（机械制造及其自动化专业论文）钢管表面缺陷自动检测方法的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n r e s e a r c ho na u t o m a t i cd e t e c t i o nm e t h o do f s u r f a c ed i s f i g u r e m e n to ns t e e lp i p e b y c h e nc h a o j u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry u a ns u o x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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 ；凸：i 恧。 学位论文作者签名：隋、起君 e l 期：1 口d 鼍年硐g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 日 期： 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： - 7 l 东北大学硕士学位论文摘要 钢管表面缺陷自动检测方法的研究 摘要 随着工业的不断发展，对产品的质量要求也不断的提高，钢管在国民经济中占有着 重要的地位，为了提高管材产品的质量、降低劳动强度、减少工业应用事故，就要对管 材进行无损检测。无损检测是利用材料的某些物理量由于有缺陷而发生变化，测量其变 化量，从而判断材料内部是否存在缺陷。无损检测是工业生产中实现质量控制、节约原 材料、改进工艺和提高劳动生产率的重要手段，也是设备安全运行的重要监测手段。 漏磁检测能对铁磁性材料提供快捷而相对廉价的检测。漏磁法因其对表面状态要求 不高，检出深度也较大，而且可以发现材料内的多种不连续性，因而在许多工业领域中。 得到应用，是应用最广泛的无损检测技术之一。 本论文的主要研究工作有： 第一章：主要介绍了无损检测的发展现状以及常见的无损检测方法；第二章：在介绍 了漏磁检测的基本原理的基础上，研究了磁偶极子法对工件表面点状，裂纹等缺陷的漏 磁场分析，针对以往磁偶极子理论只能处理无限长缺陷的情况，对磁偶极子理论进行了。 研究并分析了常见三种类型缺陷，得到了缺陷漏磁场的三维解析解：第三章：在分析了 各种不同的磁化方式的优缺点基础之上选择了永磁体作为励磁源。选择了灵敏度较高、 线性度较好的集成霍尔元件( c s 3 5 0 3 ) 作为检测传感器，最后设计出结构简单、成本低廉、 易于加工，可有效磁化管料的磁化装置；第四章：介绍了数据采集系统的设计。用研华 生产的( p c i 1 7 1 1 ) 数据采集卡进行数据采集，应用v i s u a lb a s i c6 0 进行数据采集软件的编 制，开发出了一套易于操作、界面友好的人机交互系统；第五章g 基于本论文设计的漏 磁检测系统对工件上的缺陷做了大量试验，分析了缺陷深度、宽度，以提离值对漏磁信 号的影响。得出了漏磁信号与缺陷参数之间的关系曲线。还分析了一些其他因素对漏磁 信号的影响，第六章为结论与展望。 关键词：漏磁检测、v b 、数据采集卡、霍尔元件、磁偶极子 _ j_ ，l 、 东些垄兰塑主兰堡垒查 垒! 坐兰! l r e s e a r c ho na u t o m a t i cd e t e c t i o nm e t h o do f s u r f a c ed i s f i g u r e m e n to ns t e e lp i p e a b s t r a c t a l o n gw i t hi n d u s t r i a lc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t ，t h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t sq u a l i t yi s h i g h e ra n dh i g h e r , s t e e lp i p et a k eai m p o r t a n tp a r ti ni n d u s t r i a l w i t ht h ev i e wo fi m p r o v i n g s t e e lp i p e sp r o d u c t sq u a l i t y ，l o w e r i n gt h el a b o u ri n t e n s i t y ，a n dm i n i m i z i n gi n d u s t r i a l a c c i d e n t s ，w em u s th a v ea l la u t o m a t i cc r a c kt e s t i n g b a s e do nt h ef a c t t h a ts o m ep h y s i c q u a n t u mw o u l d b ec h a n g e db e c a u s eo fe x i s t i n gd e f e c t s ，n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) c o u l d d e t e c tt h ed e f e c t s n d tp l a y sai m p o r t a n tr o l eo fq u a l i t yc o n t r o l l i n ga n ds a v i n gr a wm a t e r i a l s a n di m p r o v ep r o d u c t i v i t yi ni n d u s t r ym a n u f a c t u r e n d ti sa l s oa ni m p o r t a n ti n s p e c t i o n m e a n sf o rt h ee q u i p m e n t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t ，f a s t e s ta n dc h e a p e s tn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d s ， m a g n e t i cf l u xl e a k a g et e c h n o l o g yc o u l db ea p p l i e di ni n s p e c t i o nf e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l s m f li sa l s ot h em o s tc o m m o n l yu s e di nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n ga n di tc o u l df m dt h em a j o r i t y o fd i s c o n t i n u i t i e s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si nt h i sp a p e ri n c l u d e ： c h a p t e ro n e ：i n t r o d u c e st h es t a t u sq u oo fn o n - d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g ya n d t h e m e t h o d so fn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nw h i c hi su s e dc o m m o n l y ；c h a p t e rt w o ：b a s e do na b r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i cp r i n c i p l eo fm f l , t h em a g n e t i cl e a k a g ef i e l do f d o t t e df l a wa n d c r a c ko ns p c i e m a na r ea n a l y z e du s i n gm a g n e t i cd i p o l em e t h o d a st h ep r e v i o u sm a g n e t i c d i p o l et h e o r yc a no n l yd e a lw i t he n d l e s sd e f e c t ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p st h em a g n e t i cd i p o l e t h e o r ya n da p p l i e di t t oa n a l y z et h r e ek i n d so fc o m m o nd e f e c t sa n dg e tt h e i rt h r e e d i m e n s i o n a la n a l y t i cs o l u t i o no fm a g n e t i cl e a k a g ef i e l d ；c h a p t e rt h r e e ：a f t e ra n a l y z i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tm a g n e t i z a t i o nw a y , c h o s e np e r m a n e n tm a g n e t sa s t h e e x c i t a t i o ns o u r c e ，c h o s e ni n t e g r a t e dh a l le l e m e n t ( c s 3 5 0 3 ) w h i c hh a v eh i g hs e n s i t i v i t y , a n d h i g hl i n e a r i t ya st h es e n s o r , a n dd e s i g n e dam a g n e t i cd e v i c ew h i c h h a v es i m p l es t r u c t u r e ，e a s y p r o c e s s i n g ，l o wc o s t ，t h em a g n e t i cd e v i c eh a sag o o dm a g n e t i z a t i o ne f f e c t ；c h a p t e rf o u r ：h a v e ai n t r o d u c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n ，a c q u i r e dd a t a w i t h d a t aa c q u i s i t i o n c a r d ( p c i l 7 1 1 ) ，w o r k i n go u tt h ed a t aa c q u i s i t i o np r o g r a mw i t hv i s u a lb a s i c 6 0 ，t h i sa r t i c l e e x p l o i t e dt h es i m p l e ，i n t u i t i o n i s t i ca n de a s i l yo p e r a t e dm a n - m a c h i n ee x c h a n g i n gi n t e r f a c e ； 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c h a p t e rf i v e ：a f t e rw o r k i n go u t 柚e a s i l yo p e r a t e dm a n m a c h i n ee x c h a n g i n gi n t e r f a c e ，d i da 1 0 to fe x p e r i m e n t sf o rr o l l s t e e l ，d e f e c td e p t hi n f l u e n c e do nm f ls i g n a l ；d e f e c tw i d t h i n f l u e n c e do nm f ls i g n a la n dt h el i f tv a l u ei n f l u e n c e do nm f ls i g n a l ，a n dg e tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t r i cd e f e c t sa n dt h em f ls i g n a l t h i sa r t i c l ea l s oa n a l y z e d o t h e rf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et e s tr e s u l t s ，c h a p t e rs i xi sc o n c l u s i o n sa n do u t l o o k k e y w o r d s ：m a g n e t i cf l u xl e a k a g et e s t i n g , v b ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r d , e l e m e n to fh a l l ， m a g n e t i cd i p o l e 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明l 摘要1 i a b s t r a c t 。u i l i l录、， 第1 章绪论。1 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 钢管表面缺陷自动检测系统的研究现状。1 1 2 1 钢管自动检测系统的应用现状2 1 2 2 钢管无损检测方法及特点。3 1 3 论文的主要工作。5 第2 章漏磁检测理论研究2 2 1j j l 言。7 2 2 漏磁检测现状7 2 2 1 漏磁检测的理论现状7 2 2 2 漏磁检测的应用现状8 2 2 3 漏磁检测需要深入的工作8 2 3 漏磁检测物理基础9 2 3 1 磁感应线的折射现象9 2 3 2 漏磁检测原理。1 0 2 4 电磁学的漏磁检测理论分析1 1 2 4 1 电磁学计算理论1 1 2 4 2 铁磁性材料磁化过程研究1 2 2 5 基于解析分析的漏磁检测理论模型研究1 3 2 5 1 磁偶极子理论模型研究1 3 2 5 2 应用解析法分析缺陷漏磁场的分布1 9 2 6 本章小结2 3 第3 章漏磁检测系统设计2 4 3 1 弓i 言2 4 3 2 漏磁检测系统总体设计2 4 v 东北大学硕士学位论文 目 录 3 3 钢管检测中的磁化技术2 5 3 3 1 漏磁检测磁化方式的选择。2 5 3 3 2 永磁体的选择2 6 3 3 3 磁场磁感应强度的解析计算2 8 3 4 磁传感器的选择3 l 3 4 1 各种传感器的比较3 2 3 4 2 霍尔元件简介。3 2 3 5 磁路及磁化装置的设计。3 5 3 6 本章小结。3 9 第4 章信号采集系统简介4 0 4 1 弓i 言4 0 4 2 信号采集系统关键技术4 0 4 2 1 数据采集卡简介。4 0 4 2 2v i s u a lb a s i c6 0 程序设计技术4 3 4 3 系统软件设计4 3 4 3 1 软件界面设计4 4 4 3 2 软件功能简介及使用方法4 4 4 4 主程序简介4 6 4 5 本章小结4 9 第5 章实验研究漏磁信号的影响因素5 1 5 1 弓l 言5 1 5 2 漏磁信号的影响因素5 1 5 2 1 缺陷宽度对漏磁信号的影响。5 l 5 2 2 缺陷深度对漏磁信号的影响。5 2 5 2 - 3 提离值对缺陷信号的影响5 4 5 3 其他因素对漏磁信号的影响5 6 5 4 本章小结5 7 第6 章总结与展望5 8 6 1 全文总结5 8 6 2 研究展望及对今后工作的建议5 8 参考文献6 0 s l 谢6 2 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 随着科学和工业技术的迅速发展，高温，高压、高速度、和高负荷已成为现代工业 的重要标志，但它的实现是建立在材料或构件高质量的基础之上的，为确保这种优异的 质量，我们必须采用不破坏原来产品的形状及其使用性能，并对产品进行百分之百的检 测，这就需要我们进行无损检测。国内的大型钢厂对管材产品质量要求非常高，管材表 面质量缺陷检测不出，就会严重影响各种后续产品的生产，严重的会使由此生产出来的 各种零件出现大批量的报废，但长期以来，国内很多质量检查部门只能依靠肉眼去判断 钢管的质量状况，在这种情况下，漏检的事故时有发生，每年由于质量问题而造成的损 失非常严重。因此，国内各大钢厂需要建立一套可以准确有效检测钢管表面缺陷的高效 自动化的检测设备。 ： 目前，管材自动检测设备的制造主要集中在国际上少数几家知名的大型无损检测设 备制造公司手里，国内的无损检测技术和一些发达国家比较，还是有一定差距的，我国 k 的检测设备尚处于引进使用阶段，在工业化实用设备的开发制造方面还刚刚起步? 随着 国内钢铁市场对产品质量要求的不断提高以及出口钢铁产品数量的不断增加，对探伤系 统的需求也日益增长，但是引进各种探伤设备不但价格昂贵，而且人员培训、设备维修 和易损件的供应都成问题。在这种情况下，系统地研究自动检测方法，并以此为依据开 发出我国无损探伤装置和设备，对于发展检测技术，填补相关设备制造领域的空白，节 省冶金产业部门质量控制成本等具有十分现实的意义和价值。 1 2 钢管表面缺陷自动检测系统的研究现状 无损检测经历了三个发展阶段，即无损检查( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 、无损检测 ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 和无损评估( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 。工业发达国家的无损检 测技术已经逐步从n d i 和n d t 阶段向n d e 阶段过渡，即用无损评价来代替无损探伤和无 损检测。目前，无损检测技术最先进的国家当属美国，而德国同本是将无损检测技术 与工业化实际应用协调得最为有效的国家。无损检测的方法很多，常用的检测方法有： 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 磁粉检澳t j ( m t ) 、超声波检n ( u t ) 漏磁检n ( p t ) 、射线检测( r d 、涡流检n ( e t ) 等5 种常 规检测。另外还有一些新型技术如激光照相技术检测、声振检测、红外检测和声发射检 测。随着我国工业现代化水平的提高，我国的无损检测技术已经有了很大的进步。已经 建立和发展了一支训练有素的无损检测的队伍和门类齐全的教育体系。我国已经出现了 一批生产无损检测仪器设备的专业厂家。一些专门仪器设备( 如x 射线探伤仪、多频涡 流仪、超声波探伤仪等) 都逐渐采用了电脑控制，并能进行信号处理，有效的缩短了与 发达国家的差距i 。 1 2 1 钢管自动检测系统的应用现状 国外钢管自动探伤系统的研究起步较早，相对来说，技术和设备比较先进。其无损 检测系统的生产厂家主要以美国的i c o 、a m f t u b o s c o p e 以及德国的f o r s t c r 、n u k e m 等公司最为著名。其产品用到了漏磁，超声波，射线等多种检测方法。 i c o 公司的e m i 漏磁探伤系统通过漏磁探伤部分来检测钢管的横向及纵向缺陷，壁 厚测量配合先进的超声波技术使用固定式探头或多通道固定式探头来进行。可提供完整 的现场探伤，即使在恶劣的施工环境中也可以提供可靠、准确的测量结果。设备参数如 下：( 1 ) 尺寸范围：6 0 - 1 9 4 m m ；( 2 ) 检测速度：0 2 5 - 10 m s ；( 3 ) 超声波测壁厚覆盖率：1 0 0 ； ( 4 ) 能源要求：按用户系统选择电、液、气、水：( 5 ) 其他可选择的设备：为多个验证工 作岗位而设的电脑网络；为管道高速探伤而设的传动设备、验证工具和管端探伤设备； 可提供液、气及循环水系统1 2 , 3 1 。 美国的j 州兀 u b o s c o p e 公司研制的漏磁探伤装置主要用于石油行业的无缝钢管 的无损探伤。其中a m a l o g 用于检测纵向缺陷，扫描方式是探头旋转、材料直线前进； s o n o s c o p e 用于检测横向缺陷，采用探头固定，材料直线前进的扫描方式。其中较先 进的s v - 6 0 4 5 型无损自动检测设备具有“横向缺陷、纵向缺陷、壁厚变化、钢级比较 四种检测功能【3 1 。 德国的公司及产品主要是：f o r s t e r 公司的d e f e c t o m a t 2 8 4 4 c e 自动涡流探伤系统 和n u k e m 公司的自动超声波探伤系统。 d e f e c t o m a t 涡流探伤仪的特点：( 1 ) 采用多种评估、分析及显示方式；( 2 ) 高通及 低通滤波器的自动设定；( 3 ) 能自由设定头尾检测盲区；( 4 ) 采用全菜单操作方式：( 5 ) 所 有参数都能贮存和调出，使规格变换等调试工作变为优化设定；( 6 ) 可检钢管外径 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 0 。1 5 9 m m ，壁厚3 2 0 m m 。 ， n u k e m 公司管道检测设备采用了超声波检测的方法，其技术性能及参数如下：( 1 ) 可检钢管为外径f5 0 一1 8 5 m m ，壁厚4 - 1 5 m m ，长度4 , - - 1 4 m ：( 2 ) 探头转速为6 0 0 1 2 0 0 r m i n ： ( 3 ) 检验速度：在上述检测范围内，只检测纵向缺陷时，检测速度为5 6 m m i n ：同时检测 纵、横向缺陷、分层缺陷和测厚时，检测速度为4 0 m m i n ；检测加厚管和钻杆时，为使 钢管输送平稳，检测速度为3 6 m m i n ：上述速度均不受管径的影响；( 4 ) 探伤能力：纵向 和横向人工缺陷均为2 5 m m x 0 2 m m 0 5 m m 2 , 3 5 1 。 国内主要是引进国外产品，目前使用漏磁探伤仪的厂家有上海宝山钢管厂和成都无 缝钢管厂等大型业。使用的产品多以f o r s t e r 公司和t u b o s c o p e 公司为主。 中国有色金属工业总公司无损检测中心自行开发研制了旋转式漏磁探伤设备，用于 旧油管和旧钻杆的检测。其特点是：( 1 ) 检测速度1 0 m m i n ，每2 m i n 检测一根管；( 2 ) 由八 个探头组成，管体旋转速度和探头移动速度合理匹配，可以覆盖管体全表面；( 3 ) 设备具 有声光报警、波形记录、对缺陷处自动标记并具有数据统计、打印报表等功制2 l 漕奉一 另外合肥工业大学基于二维磁化和缺陷漏磁原理开发出了钢管自动化检测系统。该 系统采用集成化磁敏传感器、信号预处理器降低系统的温度漂移，提高检测灵敏度和缺 陷检测的再现性、可靠性；特殊的滑环传送技术将多路缺陷信号归为一路传送；具有可 靠检测内外壁及内部各种裂纹、通孔、麻点凹坑和槽型等缺陷的能力：检测速度为， 2 5 6 0 m m i n ；检测工件直径5 0 - 2 5 0 m m ：检测灵敏度为外壁= 1 0 管壁厚度、内壁= 1 2 5 管壁厚度1 4 j 。 华中科技大学也一直致力于研究基于磁性无损检测技术，并研制了一批磁性无损检 测系统和装置如e m t p ，e m t r ，e m t d 系列自动检测线以及油管井口检测仪等，在现 场应用中取得了良好的效果。 1 2 2 钢管无损检测方法及特点 目前，国内外对钢管纵向裂纹进行无损检测的常用方法主要有超声波、磁粉、涡流、 漏磁等。针对钢管的实际裂纹形态，通常情况下要综合运用几种检测方法对钢管的质量 状况进行综合评定【6 。下面简单介绍几种常规的钢管裂纹无损检测方法： ( 1 ) 荧光磁粉检测原理及特点 荧光磁粉探伤是近年来广泛应用的探伤方法，当采用普通磁粉探伤时，氧化皮颜色 ：3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 与磁粉颜色反差低，观察时纵向裂纹处磁痕不清晰、磁痕容易脱落而造成误检或漏检。 采用荧光磁粉探伤则可解决上述问题：在铁磁性粉末外面包裹一层荧光物质，当荧光磁 粉受到漏磁场作用沉积在纵向裂纹上时，在紫外线灯光的照射下，荧光磁粉表层的荧光 物质激发出黄绿色的荧光，显示出纵向裂纹的形状和位置。 荧光磁粉检测特点：荧光磁粉探伤灵敏度高，容易检测到微小裂纹，但检测结果受 人为因素的影响较大。此方法主要用于各种材料表面细小裂纹的探伤，其主要缺点是设 备结构复杂，对环境要求高，一般要有专用的暗室【8 9 j 。近年来，人们逐渐将计算机成 像技术引入磁粉探伤中，采用c c d 摄像头将磁粉的图像拍摄下来后，通过图像采集卡将 其输入到计算机中，再利用图形识别技术，将图像与裂纹对应起来，从而实现了磁粉探 伤的自动化。 ( 2 ) 超声波检测原理及特点 超声波探伤的基本原理是：将高频声波脉冲导入被检测的材料，当声波传输的过程 中遇到纵向裂纹时，一部分声波会被反射回，产生回波，系统可检测到这些回波，并进 行放大处理，转换成数字信号，呈现在屏幕上，从而获得被测材料的裂纹状况1 6 】。 一般情况下，超声探伤主要用来探测管材的纵向缺陷1 1 0 , 1 1 】，根据用户需要也可探 测横向缺陷1 9 l 超声波检测方法特点：超声探伤有较高的检测灵敏度，对钢管中的裂纹、 直道等缺陷比较敏感，也能探测出非金属夹杂等体积型缺陷。因此，它适用于检验质量 要求高的钢棒和管料及板材等，其缺点是检测速度较慢。因此一般作为高质量材料的离 线检验手段1 1 2 1 。 ( 3 ) 涡流检测的原理及特点 涡流探伤法是工业各领域中应用较为广泛的无损检测方法。它以电磁感应理论为基 础，不需任何耦合剂就可对试件进行百分之百的快速自动检测【1 3 l 。涡流探伤对于棒材这 种形状规则而单一的试件来说，则更是大批量快速检测的有力工具。 涡流检测的基本原理是：用一个高频振荡器供给激磁线圈，使其产生激磁电流，并 在被检测件中感应出涡流，涡流又产生自己的磁场，涡流磁场的作用消弱激磁磁场的变 化。由于涡流磁场中包含着管材状况等各种信息( 如管材中存在的各种缺陷) ，仪器通 过检测线圈把涡流磁场信号检出，进行滤波、鉴相、放大等处理，并抑制非缺陷的各种 噪声信号( 如材料性能的差异、运动不平稳等) ，以此来判别管材中缺陷的存在1 1 4 , 1 5 】。 涡流探伤主要用于管材表面缺陷的检测，如果要检测管材内部的缺陷，涡流探伤方法则 无能为力了。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 涡流检测的特点：涡流检测和其他n d t 方法相比有很多特点，与超声法和射线法相 ， 比，它不需要耦合剂，可以非接触测量；与磁粉法相比，对磁性和非磁性材料均有效， 而且不污染环境，操作简单，省工省力；与渗透法相比，它不需要清洗试件，可以实现 检测自动化；涡流检测信号是金属材料许多参数的综合反映，所以涡流法不仅能探伤， 而且可以测量试件的电导率、应力应变、表面涂层厚度和位移等。基于这些优点，现在 涡流法已成为成品或半成品金属材料和设备在役检测的主要技术之一。由于涡流信号和 许多技术参数有关，从而给缺陷的识别带来了困难，所以在探伤时，必须抑制不需要的 参数所带来的干扰，即进行特殊的信号处理；因为有集肤效应的影响，涡流检测通常是 一种检测表面或近表面质量的无损检测技术；涡流检测技术的另一个缺点是只限于导电 材料。 ( 4 ) 漏磁检测原理及特点 漏磁检测是建立在铁磁性材料的高磁导率这一特性之上。其基本原理是利用外加磁 场使铁磁性材料被磁化，当材料有缺陷时将引起磁导率变化，致使磁力线弯曲畸变，并 且有一部分磁力线扩散泄漏出材料表面，通过检测该泄露磁场变化信号就能有效地检测 出缺陷的存在【1 6 1 7 1 。 漏磁检测技术的主要特点：对各种探伤具有较高的检测速度，如铁磁性材料表面， 内部裂纹以及锈蚀等均可获得满意的检测效果。探头装置结构简单，易于实现，成本低。 基于漏磁检测的诸多优点，漏磁检测作为无损检测的一种方法正被广泛的使用与研究。 如对钢丝绳、钢管、钢棒等铁磁性材料都可以进行可靠的检测。 ： 1 3 论文的主要工作 本文对管材表面质量缺陷检测方法进行了研究，设计了管材表面质量缺陷的自动检 测系统，具体内容如下： ( 1 ) 综合比较了国内外的无损检测方法，结合实际情况与现有条件设计了管材缺陷 自动检测系统，并对磁化方式，传感器等进行了设计。 ( 2 ) 对漏磁检测的数据采集系统进行了设计，用数据采集卡来对传感器获得的数据 进行采集，用v b 语言对数据采集卡进行编程，实现漏磁信号的实时显示，建立人机交 互系统。 ( 3 ) 系统的研究了管材缺陷漏磁检测原理，并对漏磁检测的若干问题进行了研究， 5 豢 毫 ，缈 瓣 。 。和 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 如传感器提离值对信号的影响，缺陷形状及尺寸参数与漏磁信号的关系。 本文的具体章节内容简介如下： 第一章为绪论，简单介绍了现今国内外管材缺陷的无损检测现状和一些常用的检测 方法。 第二章对漏磁检测方法及原理进行了详细阐述，其中包括了漏磁检测的原理以及用 磁偶极子理论研究缺陷的形状及尺寸对漏磁信号的影响。 第三章主要对漏磁检测系统进行了设计，其中包括磁化方式及传感器的选择以及磁 化装置的设计 第四章主要对信号的数据采集系统进行了设计，用v b 语言对数据采集卡进行控制， 从而使缺陷信号能在计算机上实时显示、数据存储等。建立了漏磁检测的人机交互系统。 第五章主要对实验所得的数据进行分析，在此基础上研究了缺陷形状及各尺寸参数 对漏磁信号的影响，以及传感器的提离值等对漏磁信号的影响。 第六章对本论文内容进行了归纳总结，给出本论文的结论，并对棒料的缺陷自动检 测方法的未来发展方向进行展望。 6 一 东北大学硕士学位论文第2 章漏磁检测理论研究 一j - “：“ ” 第2 章漏磁检测理论研究 2 1 引言 。 p 漏磁检测理论是漏磁技术对铁磁性材料进行自动检测的重要的研究内容之一。各种 漏磁检测器在其检测过程中所产生的漏磁场，取决于漏磁检测器的设计、铁磁性工件特 性以及缺陷的形状参数等，如永磁体的形状、大小、排列方式、工件材料、缺陷的长、 宽、高等。对漏磁场的分析离不开电磁场基本理论、解析分析和数值分析。 本章首先阐述了漏磁检测的现状以及漏磁检测仍需要尽一步深入的工作，然后对漏 磁检测的工作原理进行了介绍。其中重点研究了基于解析法的点偶极子、线偶极子和面 偶极子的缺陷理论模型，并分别以有限长矩形缺陷、无限长矩形缺陷和锥形缺陷为例做灏两 出了相应的磁偶极子漏磁场分布研究。 2 2 漏磁检测现状 目前在无损检测中，超声、射线、磁粉渗透等方法已经比较成熟，并在工业生产中 曼 得到广泛应用，但受其工作原理和检测过程限制，一般不易实现自动化。漏磁检测系统 。”： 具有检测能力强、自动化程度高等特点，除此之外，漏磁法检测缺陷的定量处理是漏磁 检测有别于其它探伤方法的一个独特之处，因此漏磁检测成为到目前为止应用最为广泛 的一种磁检测方法，特别是在油田钢管的检测中使用极为广泛，苏、美、日、德、英等 国在漏磁检测，尤其是漏磁理论方面进行了大量的研究工作。 2 2 1 漏磁检测的理论现状 长期以来，对磁性无损检测原理的认识仅仅停留在笼统的定性说明上，直到1 9 6 6 年 苏联学者发表了第一篇利用磁偶极子理论定量分析缺陷漏磁场的论文，提出了基于磁偶 极子理论的无限长磁偶极线、无限长磁偶极带等模拟工件表面的点状缺陷、浅裂纹和深 裂纹，开创了漏磁检测定量分析先河。此后，苏、同、美、德、英等国学者竞相丌展了 这一领域的研究，并逐渐形成了两大学派：一派是以苏联为首的经典理论学派，主要用磁 7 东北大学硕士学位论文第2 章漏磁检测理论研究 偶极子法求解析解；另一派以美、日为主的工程近似学派，多用有限元算法求解。但是， 磁偶极子法对解决磁性无损检测中悬而未决的诸多理论难题具有异常方便和独特效果， 因此，在漏磁检测、缺陷识别领域具有重要的、不可替代作用。我国对该领域的研究起 步较晚，1 9 7 9 年有对国外部分成果的综述性报导，1 9 8 1 年出现有限元法研究，自1 9 8 3 年 以后对磁偶极子理论研究比较活跃，在缺陷产生的漏磁场研究方面取得了长足进展。涡 流检测和漏磁检测二者均是以电磁场理论为基础的电磁无损探伤方法，但到目前为止， 漏磁检测系统是应用最为广泛的一种磁检测方法，特别是在油田钢管的检测中使用极为 广泛【1 8 ，1 9 1 。 2 2 2 漏磁检测的应用现状 1 9 3 3 年i 扫z u s c h l u g 首先提出了应用磁敏传感器测量漏磁场的想法，但一直至1 j 1 9 4 7 年 h a s t i n g s 设计了一套完整的漏磁检测系统后，漏磁检测才得到普遍承认。从2 0 世纪5 0 年代， 西德的f r s t e r 研究所研制出一系列漏磁探伤装置，用于焊缝、钢管和棒材的探伤。美国的 t u b o s c o p e 公司先后又研制出t a m a l o g 和s o n o s c o p e 两种漏磁探伤装置，主要用于石油无 缝钢管的探伤。漏磁探伤法的检测结果具有较好的定量性、客观性和可记录性，不仅适 用于钢棒和钢管的成品检验也适用于粗糙表面的钢坯等中间产品的探伤，但是在一般情 况下漏磁探伤只适用于形状规则的工件。英国s i l v e r w i n g 公司也推出了多种储罐和管道 的漏磁检测系统，如f l o o r m a p 2 0 0 0 储罐底板检验系统，通过便携式计算机将所有检测 到的数据以图形方式直观地显示出来，它能检测到底板的深约为4 0 的罐板厚的人工缺 陷( 圆锥形孔洞或弧坑) ，也可发现6 m m 厚的平板上大约深为2 0 罐板厚的腐蚀。 国内对漏磁检测技术的应用和仪器研究发展很快。合肥工业大学何辅云等人利用漏 磁检测技术对石油管道进行高速检测，将实际现场检测到的图形曲线和缺陷类型模板比 较，就能对管道内外壁缺陷进行识别【删。华中科技大学针对钢丝绳无损检测仪器中的一 些算法进行探讨，从一些信号的处理中提取了缺陷特征1 2 1 1 。清华大学研制了管道漏磁扫 描仪，通过信号处理技术，实现管道的高效、可靠以及精确的检测瞄l 。 2 2 3 漏磁检测需要深入的工作 从5 0 年代开始漏磁检测在国外被广泛的应用于板材、管材( 焊缝和管体) 、棒材和其 它型材的无损检测。特别是石油工业方面，漏磁检测的地位更重要，广泛应用于储油罐 8 东北大学硕士学位论文 第2 章漏磁检测理论研究 底板检测、长输管道检测和钻杆接头根部缺陷的检测。漏磁检测作为一种重要的技术， ， 经过半个多世纪的发展已经取得了很大的成就，但是还存在一系列的需要深入的工作： ( 1 ) 漏磁检测装置的优化 以往的漏磁检测研究不注重缺陷漏磁场理论分析，对于实际检测应用只靠实验来分 析，缺乏一定的理论根据。对于要检测的板材或管材中存在的一定大小的缺陷来说，应 该采用多大的外加磁场、提离值才能更好的检测到缺陷，这一问题是十分重要的。对磁 化装置进行分析，主要包括永久磁铁的尺寸、气隙的高度等。如何确定磁化结构的参数 是检测中需要面对的问题，也是优化检测系统所要解决的问题。 ! ( 2 ) 裂纹宽度对裂纹漏磁场的影响 在裂纹缺陷检测时，由于裂纹的宽度比较小，宽度对裂纹漏磁场是否影响，影响的 趋势是怎么样的，这对于裂纹漏磁场的评价十分重要。裂纹宽度的影响问题也是现在研 究裂纹的热点，但是到目前还没有得到一致的结论。所以裂纹宽度对裂纹漏磁场的影响 ， 有重要的研究价值。一、， 帮t ( 3 ) 裂纹检测时信号不明显 ， 。 在实验室实验发现，裂纹检测时得到的信号幅值小，信号不明显，对于近表面低深 窀o 度裂纹检测效果差，为解决这个问题需要引进提高精度的传感装置，包括添加聚磁结构 等来实现。添加聚磁结构后，漏磁场随缺陷参数的变化是否改变也是需要解决的问题。k 二。 ，一 ；产，： ：一 2 3 漏磁检测物理基础 ， 漏磁检测是以自动化为目的而发展起来的一种自动无损检测技术，国外己经得到了 广泛的应用。漏磁检测的基本原理是建立在铁磁性材料的高磁导率特性之上的。铁磁性 。 材料的磁导率远大于其它非铁磁性介质( 如空气) 的磁导率。当用磁场作用于被测对象并 采用适当的磁路将磁场集中于材料局部时，如果钢管表面存在缺陷，缺陷附近将有一部 分磁场外泄出来。 2 3 1 磁感应线的折射现象 漏磁检测方法利用了被检测对象的导磁特性以及磁感应线的折射现象。与光线从一 种介质进入另一种介质中时会发生折射现象一样，磁感应线从一种介质进入另一种介质 时，如果两种介质的磁导率不同，也会发生折射，并且遵循折射定律： 9 东北大学硕士学位论文第2 章漏磁检测理论研究 t g a l ：t g a 2 ( 2