（电力电子与电力传动专业论文）交变漏磁检测技术及螺纹缺陷识别的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 肥s t 队c t t h ea l t e m a t i n gc u r r e mi nt h ea l t e m a t i n gc 咐e n tm a g n e t i cf i e l dl e a k a g et e s t i l l g ( a c m f l ) i so n eo ft h em a g n e t i z i n gm a n n e r s t h es e n s i t i v i t yi sv e r yh i 曲的廿1 e d e f e e to fs u r f h c ea n dt h en e a rt ot h es u “a c eo f 也ew o r k d i e c e i ti so n eo f 协e d e v c l o p i n gd i r e c t i o n so fn o n d e s n u c t i v et e s t i n g ( n d t ) d o m a i n 1 1 1 ea t t a c h m e n t so f w h o f la r ea l lo v e r 吐l ew o r l di n l e 订a d ea n dd e p 砒n n e mo fn a t i o n a le c o n o m y _ t h e i r s a f e t yi sc l o s e l yt o u c ht om es a f e t yo ff a c i l i t i e sa 1 1 dt t l ep e o p l e a ne a e c t i v e l ym e a n s n o to n l yg e n e r a t e sl a r g ee c o n o m ye 伍c a c y ，b u ta 】s oi l a si m p o r t a n tm e a 童1 i n g t h em a i n r e s e a r c h 鼬dt e c l l i l i c a li n n o v a t i o nf o l l o w i i l gt l l i s ： i t p r i m a r i l yr e s e a r c h e dt l l et e c l i l o l o g y o fa c m f li no l l rc o u n t 够t h e 印p r o x i m a t i o na n a l y s i sr e s u l to fb a l l dd i p 0 1 em o d e l i so b t a i n e do nm eb a s i so ft h e t h e o r yo fm f lt h ee l e c 扛d m a g n e t i cd i s 廿i b u t i o nf e a t u r eo ft h ed c f c c ti nt h cs t e e l p a n e li ss t u d i e d b ym e a n so fs i 枷1 a 廿o n t h el e a k a g em g n e t i cd i 谢b u t i o no f 血ct w 0 d e f e c t sa 1 1 df o u rd e 传c t sp l u r a la n dt h ed e f e c t si n 也ec o h n nd i 髓r e 血i yi nm e 、v i d t l l a r ea l s oa s s a y e d c o n d u s i o n sm a tf a c t o r s 蕊c t i n gn a w m a g n e t i cl e a k a g et om ep a i l e l a l s oa f f e c tt h ec 0 1 u m na n dm a g l l e t i cl e a k a g eb xs h o u l db et l l ef c a t u r eo ft h en a w i d e m i f i c a t i o nt os e v e r a ln a w sa r ed m w n t h es y s t e ms c h e m ef o rt c s t i n gi sb u i l du p a n dt h er e s u ho f t e s t i n gg o e sa l o n e 、v i t ht h et h e o r ) ra i l dm es i m u l a t i o na i l a l y s i s i ti sl o o k e do nm ea n a c e n to fw h o r la ss e v e r a lf l a w si nm ec o l u m n 0 nm e b a s i so ft h er e s u l ts t u d i e d ，t h r e ec a t c 9 0 r i e sf l a se 鹤n yt u m 证gu pi nt t l ec o m m o n w h o r la t t a c h i n e n ta r ea s s a y e db yw a yo fs i m u l a t i o n t h cr e s u l to fe x p e r i m e n 试 m e a s u r e m e n tv e r i f ya l lm ec o n c l u s i o n 舶mf e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a 王y s i s 。 b a s e do nt h es t u d yo ft h er a t i o n a l eo f 也ea c m f l ，i tp r i m a r i l ys i m u l a t i o n s t i l d i e dt h ec o m m o nw h o r la t t a c 胁e n ti no u rc o m l 仃y t h ee x p e r i r n e m a t i o nr e s u l t sg o a l o n gw i t hm es i m u l a t i o na 1 1 a l y s i s k e y w o r d s ：a l t e r n a t i n gc u r r e n tm a g n e t i cn e l di e a k a g et e s t i n g ，w h o r l ，n a w ， i d e n t i 丘c a t i o n f _ m n ee l e m e n tn u m e r i 姐ls i m u i a t i o n 第1 l 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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。 学位论文题目： 塞蛮通邀揸避拉盎瑟蠼皱缝碴堡型曲珏巍 学位敝储样：j 恢魄巧年月矽日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阗；可以将学位论文的金部或部分内容箱入有关数据 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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 窒銮烫磁捡酒鼓杰盛坚绂鲢堕迟到数鲤窟 学位论文作者签名 作者指导教师签名 b 巍：哆每| | 琏黟b 蛾眵年t 羚毡 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 11 ，1 漏磁无损检测 无损检测以不损害被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对 各种工程材料、零部件、结构件进行有效的检验和测试。漏磁检测是无损检测中用得较多 的一种形式，是指当工件被磁化时，若工件表面及近表面存在裂纹等缺陷，就会在缺陷部 位形成漏磁场，采用磁敏元件对缺陷漏磁场进行检测，形成电信号进行显示的方法。该法 对于轴类、棒材、管材等旋转对称的铁磁性材料的表面及近表面的缺陷具有较高的检测灵 敏度。 1 1 2 课题背景及意义 机器中的所有零件都不能孤立的存在，所以螺纹连接广泛应用于各行各业，其连接的 可靠性在诸如：航空、石油、化工、电力、煤炭、矿山等行业中起着至关重要的作用，关 系着人们生命和财产的安全，作为工程承载工具，它在使用过程中必然会发生疲劳、锈蚀、 磨损、甚至骤断现象，因此必须对连接螺纹进行定期检测。 但是尽管如此，螺纹连接件的断裂造成的事故却仍在发生，比如在电力工业的发、输、 变、配各个领域中，无论是设备部套还是系统之间的连接，都大量使用着不同规格，不同 类型和各种钢号的紧固件螺栓。往往一个小小的紧固件断裂，会引发相连部套设备的故障， 导致事故的扩大，带来十分严重的后果。例如：大容量发电锅炉集汽联箱堵法兰螺栓断裂 后，导致堵板甭开，高压冲气浪，不仅损坏了相邻设备、探伤运行人员，并且将主厂房面 板掀翻。又如大型汽轮发电机主轴靠背轮螺栓断裂；气缸法兰连接螺栓断裂；自动主汽门 门盖螺栓断裂等，均有因其导致机毁人亡或喷油失火等特大事故。在发电厂的各类管系或 容器连接法兰螺栓的断裂以及各种转动机械地脚螺栓的断裂，都是频发停炉、停机、停电 事故的起因。历年来在全国范围内，高压输电线路搭架连接螺栓或地角螺栓断裂后，在自 然条件突变时，引发的倒塔断线事故也多有发生“1 。 引发上述多种事故的原因，一方面由于目前缺乏可靠的螺纹状态检测手段和评价标 准，另一方面是由于现有检测仪器的准确性和可靠性存在不足。目前一般采用人工目视检 查和定期强制更换螺纹连接件的办法来保证安全生产，这种方法不仅报废了仍有使用价值 的螺纹连接件而造成巨大的浪费，而且不能及时的更换由于各种偶然因素严重损伤的螺纹 连接件，形成事故隐患。人们一直在探索检测螺纹缺陷的各种方法，努力使螺纹尽可能的 延长寿命，又能确保在螺纹发生断裂前及时更换下来，但由于螺纹结构的复杂性，工作环 境的多样性，检测方法的局限性，使得螺纹缺陷的检测非常困难。 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 螺纹无损检测方法 近几年，对螺纹构件的裂纹( 缺陷) 检测法主要有：磁粉检测法，超声波探伤法，涡 流法等。 ( 1 ) 磁粉检测方法 对于直径较小螺栓，由于断裂的临界尺寸小，螺栓孔孔径也小，检测困难，因此螺栓 孔早期裂纹检测一直是个难题。超声探伤和涡流探伤都难以完成任务，磁粉探伤( 采用湿 法) 可以较好地显示裂纹，但裂纹尺寸不易观察。难以实现定量检测，检测结果由人工判 读，易引入人为误差。加上在现场检测时，光线及工作条件极差，很易出现漏检或误判”。”1 。 ( 2 ) 超声波探伤法 对普通螺纹结构( 诸如螺钉、螺栓等) 中的缺陷检测一般采用超声波检测的方法。即 检查螺纹构件的原理是基于同一种螺纹对超声波的反射也基本相同，在荧光屏上螺纹波的 特征是相似的，一旦在某一道螺纹处出现了裂纹，在荧光屏上就会出现特殊波形和一些波 形的特殊变化，利用此特点便可检测螺栓中的裂纹“”1 。但是该法需要耦合剂，不易实现 无接触性测量，且对工件要求严格，如表面比较光洁等，对表面缺陷的检测不如漏磁法灵 敏度高o “。 ( 3 ) 涡流检测法 涡流无损检测也是发展较为完善的一种无损检测技术，但其干扰因素多，需要特殊的 信号处理。在螺栓的检验中，由于其规格种类繁多，表面较复杂，用常用的穿过式线圈或 光杆处的传感器定位扫描无法检测出螺栓各部位的缺陷，特别是头杆结合部及光杆和螺杆 结合部的横向裂纹。目前，国内引进的美国某公司的螺栓分选仪与美国另一公司的涡流电 磁探伤系统都存在上述检测盲区，从而使涡流探测技术在螺栓探伤中的应用受到很大限制 刚 。 总的说来，对螺纹构件缺陷识别的研究方法不多。磁粉检测虽简单、实用、成本低廉， 但其检测速度低，难以实现自动化，且人为影响因素复杂。而超声波检测大都用在油田钻 具及电力系统等大结构螺纹构件中。涡流检测也未在螺纹构件的检测中得到广泛的应用。 1 3 交变漏磁检测技术的发展及国内外研究现状 1 3 1 交变漏磁检测技术的原理及其发展 漏磁场检测是无损检测中应用较多的一种形式。它是利用铁磁性材料磁化后，如果在 材料的表面或近表面存在材料的不连续性( 材料的均质状态或致密性受到破坏) ，则在不 连续处发生改变，形成漏磁场。1 。漏磁检测技术是目前无损检测领域研究的一个热点，也 是常见的无损检测技术之一，它适用于各种铁磁性工件表面及内部缺陷的检测。该检测技 术在磁力线方向和缺陷方向垂直时具有很高的检测灵敏度，因此常用于管材、棒材等圆柱 ( 锥) 体工件周向缺陷的检测，具有无需耦合剂、检测速度快、容易实现缺陷定量的特点。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 漏磁检测方法中很重要的一部分就是对材料的磁化，磁化技术的发展，使漏磁检测技 术一直具有极强的生命力，改进磁化技术的目的是简化探伤工序，提高检测速度，保证探 伤灵敏度，磁化技术的发展促进磁化设备的更新换代。目前应用较多的是用永磁体来提供 总的磁通，而高的磁能积与永磁体体积之间的相互矛盾性，使得传感器很难做到小型化， 便携式。并且永久磁铁的磁化能力有限，难以提供足够的磁场强度。对于直流源磁化，磁 场渗透深度相对较深，因此可用于检测埋藏深度较大的缺陷，然而对直流磁化要求却较高， 激励电流一般为几安培至上百安培，电气设备相对较复杂“”。并且磁场强度不能根据使用 需要进行调节，而利用交流电激励的励磁结构设计则很容易实现。采用交流电由于集肤效 应的影响，对表面下的缺陷检测灵敏度随缺陷埋藏深度增加而显著降低，对距工件表面较 深的缺陷很难检测出来，但同时由于该效应使得工件表面的磁场增强，有利于缺陷的检出。 考虑到螺纹检测中缺陷一般存在于表面，所以宜采用交流磁化的方式，在此把用交流电激 励的漏磁检测方法称为交变漏磁检测方法，以区别用直流电或永磁体对工件进行磁化的方 式。 1 3 2 国内外交变漏磁检测领域的研究概况 总的说来，对于交变漏磁检测技术的研究，无论是国内还是国际上都还是处于起步的 阶段，都需要对其检测原理和实际应用进行深入地研究。其中注意的一点就是，在交变漏 磁检测法中，对螺栓进行磁化时，不能采用5 0 h z 作为磁化电流进行磁化，否则，不但无法 得到缺陷的完整信息，更严重的是使得检测的可靠性变差。所以交变漏磁检测法中，为了 充分收集到缺陷的信号，交流磁化的频率一般在1 k h z 以上“”。 在国外，自从上世纪九十年代末，通过实验将交变漏磁检测技术应用于管道表面缺陷 的检测“，许多业内人士也逐步开始关注该项技术“。一方面，对该技术的工作原理进 行了相应的数值仿真。“：另一方面，分析了交变漏磁检测对单条缺陷以及相邻多条缺陷检 测时外围空间泄漏磁场的分布情况，并对提离效应、空气间隙、缺陷宽度和长度、磁化曲 线、传感器结构等对检测信号造成的影响进行了全面的仿真分析和实验研究o ”2 “2 5 “，为 该技术的应用奠定了扎实的基础；再者，分析不同频率对不同规格缺陷检测之间的关系， 阐述了影响检测的各种因素n “。 由于交变漏磁检测不管对于平板，还是管材、棒材等的表面缺陷都有很高的检测灵敏 度和可靠性，并且可以获得比直流磁化更多的信息，更利于缺陷的检测，因此随着这项技 术的日趋成熟，必将得到越来越广泛的应用。 1 4 论文的主要内容 本文主要的研究内容如下： 第二章：从漏磁检测的基本理论出发，其中包括铁磁材料的磁化，磁路及磁感应线的 折射，到漏磁场的形成和漏磁场的数值解析，讨论了影响漏磁场大小的一些关键因素，为 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 实验分析和仿真分析提供了有力的理论依据。 第三章：从电磁场麦克斯韦方程出发，首先阐述了有限元仿真软件a n s y s 的基本理论。 其次利用该软件对平板上的影响缺陷漏磁场的各种因素进行了仿真研究，包括缺陷的宽 度、深度，传感器的提离值、磁化场与缺陷的夹角的改变、梯形缺陷、弧形缺陷等各种情 况，除了以上表面为直线的直线型裂纹，也对表面为弧线的弧线型裂纹进行了分析。最后 又对相邻多条缺陷及柱体上的不同宽度的缺陷外围空间泄漏磁场的分布情况进行了研究。 讨论表明：对多条裂纹的分析宜用b x 作为缺陷识别的特征量和影响的平板上缺陷的各种 因素会对柱体上缺陷产生同样的影响。由于螺纹构件可以看成是柱体上多条裂纹的组合， 所以以上所作的工作对以后螺纹构件的检测提供了充分的依据。 第四章：设计了交变漏磁检测实验平台。包括信号发生器的选择，激励线圈部分的制 作，磁测量传感器的介绍，信号调理电路的设计，以及数据的采集和缺陷的识别。在上述 实验平台的基础上，对具有矩形缺陷的钢板进行了实验研究，得到了矩形缺陷漏磁场的信 号特征，验证了第二章的理论分析，第三章的仿真分析的正确性。 第五章：以a n s y s 仿真软件为工具，以对钢板上及柱体上缺陷的研究分析为基础，对 具有螺纹结构的试件进行了仿真研究，就最为常用的一端带有螺纹的普通螺纹的完好试 件，和带有缺陷的试件( 包括螺纹区域与螺杆结合部的缺陷，螺纹区域中间的缺陷，以及 螺纹区域尾部的缺陷三种在具有螺纹结构的试件中最易出现的几种情况) 进行了分析比 较，总结了三种缺陷漏磁场的分布特征，并用实验验证了仿真结果的正确性。为实践中螺 纹缺陷的识别提供了依据。 第六章：结论与展望 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章漏磁检测理论的研究 本章对漏磁检测理论进行了详细的讨论。首先是铁磁材料的磁化，其次为磁路定理及 磁感应线的折射，最后到漏磁场的形成及漏磁场的解析，对交变漏磁检测技术的基本原理 与漏磁本质进行了透彻的分析，为该技术的仿真及实验提供了理论依据。 2 1 铁磁材料的磁化 2 1 1 铁磁材料的磁化“1 漏磁检测的主要对象是铁磁性材料，它是强磁性物质，众多的钢铁材料是铁磁材料的 一部分，当把没有磁性的铁磁材料及其制品直接通电或置于外加磁场h 中时，其磁感应强 度将明显增大，产生比原来大得多的( 1 0 1 05 倍) 的磁场，对外显示出磁性。通过实验进 行测定可得到反映铁磁性材料磁感应强度b 随磁场强度h 变化规律的曲线，称为磁化曲线， 又叫b h 曲线。它反映了铁磁质的磁化程度随外磁场变化的规律。如图2 1 ( a ) 所示。 卜j 及 0 ( a ) 磁化曲线 ( b ) 磁导率曲线 圈2 1 铁磁材料的磁化曲线和磁导率曲线 曲线斜率= 驯日是材料的磁导率。如图2 1 ( b ) 所示四个阶段的斜率数值都不一样： 初始阶段变化较缓；急剧磁化阶段上升很快，在达到最大点后开始下降：近饱和阶段曲线 从较快下降到缓慢下降；在饱和磁化阶段磁导率数值则基本不再发生大的变化。这些变化 反映材料在磁化过程中的不一致。另外还可以看出，是一个随磁场强度h 变化的量。 2 1 2 磁化方式的选择 选择磁化方法应考虑各种因素，诸如工件的尺寸大小，外形结构，工件的表面状态， ：e 件检查的数量，预计工：件可能产生缺陷的方向等。针对这些因素，其基本要求是根据工 件设计要求和过去使用中断裂的情况，结合材料应力，和加工中容易出现的缺陷方向，选 择适当的磁化方法。最佳磁化方向的选择及磁化电流的选择是磁化中应考虑的关键因素。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 工件磁化时，与磁场方向垂直的缺陷最容易产生足够的漏磁场，当缺陷方向与磁场方 向大于4 5 0 角时，漏磁场仍可以检测到；当缺陷方向平行于或接近平行于磁场方向时，缺 陷漏磁场很少或没有。所以必须对工件的磁化最佳方向进行选择，使缺陷方向与磁场方向 垂直或接近垂直，以获得最大的漏磁场。但是工件中的缺陷方向是不确定的，可能有各种 方向，为了发现所有的缺陷，于是发展了各种不同的磁化方法，磁化方式可有电磁轭磁化， 线圈磁化，或对工件直接通电磁化法，以便在工件上建立各种不同方向的磁场。 本文考虑工件自身的结构，采用便携式磁轭对工件进行交流磁化。便携式磁轭是一种 轻便的适用于野外工作的导磁材料，主要用于对工件施行局部磁化，由一个专用的磁化线 圈产生磁场，u ”型磁轭形成两极，两极间的磁力线是不均匀的，利用其进行检测时，检 测的有效范围取决于检测装置的性能、检测条件以及工件的形状。一般以两极间的连线为 短轴的椭圆形所包围的面积。3 。工件上的磁场分布取决于磁极间的距离( 极间距) ，在磁路 上总磁势一定的情况下，工件表面的磁场强度随着两极间距离的增大而降低。其间距有固 定式和可调试两种，可调式关节越多，关节间的间距越大，则磁轭上的磁阻也越大，工件 上得到的磁化场强度越弱。 根据励磁电流的不同，分为直流式，交流式两种，直流电磁轭对工件进行磁化时，磁 力线分布较为均匀，磁化深度大，对于横截面较大的工件，为使磁化达到检测的要求，电 磁轭应能提供足够的磁通，由于电磁轭磁通受到电磁轭铁芯的控制，它是铁心的饱和磁感 应强度与铁心横截面面积的乘积，所以，直流电磁轭为了适应范围广一些，往往采用较大 横截面电磁铁，即便如此，直流电磁轭的使用仍然受到磁化工件横截面的限制，例如对于 板材，工件厚度超过5 m 时，工件内的磁场强度，已难以满足要求，对此，不宜采用直流 电磁轭0 1 。实际中，永久磁铁也可用对工件进行磁化，它的好处是可以免去磁化电源装置， 这对于一些无电源的现场作业很是方便，但一般而言，永久磁铁的磁化能力很有限，比电 磁铁低，难以提供足够的磁场强度，且磁场强度不能跟据需要进行调节，所以应用很少， 只是一些特殊场合作为弥补手段加以应用。采用交流磁化，对表面检测灵敏度高，众所周 知，工件表面裂纹对使用安全具有很大的威胁，灵敏而可靠的检测表面的缺陷对安全具有 重要意义。而交流电磁轭，由于交变磁场的趋肤效应，磁通向工件表面聚集，即使是大厚 度的工件也容易得到表面所需要的磁场强度。所以本文选用交流便携式磁轭对工件进行磁 化。 2 2 1 磁路和磁路定理 2 2 磁路及磁感应线的折射 铁磁材料磁化后不仅产生附加磁场，而且能把大部分磁通( 磁感应线) 约束在一定的 路径上，路径周围的空间由于磁导率太小而磁通很少，磁感应线通过的闭合路径称作磁路。 它是由磁通通过的铁磁材料与空气隙( 或其他弱磁质) 所组成的闭合回路。其中一个固定 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的检测系统，磁路中的磁通量与磁阻以及磁势有关。而磁阻又由磁路定理决定。如式( 2 一1 ) ： 设磁路是均匀截面为s ，长度为l ，铁磁材料的磁导率为的回路，则： 耻去 ( 2 _ 1 ) 即磁路的磁阻与磁路的长度成正比，与其横截面积及其磁路的铁磁材料的磁导率成反 比，此称为磁路定理。 磁阻对磁路的影响：磁路中磁通量与磁势成正比，与磁阻成反比，即： m = f r ， ( 2 2 ) f 、表示磁势，r 。表示磁路的磁阻。 ( 1 ) 长度对磁导率的影响 在工件磁化的磁路中，磁势确定后，磁路的长度越长，磁阻就越大，磁路中的磁通量 将减小，而磁感应强度( 磁通密度) 也降低。因此，对一些较长工件磁化时，为了保证检 测效果，除了增大磁势外，还采用分段磁化的方式，以避免磁阻过大而引起的磁通密度降 低。本文利用了局部磁化的思想，对试件进行磁化。 ( 2 ) 磁路截面影响 漏磁检测是由于磁通的连续性，磁路不等截面将对磁力线造成疏密不同的变化。在截 面突变时，将产生磁极形成漏磁场。在相同的磁通量密度情况下，磁力线从大截面向小截 面通过时，磁感应线将密集，即小截面上磁感应强度有可能加强；而从小截面向大截面通 过时，磁感应线将疏散，亦即磁通密度将减弱。但是这种密集和疏散并不是按截面积均匀 分布的，它与磁感应线行进时的各种因素有关。 ( 3 ) 磁路介质磁导率的影响 磁路中介质的磁导率对磁路的影响是较大的，特别是在气隙处空气的低磁导率引起磁 阻显著增大。因此减少磁路气隙影响是非常重要的。除了气隙影响外，磁路中磁轭的材料 ( 固定部分) 和工件材料之间磁导率的差异也将严重影响检测效果。如果磁轭磁导率太低， 则磁阻增大，由磁势产生的磁压降将大部分降到磁轭上，导致整个磁路磁通量的减少，这 对工件的磁化是不利的，所以实际中，除了减小磁极间空气隙厚度外，同时应增大磁轭介 质的磁导率。一般选用磁导率比较大的软磁铁氧体作为磁轭，本文是利用高锰磁芯作为导 磁材料。 2 2 2 磁力线的折射”1 在磁路中，磁感应线通过同一磁介质时，它的大小和方向是不变的。但从一种磁介质 通向另一种磁介质时，如果两种材料的磁介质不同，那么，这两种磁介质中磁感应强度将 发生变化，即磁感应线将在两种介质的分界面处发生突变，形成所谓折射现象。这种折射 现象与光波或声波的折射现象相似，并且遵从折射定律： 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 或： 图2 2 磁感应线的折射 堡堕：堡垒 l2 式中：口。磁感应线从第一种介质到第二种介质界面处与法线的夹角； 口：磁感应线在第二种介质中与法线的夹角： h 第一种介质的磁导率； ( 2 3 ) ( 2 4 ) 卢，第二种介质的磁导率； 折射定律表明，在两种磁介质的分界面处将发生改变，磁感应线不再沿着原来的路径 行进而发生折射。折射的倾角与两种介质的磁导率有关。当磁感应线由磁导率较大的磁介 质通过分界面进入磁导率较小的磁介质时( 例如从钢进入空气) ，磁感应线将折向法线， 而且变得稀疏。当磁感应线从较小磁导率的介质进入较大磁导率的介质时( 例如从空气迸 入钢中) ，磁感应线将远离法线，变得比较密集。以磁感应线由钢铁进入空气或由空气进 入钢铁为例，在空气和钢铁的分界面处，磁感应线几乎是垂直的。这是由于钢铁和空气的 磁导率相差l o2 1 03 的数量级的缘故。 2 3 1 漏磁场的形成。 2 3 漏磁场解析 在磁路中，如果出现两种以上磁导率差异很大的介质时，在两者的分界面上，磁感应 线将产生折射，产生磁极，形成漏磁场。钢铁材料制成的工件磁化后，磁感应线将沿着工 件构成的磁路通过。如果工件上出现了材料的不连续性，即工件表面及其附近出现缺陷或 其它异质界面，这时材料的不连续性将引起磁场的畸变，形成磁感应线的折射，并在不连 续处产生磁极。以表面上有裂纹的磁化工件为例，由于裂纹的存在，磁感应线将因磁阻的 增加而产生折射。部分磁感应线从缺陷下部钢铁材料中通过，形成了磁感应线被“压缩” 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的现象；一部分磁感应线直接从工件缺陷中通过；另一部分磁感应线折射后从缺陷上方的 空气中逸出，通过裂纹上面的空气层再进入钢铁中，形成漏磁场，而裂纹两端磁感应线进 出的地方则形成缺陷的漏磁极。 23 2 漏磁场的解析。 缺陷漏磁场由十缺陷彤状，大小和材质等方面的差异，分布情况很复杂，为了研究的 方便，一般将复杂的漏磁场进行分类归纳，采用近似的模型进行解析、计算。缺陷漏磁场 可以由不同的模型描述，目前最为流行、简单直观的是采用磁偶极子的模拟方法，其中有 等效点偶极子模型，用于模拟工件表面孔洞、点状缺陷。等效线偶极子模型用来模拟材料 表面的划、刻痕等缺陷。等效带偶极予模型，用于模拟裂纹类等缺陷。文中主要描述的是 该种缺陷，所以对该类模型详细叙述。 设该类缺陷等效为无限长的矩形槽，槽宽2 b ，深h ，设磁化使矩形槽两侧壁均匀分布 着极性相反、面密度相等的两条磁荷带，并设槽口和其他部位均无磁荷分布，槽宽度方向 对应坐标的x 轴，深度方向则对应z 轴。 根据模型，槽壁上具有宽度为d 卵的面元上的磁荷在p 点产生的磁场分布为“。1 ： d h l = 当粤h ( 2 - 5 ) d h 2 = 尝粤r 2 ( 2 _ 6 ) 2 矾r ， 1 ，r 2 分别表示面元上的磁荷到p 点的单位矢量。 它们的x ，z 分量为： 呱= 瓦筹 c z 一， a n “= 瓦籍 s ， d h ，：皇# 坐l ( 2 9 ) “ 2 巧“o 【( x + b ) 2 + ( z + 玎) 2 】 呱= 瓦筹 协 总的水平分量h 。可通过对d h 。的积分求得： 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 h 。= 卜- 。+ i a u ：。= 彘t a r c 锄瓦蒜一a r c 恤百毫c z 一- ， ”卜+ p ：= 彘- n 等告慕哿岽舞 协 当裂纹深度很深，即h m 使，上述两式可变为： h ；= 等 蝴坐】一a r c t a l l 型 ( 2 一1 3 ) h ：粤l n 墼糕 ( 2 ) 2 4 掣o ( x + b ) 2 + z 2 根据式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 的解析结果，可以获得2 3 的分布曲线，因为磁通量密 度与磁场强度的关系为线性的，所以图中直接给出了漏磁通的曲线图。由图可以看到，漏 磁场的水平( x ) 分量在矩形缺陷中线上方有极大值，左右对称，从缺陷中心到缺陷边缘 的区域内，该分量迅速下降。垂直( z ) 分量由于缺陷两侧极性相反，故h ，的两侧的符号 相反，中线上方为零，靠近缺陷边缘处为极大值。 0 厂 厂厂、。 ，ul ， ( a ) 垂直分量( b ) 水平分量 图2 3 矩形表面缺陷的漏磁场 带偶极子模型作了许多的假设，实际上磁荷不仅有面分布，还有体分布，密度也不均 匀，且非线性，磁荷不仅分布在槽壁上，槽口外侧也有分布。这种过多的简化使模型不能 与实际情况很逼真，得到的是一种近似的结果。但是这种理论分析无论对实验分析还是仿 真分析都起到了很好的指导作用。 2 4 本章小结 本章从铁磁性材料的磁化原理，以及磁路及磁感应线的折射现象出发，阐述了漏磁场 的形成机理，并介绍了影响漏磁场强弱的一些主要因素，最后以偶极子为模型对缺陷进行 了数学建模，得到了漏磁场的解析解，为以后交变漏磁检测技术的研究提供了理论依据。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章交变漏磁检测技术的仿真研究 有限元法的引入，使得完整数学模型的建立及求解成为可能，而基于有限元法的电磁 计算软件的迅速发展，使得电磁场的仿真分析的工作量大大减少，极大程度的促进了电磁 场计算的发展。本章从电磁场麦克斯韦方程出发，介绍了有限元法及其仿真软件a n s y s 的 基本理论。国内首次开始对交变漏磁检测技术进行研究，对影响漏磁场强弱的各种因素进 行了讨论。 3 。1 a n s y s 理论研究 3 1 1 有限元及仿真分析软件的应用 电磁场理论基础是麦克斯韦方程组，分析和研究电磁场的出发点就是对麦克斯韦方程 组研究，包括这个方程的求解和实验验证。该方程组实际上由四个定律组成，包括安培环 路定律，法拉第电磁感应定律，高斯电通定律和高斯磁通量定律。 利用麦克斯韦方程组对电磁场和工件间的耦合关系进行描述，假设研究的场是稳态时 变场，电导率盯和绝对磁导率“都是常量。 在工件外部空气层中，麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组形式是： v e = 一j 掣。灯 ( 3 1 ) v 豆= o( 3 2 ) v 疗：o( 3 3 ) v 疗= o( 3 4 ) 其中：真空磁导率 在工件内部，m a x w e l l 方程组形式是： v e = 一，啤艘 ( 3 5 ) v 五= o( 3 6 ) v 曰= 瘟( 3 7 ) v 厅= o( 3 8 ) 其中，= 以胁，为工件的绝对磁导率，以为相对磁导率。 式中，宜为磁场强度，豆为电场强度( v m ) ，豆为磁感应强度( t 或叫m 2 ) 。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 电磁场计算的过程就是对上述微分方程求解的过程。在计算中，通常将这些偏微分方 程进行简化，以便能够使用分离变量法、格林函数法等解得电磁场的解析解，其解的形式 为三角函数的指数形式以及一些用特殊函数( 如贝塞尔函数、勒让得多项式等) 表示的形 式。但工程实践上，要精确的得到问题的解析解，除了极个别情况，通常是困难的。于是 只能根据具体情况给定的边界条件和初始条件，用数值解法求其数值解，有限元法就是其 中最为有效、应用最广的数值计算方法。“。有限元法是以变分原理为基础，把一个数理方 程的求解问题变成一个泛涵求极值的边分问题。在具体求解过程中，又利用了差分法的离 散处理的网格思想，把整个求解空间剖分成有限个小单元，把要求解的函数a 在每个小单 元上表示成以节点上的函数值a ，为系数的单元基函数的展开式，这样把连续介质中求解连 续函数a 的问题离散成求解有限个节点上的函数a 的问题。于是，利用泛涵在整个求解空 间取极值，导出以a ，为未知量的联立代数方程，即有限元方程。利用计算机可以求出n 个 节点上a 的值，实现未知函数a 的数值计算”1 。 可对电磁场进行分析的有限元软件很多，有些是各个实验室根据自身的研究侧重而开 发的专用有限元软件，有些已经商业化，可从市场上直接购的。其中以a n s y s 的使用客户 最多。有限元法最主要的特点是根据该方法编制的软件系统对于各种各样的电磁计算问题 具有较强的适应性，通过前处理过程能有效的形成方程并求解。它能方便的处理非线性介 质特性，如铁磁饱和特性等。代数方程具有系数矩阵对称正定、稀疏等特点。所以求解容 易、收敛性好、占用计算机内存量也较少o “。a n s y s 的分析领域很广泛，随着a n s y s 版本 的不断更新，其应用领域也日益广泛。作为融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型 通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造，能源， 汽车交通，国防工业、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电 等一般工业及科学领域。 a n s y s 具有独特的多物理场耦合分析优化功能，同时提供了三维实体建模、有限元网 格划分、材料特性定义、可视化后处理等功能。其主要分析过程如下： ( 1 ) 定义物理环境，包括坐标系的选用、单位制设定、有限单元选用与说明和材料 特性定义等； ( 2 ) 对问题进行几何建模，然后对求解区域用选定的单元进行划分，并对划分的单 元赋予特性和进行编号； ( 3 ) 施加边界条件和载荷； ( 4 ) 求解和后处理。 由于本文所研究的系统均属于开域问题，而有限元法只能适合于具有封闭边界区域上 的电磁计算，对于开域情况需要加以一定的处理，即使用正确的边界条件。如近年来发展 起来的所谓膨胀技术，便是为了解决有限元法的开域问题“3 。在此我们选用远场单元，可 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 使模型的外边界不用强加边界条件就可表示磁场的远场耗散问题。如果不使用远场单元， 由于磁场的发散性，就必须使模型扩展到假定的无限位置，最外层空气域满足齐次狄利克 莱边界条件n ，： a = o( 3 9 ) 而如果使用远场单元，只须为一部分空气建模，即可有效的、精确的、灵活的描述远 场耗散问题。到底应为多少空气建模，要依赖于所处理的问题，如问题的磁力线相对较闭 合( 很少漏磁) ，这样可以为一小部分空气建模，而对磁力线相对较开放的问题，就需要 为较大部分空气建模，因此为了改善求解精度，本文采用远场域来更自然、更真实地模拟 磁场在空气中的衰减情况，即先用一定大小的空气层包围主场区，空气层的大小由场源来 定，再在最外层建立同样大小的远场区域，但须加远场边界条件，则在远场域边界上的磁 场自动衰减为零，不用强行设置，则远场区域以外几乎无电磁场，忽略不计。 对于a n s y s 中网格的划分，即利用差分法的离散处理的网格思想，把整个求解空间剖 分成有限个小单元，对各个小单元进行求解，即可实现对整个求解区域的计算。网格划分 的越细，节点数越多，则求解越精确，仿真结果越接近实际值。但是在计算误差允许的范 围内，若网格划分过细，求解时间会较长，往往会造成计算机资源的浪费，因为网格划分 的疏密直接影响最后结果的正确性，一般划分原则是：磁导率变化不大的地方，进行粗划， 而磁导率变化较大的地方则进行细化。交流激励的电磁场在导体中的穿透深度是频率、磁 导率、和电导率的函数，当对场的计算精度要求较高时，划分的有限元网格在表面附近必 须足够细，足以捕捉到表面现象。通常，在集肤深度内至少要划分一层或两层单元。集肤 深度可以按下式进行估计“：扣赤 c 。1 。， 这里，石是集肤深度，是角频率，是绝对磁导率，盯是电导率 3 2 a n s y s 仿真模型的建立 因为螺纹试件材料为4 5 号钢，在此亦选用材料为4 5 号钢的钢板作为试件，运用有限 元仿真软件a n s y s 对钢板上缺陷进行仿真，以此判断不同缺陷对于缺陷信号的影响。这包 括： ( 1 ) 同长，同宽，不同深度的矩形缺陷，( 深度分别为0 5 m m ，l m m ，1 5 m m ) ( 2 ) 同长，同深，不同宽的缺陷，( 宽度分别为o 5 r n m ，1 m m ，2 m m ) ( 3 ) 同一缺陷，不同提离值，( 提离分别为( o 1 m m ，0 2 m m ，0 3 m m ) ( 4 ) 同一缺陷，励磁方向与缺陷长度夹角不同( 3 0 0 ，4 5 0 ，6 0 0 ，9 0 0 ) ( 5 ) 截面为梯形的缺陷( 总长1 5 姗，分为三段，各段长5 r i 皿，宽为0 5 m m ，深度 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 分别为o 5 m m ，1 m m ，1 5 m m ) ( 6 ) 截面为弧形的缺陷，( 其中圆弧半径1 9 5 m m ，缺陷最深处为1 5 m m ) ( 7 ) 表面为弧线裂纹 ( 8 ) 柱体上宽度不同的缺陷( 0 5 i n m ，1 - 2 5 m m ) 3 2 1 传感器模型的建立 交变漏磁检测系统中，由高磁导率的磁芯及通有交流电的线圈共同组成便携式传感器， 如图3 1 所示。当电流通过激励线圈时，磁芯两脚与工件形成闭合回路，在工件中形成一 个纵向磁场使工件磁化，如果在工件表层存在横向裂纹，磁力线就会泄漏，形成漏磁场。 磁芯的尺寸在将在第四章作具体说明，本文中无论是实验还是仿真所用传感器都为同样的 尺寸在此不赘述。线圈匝数为2 0 0 ，相对磁导率以为1 。在实际测量中，由于不能直接检 测得到磁感应强度b ，而需要根据霍尔传感器的原理中感应电动势与b 之间存在的一定的 关系( 在第四章中介绍) 得到。 图3 1 漏磁检测传感器示意图 3 2 2 试件模型的建立 试件为几何尺寸3 0 3 0 3 m m 的钢板，定义坐标原点为试件上表面中心处。x 轴与钢板 表面平行，z 轴与钢板表面垂直，y 轴平行于钢板表面且垂直于x o z 平面。钢板相对磁导 率为3 0 0 0 ，电导率为盯= 0 1 1 1 0 7 s m 一。钢板中心存在缺陷，表面正中心为矩形缺陷槽 的中心。且缺陷的长，宽，深方向分别对应坐标y 轴，x 轴和z 轴。如图3 2 所示。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 2 钢板和缺陷示意图 3 3 a n s y s 仿真结果的分析 3 31 钢板上缺陷漏磁场的仿真 实验中采用漏磁检测方法。线圈采用交流激励，对钢板进行充分磁化，以便在缺陷处 形成足够强的漏磁场，易于缺陷的检出。b x ，b z 分别对应缺陷宽度与深度方向上的磁感应 强度分量。一般情况下裂纹宽度远小于长度，实际中比较关心的是宽度与深度这两个量， 所以对宽度和深度方向上的漏磁分量进行深入研究。 对长、宽、深分别为8 x o 5 1 m m 的钢板上的缺陷进行仿真，其结果如图3 3 所示。由 磁路原理中磁感应线的折射定律可以知道，钢板中的磁力线因为缺陷的存在而泄漏到空气 中。从图中看出，磁力线在钢板的上半部沿x 轴正向走向，而越向下，磁力线走向为沿x 轴负向走向，这是因为，钢板中缺陷的漏磁场由两部分组成，一部分为交流激励电压的作 用产生，另一部分来源于涡流产生的磁场。由于泄漏到空气中的漏磁场与钢板中的磁场相 比极其微弱，所以可把空气单独分离出，经过放大后，如图3 4 所示。可以看出缺陷上方 空气区域磁场比周围空气磁场得到了加强，这是由于泄漏场存在的原因。通过对泄漏场的 分析，可以获知缺陷的特征。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 3 钢板及空气中的磁通量密度 图3 4 空气中漏磁通量密度 以下对不同形状的缺陷进行了仿真，对其不同之处作了较为详细的对比，为以后螺纹 缺陷的检测奠定了基础。 ( 1 ) 相同长度，宽度，不同深度的缺陷 对长度，宽度相同，深度不同的缺陷，进行了建模仿真。缺陷仿真模型如图3 2 所示。 检测传感器则如图3 1 。图3 5 为提离值o 1 i n m ，偏离缺陷中心2 m m 不同位置处的磁感 应强度曲线图，缺陷分别为：8 o 5 x o 5 m m ，8 0 5 1 m m ，8 x o 5 1 5 m m 。其中图3 5 的( a ) 与( b ) 横坐标分别表示偏离缺陷中心的距离，纵坐标分别代表磁感应强度b x ，b z 分量。图 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 5 ( c ) 横坐标代表b z 分量，纵坐标代表b x 分量。( 图3 5 ( a ) 与( b ) 的o 点对应缺陷的中 心，咀一f 同) 5 蠢 麓 重乏 ( a ) 检测路径( m m )( b ) 捡测路径( m m )( c ) b z ( m d + 一深d 5 m m 争一深1 m m十深1 5 m m 图3 5 不同深度的磁感应强度曲线图 根据漏磁原理，钢板中，因为缺陷的存在，使磁阻增大，磁力线在缺陷处会分为两部 分，其中大多数磁力线在钢板中且绕过缺陷前进，而另一少部分的磁力线会先进入空气， 而后进入钢板继续前进。这少量的磁力线可分为两类，一类会沿原路径经过折射进入缺陷 后，再次折射进入钢板，而另一类会泄漏出钢板表面，绕过缺陷上方的空气进入钢板继续 前进，形成漏磁，如图3 3 ，图3 4 所示。从图3 5 ( a ) 可看出，缺陷的深度越深，漏磁分 量b x 峰值越大，且由于缺陷的对称