比如铁和空气，假设铁是介质1 ，空气为介质2 ，两种介质的磁导 率为肛l 和“2 ，则他们之间存在下面的关系： t a n 0 1 ：一u l ( 2 1 ) t a n 0 2u 2 g , l = l ，p 2 l ，则可推出q 接近于9 0 0 ，日，约等于0 。即磁力线从铁材质折 射进入空气以后几乎垂直于界面，这样会引起磁力线路径的改变，导致部分磁 通量泄漏出铁材质材料的表面从而形成漏磁场。 0 2 - 介质2 ， 介质1 | | 8 l 图2 1 磁力线折射示意图 铁磁材料在外磁场的作用下，磁感应强度b 和外加磁场强度h 会有下面的 关系： b = 脾 ( 2 2 ) 式中b 的基本单位为t ，p 是磁导率，基本单位为h m ，h 的基本单位为a m 。 漏磁检测即是通过检测被磁化的物质表面所泄漏出的漏磁通来判断缺陷是 否存在。漏磁检测原理示意图如图2 1 所示一块表面光滑无裂纹，内部无缺 陷或夹杂物的铁磁性材料被磁化后，其磁力线在理论上全部通过由铁磁材料构 成的闭合回路，如图2 1 左侧所示；如果存在缺陷，由于铁磁材料与缺陷处介 质的导磁率不同，缺陷处的磁阻大，在磁路中可以视为障碍物，则磁通会在缺 陷处特性发生改变，如图2 1 右侧所示。 4 畸变磁通分为三个部分：图2 1 右侧中部分1 穿过缺陷，部分2 经过裂纹 周围的铁磁材料绕过裂纹，部分3 则离开铁磁材料表面，经过空气或其它介质 绕过裂纹。第3 部分畸变磁通即所谓的漏磁通，就是检测探头能检测到的部分。 漏磁检测也即是通过检测部分3 判断材质中是否存在缺陷的【9 1 。 图2 1 漏磁检测基本原理示意 2 2 管道缺陷检测的影响因素 在实际检测过程中，由于检测条件的复杂性和管道中真实缺陷形状的不确 定性，影响管道缺陷检测的因素很多，可从缺陷漏磁场的产生和提取两大方面 分析将其影响因素主要分为下面四个方面。 2 2 1 管道磁化方式的影响 管道缺陷检测的灵敏度是漏磁检测研究中的一个重要指标。根据不同的磁 化方式对缺陷类型检测的灵敏度不同磁化方式分为轴向磁化和非轴向磁化两种 方式。按照对于管道施加不同的磁化方向缺陷的检测可划分为轴向缺陷检测和 非轴向缺陷检测两种。轴向磁化方便检测与轴向垂直的缺陷但对于轴向缺陷的 检测不灵敏；非轴向磁化方便检测与轴线平行的缺陷但对于非轴向缺陷得检测 不灵敏。即采用了轴向磁化和非轴向磁化的磁化方式可发现大多数方向的缺陷。 无论轴向磁化、非轴向磁化还是复合方式磁化的原理都要产生足够大的磁化场 使检测管道在其中能充分磁化而使内部缺陷产生缺陷漏磁场，然后通过传感器 提取。对于铁磁性材料分别进行轴向磁化和非轴向磁化检测横向、纵向和其它 方向分布的缺陷的磁化方式称为二维磁化，对于管道缺陷进行全方位的二维磁 化后检测能提高缺陷漏磁信号提取的准确性、全面性和精确性。 磁化场的大小与缺陷漏磁场的的产生具有下面两个关系：当磁化的程度比 较低的时候，相对来说漏磁场较小，增长的速度相对缓慢；当磁感应强度达到 使缺陷充分磁化程度的8 0 左右时，缺陷漏磁场较大，增长的速度明显加快。 管道缺陷检测过程中分别施加轴向和非轴向磁化使待检测管道充分磁化后 可以通过管道检测设备上固定的或者旋转的传感器组成的传感器阵列和探头提 取缺陷处漏磁检测信号以进行后续信号处理。 2 2 2 缺陷大小和形状的影响1 7 i 5 铁磁性材料在外磁场的充分磁化下，其内若有缺陷，在缺陷内形成的磁场 会随着缺陷的形状和大小的变化而改变。实验显示：缺陷在材料表面形成的缺 陷漏磁场会与缺陷形状有关，即缺陷宽度越小、越贴近材料近表面、漏磁场越 尖锐。缺陷截面与磁化场垂直时，形成的信号越强，对于缺陷界面与磁化场垂 直的缺陷相对而言具有更高的检测力；若缺陷截面与磁场方向平行时，缺陷形 成的漏磁场很小，这样缺陷是很难被检测到的。当缺陷的宽度相同时缺陷深度 的增加漏磁场也会逐渐增大，但是到一定量值时漏磁场的增大将趋缓【l 引。 2 2 3 传感器材料选择的影响【1 1 1 1 3 3 1 传感器阵列由感应式、霍尔式或磁敏二极管等磁敏元件构成。 霍尔式传感器检测缺陷漏磁信号方法：当电流i 沿与磁场b 的垂直方向通 过时，在与电流和磁场垂直的霍尔元件两侧产生霍尔电势h r ： 0 ：r 日i b ：k n l b ( 2 3 ) f 在式2 3 中，r h 为霍尔系数，k h 称为霍尔元件灵敏度，是霍尔系数r h 与霍尔元件厚度t 之比。当霍尔系数r u 与电流一定时，霍尔电势h r 只取决于 磁场b 的强度，而与元件相对于漏磁场的运动速度无关。由于霍尔传感器的灵 敏度较低( 1 5 m v m a t ) 和其有源性以及传感器之间的点式间断特点，不适合对 油气管道进行重叠覆盖和大规模的高速检测。 磁敏二极管式传感器检测缺陷漏磁信号方法：磁敏二极管的两端正向电压 v 并通过正向磁场b 时，注入的空穴和电子使电流在磁场垂直的方向被弯曲， 而抵达y 区域被急剧中和，其结果表现为电阻增大，电流减小；若施加反向磁 场时，空穴和电子在远离y 区域方向被弯曲，载流子平均寿命增加，表现为电 阻减小，电流i 增大。这样，缺陷漏磁场b 的变化就转换为闭合回路的电流信 号输出。磁敏二极管的灵敏度高达1 0 4 m v m a t ，特别适合检测微弱的缺陷漏磁 信号。 电感元件式传感器对缺陷漏磁检测方法：当电感元件扫查缺陷前侧，缺陷 漏磁的垂直分量向上穿过探头，产生信号的正半周；而其中心与缺陷中心一致 时，缺陷漏磁的垂直分量为零，产生信号的零点；检测探头扫查缺陷后侧时， 缺陷漏磁的垂直分量向下穿过探头，形成缺陷信号的负半周。电感元件探头中 形成的漏磁缺陷信号e 表达式为： p ：- 堕：一m c o s 0d b , d x ( 2 4 ) 班出刃 根据扫查覆盖细微裂纹、孔洞和高速度检测的关系，以及设备应用在温差 较大的地区和油、水、粉尘污染环境要求，相比之下采用电磁感应式传感器阵 列比较合适。 为提高检测灵敏度，减小钢管表面接触噪声和温度影响，单个电磁感应式 6 磁敏传感器是在3 2x5 0 2 ( m m ) 微带内刻成长约1 2 5m i i l ( 2 5 或3 0 r a m ) 的数匝集 成感应线圈。各传感器电阻分量一致，多个传感器阵列贴敷在与钢管表面吻合 的、提离值y 分别为0 8 m m 铜质探头块内。铜质探头上敷设特种非磁性合金的 耐磨头和喷镀氮化钛，极大地提高了探头使用寿命和检测结果的重复性，保证 单探头检测长度接近1 0 0 万米，同时保证在一定的工作期间内，检测探头具有 几乎一致的性能。 由于传感器必须要沿切割磁力线方向扫查才能感应到漏磁通产生电信号。 而管道上轴向缺陷与非轴向缺陷的漏磁通方向是垂直的，非轴向漏磁检测探头 的扫描线速度高，检测灵敏度要高。但它只对轴向缺陷特别灵敏，对其它各种 缺陷灵敏度比轴向检测要低。钢管的非轴向裂纹缺陷使磁力线在轴向弯曲，而 轴向裂纹却能形成强烈的漏磁场。将非轴向漏磁检测与轴向漏磁检测结合，各 种缺陷都被检出。所以检测设备的检测探头必须由两套传感器阵列组成：一套 阵列用于检测轴向缺陷，另一套用于检测非轴向缺陷【2 6 1 【1 ”。 轴向传感器阵列一般有4 、8 、1 6 、3 2 只轴向检测探头，实现对管道圆周的 包围覆盖。例如检测直径小于由1 0 0 的钢管，每只探头弧度约1 0 5 0 ，保证相邻 探头之间有8 0 的互相重叠覆盖；实验和应用都表明：轴向漏磁检测能可靠地检 测钢管的轴向、非轴向缺陷，管体拉伤、坑、麻点，磨槽等各种缺陷【4 0 】； 非轴向传感器阵列采用两组电磁感应式传感器阵列。依据检测速度的要求， 每一只探头内含有多个传感器构成。速度越快，每一只探头内含有传感器个数 越多，它们在钢管轴向检测的长度越长。 两只非轴向探头随磁化器绕钢管旋转时，两条互相重叠的螺旋带覆盖在钢 管外表面。如果探头的长度都为a ，钢管非轴向检测旋转速度为n ，螺旋带的 相互覆盖率2 0 ，检测设备的检测速度为： v = 2 a x n x ( 1 2 0 )( 2 5 ) 缺陷漏磁场h w t 在传感器内形成的缺陷信号e 为： p ：一刀d q , ：一刀兰竺! 皇丝 功功 ( 2 6 ) 式2 6 中n 、s 、g o 分别为传感器匝数、穿过传感器的缺陷漏磁场面积和探 头材料的磁导率。微弱的缺陷漏磁场和极小的n 值，使传感器的输出在2 m v p - p 左右。 传感器的引线将会降低缺陷信号的信噪比。检测时，钢管首先经过锈蚀和 氧化皮壳清除，进入图中检测传送线和定位装置，保证钢管严格沿其轴线通过 检测装置，同时消除接箍的颠动影响；钢管首先在轴向漏磁信号采集、检测区 受到亥姆霍兹磁化装置的充分磁化，缺陷在贴合管壁的传感器阵列内形成缺陷 电信号。这些信号具有不同的宽度、幅度、极性和其它分布特征，经过计算机 识别并与缺陷类型模板比较，检测出有损伤严重的钢管，在监测图形上显示检 测过程和缺陷信号的参数、位置。 7 2 2 4 提离值对检测信号的影响 传感器与管道内壁之间的间距叫做提离值，提离值对检测信号的峰值影响 很大。在其它条件不变的情况下，提离值越小测出的漏磁信号的幅值越大，通 常将bx 信号的峰峰值作为评价其幅值的参量。当缺陷的深度变化时，缺陷漏 磁信号幅值的变化趋势如图2 2 所示： 卜_ 、 毫 莳 提离距离r a m 图2 2 不同深度缺陷提离值与检测信号场强的关系 图2 2 表明，对于不同长度的缺陷，当传感器的提离值逐渐变大时，b xp p 逐渐减小。考虑到传感器的灵敏度大约在十几m t , 当提离值 2 5m m 时将测不 到2 0 壁厚深的缺陷；缺陷的深度越小，传感器提离值的极限值也会越小。为 了获得较大幅值的测量信号，传感器的提离值应该越小越好。但是传感探头的 封装厚度大约为lm m ，且管道内壁附着的蜡质使得传感器探头不可能完全紧 贴管道内壁。综合各种因素，传感器的提离值应该保持在1 5 2m m ，该设 计参数既能保证检测器测到较浅的缺陷，又符合实际的需求【3 0 】。 2 3 本章小结 作为管道管端缺陷检测技术的理论基础，本章首先介绍了物质磁性这一基 本属性，重点介绍了漏磁检测的形成机理。其中缺陷漏磁场的产生和提取是管 道漏磁检测的关键，然后分别讨论了磁化方式、缺陷形状大小、传感器材料和 提离值等因素对于缺陷检测的影响，为后续章节的展开做准备。 8 第三章管道管端检测技术 3 1 管端缺陷的检测 由上章管道缺陷检测的主要影响因素的讨论中可知，当缺陷截面与磁化场 垂直时，形成的信号越强，当缺陷界面与磁化场平行时，形成的漏磁场很小， 不易被检测。事实上，管道内部的缺陷形状千差万别，不可能刚好与施加的轴 向或非轴向磁化场垂直或者平行。这里可以将缺陷漏磁场分为磁化场切向和法 向两个分量b x 和b y ，只有法向分量b y 才是传感器会提取到的漏磁场特征的 有效数值。 3 1 1 管道管端检测盲区的产生 图3 1 是管道管端施加轴向磁化场以检测非轴向缺陷的简化示意图，检测 过程中管道管端到达检测设备入口处时磁化场的磁力线此时尚未穿过管端，传 感器也没有与管道完全贴合；管道到达传感器处时只有少量磁力线穿过管道， 管端开始与传感器的贴合过程，这是会产生强烈的管端碰撞干扰，影响传感器 的提取；当到达磁化线圈处，管道会有大量但是呈发散状的磁力线穿过，这时 虽然磁力线的数量很多但是将发散的磁力线分解成b x 和b y 两个方向后即会发 现b x 分量会产生对漏磁场进行干扰的散杂磁场，影响传感器信号的有效提取； 而只有当管端接近梯形聚磁结构时，磁化场的磁力线才完全穿过管道，这时才 满足漏磁场形成的条件即开始对漏磁信号进行有效获取。 聚磁结构 图3 1 管道管端施加轴向磁场示意图 由上面分析可知，管道从开始进入检测设备到接近梯形聚磁结构这段距离 管端都没有充分被磁化从而无法形成可以被传感器获取的漏磁场，这就产生了 管端检测的盲区。管道管端检测的主要任务也即是尽可能的减小这段检测盲区 1 2 6 1 o 对于管道管端质量检测一般只能采用磁粉探伤法。它是先将管道夹持住后， 对其管端施加大电流，电流产生磁化场，使管道端部磁化，然后再在管道管端 外表面喷撤磁粉，最后依探伤人员的眼睛观察管端外表面磁粉的分布磁迹，来 分析、判断缺陷的有无和形状。 管端管端磁粉检测方法简单但是由于检测方法是靠人眼辨别速度太慢且人 9 为影响也很大不适合在线管道高速检测。 3 1 2 管道管端轴向缺陷的检测 管道管端检测的盲区只有在施加轴向磁化场检测非轴向缺陷时才存在，而 在施加非轴向磁化场检测轴向缺陷时，不会产生对漏磁场干扰的散杂磁场。所 以在施加非轴向磁化场检测轴向缺陷时，管道缺陷检测设备就可以完成对管端 轴向的检测。 管道缺陷检测设备中磁化线圈产生的内磁化场可使管道轴向缺陷充分磁化 并产生向内壁泄露的漏磁场。产生的磁场经软磁材料构成的磁路通过磁极靴耦 合到管道内壁上，形成了非轴向磁化场。2 个8 通道传感器和磁化装置共同绕 轴作18 5 0 来回摆动，即可完成对钢管轴向缺陷的覆盖检测。 在对管道进行二维漏磁检测过后，管道管端检测设备只需要检测非轴向缺 陷，轴向缺陷已经被管体检测设备正确的检测到。本节后我们只讨论施加与管 轴平行的磁化场检测管端非轴向缺陷的情况。 3 2 有限元分析( f e a ) 的基本思想 管道管端检测盲区的存在是不可避免的，那么可以采取什么方法来对管道 管端非轴向缺陷进行分析从而找到减短或消除管端检测盲区的可行办法呢? 由 于有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题然后再求解，在实际应用中有限 元分析不仅计算精度高而且能适应各种复杂形状，是一种行之有效的工程分析 方法。这里宜采用有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 下面主要介绍 有限元法基本概念，有限单元方法是在电子计算机的飞速发展开发出的一种现 代分析方法。这是5 0 年代第一次出现在连续力学领域如飞机结构静态、动态特 性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后就被广泛地应用于求解电磁、 热传导、流体力学等连续性问题中。它是一些工程问题的一种近似分析方法， 主要内容有化整为零、裁弯为直、以简驳繁、化难于易。与传统方法相比，有 限元分析方法解题是高效率的，理论基础是坚实的、连贯且清晰的、广泛应用， 特别是对于高工程设计和高度复杂的科学计算合适。 3 2 1 有限元分析的概念 有限元法大多需要求解某些数学或物理问题，通常这些问题会在一个连续 的区域，通过偏微分方程或等效的设置给出了整个明确的定义。要适合于解决 问题，跟数值处理和其他类似的方法在实践中一样，需要形成的系统的自由度 数是无限离散的，即带来了一个有限数量的未知参数。 有限元的基本概念是用相当多数量的子区域( 单元) 连续更换整个连续的 区域，这些区域可以用有限个自由度的性质来正确的说明，然后用熟悉的离散 系统分析方法总结。 1 0 整个系统的性质可以是有限n 个参数a i ( i = l n ) 近似描述，一般a i 为 各单元节点处的待求自由度；主宰着系统的1 1 个方程的性质，f j ( a i ) = 00 - - - 1 n ) 是由所有子区域( 单元) 的非零项获得需要通过一个简单的叠加，这些子区 域组成的整个系统共可分为实际上被许可的数个小实体。 有限元逼近的一个重要优势是，非零项高密度的各单位，各单位将有助于 这些非零项。这种高度集中的稀疏方程组的形式解决方程降低计算复杂性。对 稀疏方程中的变量也已经解出了该系统的数值解。当然，在内容和数值解节点 数量的合理增长将逐步接近真实的解决方案，但计算量会相应增加。 3 2 2 有限元分析的主要步骤 有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：解决问题的基础上，确定实际场近似的物理 特性和几何区域。 第二步：求解域离散化：即求解域大约是大小和形状不同的有限个连接到 其他有限数量的单元组成的离散域，传统上称为有限元网络划分。显然，规模 较小的单元( 较薄的网格) 式离散域更好的逼近，更精确的计算结果，而计算 和误差会增加，这是解决了离散域有限元分析的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以是一个 状态变量设置了包括微分方程问题的边界条件，适用于有限元解，通常分为泛 函微分方程的等价形式。 第四步：单元推导：构建一个合适的单位近似解，即列式有限元推导，这 包括选择和合理的要素协调制度，建立单元功能的测试和某些特定的状态变量 的离散单元关系的方法，最后形成单位矩阵( 结构力学，弹性刚度矩阵表示或 数组) 。 为确保解决问题的一致性，也有一些原则需要遵循。在工程应用中，需要 注意的是，每个单位和约束求解的性能。例如，该单位应该是很好有并规则的 形状，不规则、精度低和缺乏对边界的量化可能会导致问题求解的失败。 第五步：总体求解：将形成一个独立单元的总矩阵方程( 联合方程组) ，反 映了离散域的近似解，离散域的要求，对单元功能的连续性，需要满足某些条 件。大都是在相邻的单元节点，状态变量和它们的导数( 如可能) 共同建立连 接点的连续性。 第六步：联立方程组求解和结果导出：有限元法导致联立方程组。同时方 程可直接法，迭代法和随机方法。解决了状态变量的结果元素节点的逼近问题。 设计质量准则的结果将提供可以比较的价值评估和认可，以确定是否需要重复 计算。 总之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、求解和后处理。前处理是建 立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是收集和处理的结果，使用户方 便地提取有关结果的信息。 3 3a n s y s 求解电磁场的流程原理 3 3 1a n s y s 求解电磁场的理论基础1 9 l 电磁场的分析过程实际上是在给定的边界条件下求解麦克斯韦方程组的过 程。麦克斯韦方程组是电磁学问题研究求解的基础，也是电磁场有限元分析的 重要依据。微分形式的麦克斯韦方程组形式如下面四式： v x h ：，+ 竽 麦克斯韦一安培定律 ( 3 1 ) 讲 v x e ：一罢 法拉第定律 ( 3 2 ) 研 v d = p 高斯定律 ( 3 3 ) v b = 0磁场高斯定律 ( 3 4 ) 另一个基本方程式是表示电荷守恒的连续性方程： v ，：一望 ( 3 5 ) 研 在上述各式中只有三个方程式是独立的，被称为独立方程。这三个方程可以是 ( 3 1 ) 式、( 3 2 ) 式和( 3 3 ) 式，也可以是( 3 2 ) 式、( 3 3 ) 式和( 3 5 ) 式。其它方程能从 上面三个方程式中导出，称为推导方程。 在电磁场的有限元分析里，各向同性媒质中的本构方程为： d = e ( 3 6 ) b = 脾( 3 7 ) j = e r e ( 3 8 ) 其中 s 一介电常数 p 一磁导率 仃一电导率 线性均匀、各向同性介质，g 、p 、仃是恒定不变的。以二维静态电磁场 为例，线性媒介即在媒质中每个点的磁场强度h 与磁通量密度成系数是磁导率 j l l 的正比的关系。均匀是指媒质每个点的结合性质一样，有相同的磁导特性。 各向同性介质中的每个点上的每一个性质相同和磁导能力也相同，因此线性均 匀，各向同性的介质，在任何点上的磁场强度h 与磁通量密度b 都应成系数为 磁导率的正比的关系，在任何点磁场强度矢量与磁通量密度矢量方向的关系 是相同的。 当只有这样做磁场静态分析，场容量不会随时间而改变，可以得到 v xh = j 和v j = 0 。麦克斯韦方程组介绍了各个领域的载体必须满足相互约 束，但在电磁场分析，如果麦克斯韦方程组的直接使用来求解，在数学的主要 问题将会存在，因此实际的电磁场问题的分析往往介绍了一些潜在的函数是用 1 2 来求解。 麦克斯韦方程( 3 1 ) f l 皂推导出在静态稳定磁场分析问题中的电流值为零的区 域，该区域磁场强度矢量的旋度为零，如果将标量磁位看成未知数，有： h v c p 。：一誓f 一譬j f ( 3 9 ) 上式中妒。为标量磁位。 将磁导数值代入到静态磁场表达式中，由于j = 0 推导出的关于标量磁位的偏微 分方程为 v 2 锄：争+ 等：o ( 3 1 0 ) 苏2加2 、 同时给出了上述方程求解电磁场问题的边界条件是可以求解的。然而，电 磁场问题的分析，边界条件的复杂，会增加电磁场分析的复杂性。联立方程和 边界条件共同构成了一个边界值问题，边界值问题就是求解电磁场问题的数学 模型。二维静态电磁场中标量磁位和矢量磁位满足方程分别如下： r q 争+ 等= 。 j 标量磁位弋 = o ( 3 11 ) i l r 监：一一b f ，q 可o z a z + 等= 一吐 i 矢量磁位弋 r l 么：= a ：。 ( 3 1 2 ) j l r 丝：一里 动， 其中r l 为第一类边界条件；r 2 为第二类边界条件；r 为磁阻率等于磁导率的倒 数，日，为磁场强度矢量的切向分量。边界条件的妒。、9 。、a 如、h ，数值需要 分析具体问题才能够确定。 3 3 2a n s y s1 0 0 软件简介 a n s y s 是目前使用最广泛的有限元分析软件之一，是一种集分析结构、流 体、电磁场、声场于一体的大型通用有限元分析软件，