管道漏磁检测装置的设计

管道漏磁检测装置的设计

为了快速检测工业管道，工业管道通常采用漏磁检测方法进行检测。漏磁检测方法主要考虑对被测对象的磁化和对缺陷信号的拾取这两个问题。在漏磁法检测时,缺陷处漏磁场信号的产生由磁化器决定,铁磁性材料被磁化的强度与磁化器磁场信号的大小、分布有着直接的关系,并影响着检测时的缺陷可检测性、分辨能力、灵敏度、信噪比等因素。因此,磁化器的磁化方式、方向、强度等的选择非常重要。本文针对管道的漏磁检测原理进行了简单的阐述,提出了针对管体部分的磁化和检测方法,讲述了检测装置的整体机械结构及密封工艺设计,并对各部件的材料做了简要介绍。对传感器的选择和布置,材料选择等几个方面进行了思路设计简述,以其通过管道内检测技术对对管体的逐级扫描,达到对缺陷大小、位置的检测目的。1管道泄漏的基本原理和实现方法1.1缺陷磁场检测在讲述管道漏磁场检测原理时,有必要先讲解几个关键的概念:(1)漏磁场。当用磁化器磁化被测铁磁材料时,若材料的材质是连续、均匀的,则材料中的磁感应线将被约束在材料中,磁通是平行于材料表面的,几乎没有磁感应线从表面穿出,因为被检工件表面没有磁场。但是,当材料中存在着切割磁力线的缺陷时,材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化,由于缺陷的磁导率很小,磁阻很大,使磁路中的磁通发生畸变,磁感应线流向会发生变化,除了部分磁通直接通过缺陷或通过材料内部来绕过缺陷外,还有部分的磁通会泄漏到材料表面上空,通过空气绕过缺陷再度重新进入材料,从而在材料表面缺陷处形成漏磁场。(2)漏磁场检测。漏磁场检测是指铁磁材料被磁化后,因试件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁场,人们可通过检测漏磁场的变化发现缺陷。漏磁检测的原理是通过永磁体,导磁体及管道形成磁回路,将管道磁化到接近磁饱和状态,再检测管道缺陷引起的漏磁通。1.2计算机检测缺陷的检测可靠性表1由于漏磁场检测是用磁传感器检测缺陷,相对于磁粉、渗透等方法,有以下优点:(1)易于实现自动化。(2)较高的检测可靠性。由计算机根据检测到的信号判断缺陷的存在与否,可以从根本上解决在磁粉、渗透等方法中人为因素的影响,具有较高的检测可靠性。(3)可以实现缺陷的初步量化。(4)在管道的检测中,在厚度达到12mm的壁厚范围内,可同时检测内外壁缺陷。(5)高效、无污染自动化的检测可以获得很高的检测效率。1.3永磁磁力检测由于漏磁检测的原理是通过永磁体、导磁体、导磁钢刷及管道形成磁回路,将管道磁化到磁饱和状态,再检测管道缺陷引起的漏磁通。因此采用永磁磁化方式。永磁磁化方式以永久磁铁作为励磁源。它是一种不需要电流源的磁化方式,与直流恒定电流磁化方式具有相同的特性,但在磁化强度的调整上不及直流磁化方式方便,其磁化强度一般通过磁路设计来保证。2设计磁强检测单元的漏磁检测单元2.1检测方式方式选择在磁性无损检测中,磁化是实现检测的第一步,决定着能否产生出漏磁场信号,同时也影响着检测信号的性能特性和检测装置的结构特性。与磁粉探伤一样,磁化由磁化器实现,包括磁源和磁路两大部分。随被测构件的结构不同,磁源和磁路均会改变。磁化方式通常可分为五类,分别是交流磁化方式、直流磁化方式、永磁磁化方式、复合磁化方式和综合磁化法。(1)交流磁化。检测深度将随着磁化电流的频率上升而呈指数曲线下降,并且大功率高频交流电源较难获得,同时考虑到运输管道大多为厚壁管,有一定的检测深度要求,因此,这种磁化方式一般场合较少使用。(2)直流磁化。该方式检测深度较深,信号处理简单,并且大功率直流电源较容易获得。(3)交直流混合磁化。这种取了前两种方式之长,既考虑了检测深度又考虑了表面检测灵敏度。但在实际应用中,由于采用混合磁化方式后,造成励磁检测设备庞大,信号处理复杂,所以较少使用。管道漏磁检测方法中有两种励磁方式,一种是采用电磁方式,另一种采用永磁体作为励磁源,由于采用通电方法将管道磁化到近饱和的检测状态需要很大能量,在要求连续长距离检测时只能采用无缆工作方式,检测器自带的电源无法提供足够的能量,所以这里只能采用永磁体作为激励源。对于磁化方式的选择,从检测的要求看应该使磁场方向尽可能与缺陷的方向垂直,而管道的缺陷可能有各种方向。目前管道磁化方向有周向磁化和轴向磁化两种方式。图1为周向和轴向磁化探头单元的示意图,由于漏磁信号与缺陷面积正相关,轴向磁化方法对于周向宽度较大的缺陷有很好的检测效果,缺点是对于沿轴向排列的裂纹状缺陷不敏感,而周向磁化方式由于磁化方向与轴向磁化方式正交,因此对轴向排列的裂纹有很好的检测效果,但对于周向排列的裂纹不敏感。另外,由于结构上的限制,传感器不能在管道周向整圈布置,所以为了达到检测效果,必须要使用两个垂直分布的探头以覆盖整圈管道。经综合比较,这里采用了轴向磁化方式。为进一步提高检测效果,可以在一个检测器中综合使用两种磁化方式以利用两种方式的优点。2.2选择合适的磁性检测装置的选择原则在漏磁检测中,通常要求铁磁性构件中的磁感应强度达到0.7特斯拉以上,或按5安匝/mm计算线圈磁化的能力,在磁性检测中,检测装置的体积和重量主要集中于磁化器上,而这些又决定了检测装置的现场使用性能,因此,强度的选择应在确保检测灵敏度的同时以减轻磁化器的重量为主要目标。2.3阻制装置的要求检测装置的机械结构设计必须以装置能否在管道中顺利穿行为前提。管道中阻碍装置行进的主要是弯头。为保证通过弯头,需要把装置分成几节,节间采用软连接,以便在弯头处能够转弯通过。计划分成三节,分别是磁化节、计算机节和电池节。图2为该装置的外型示意图。2.4检测装置工艺性和稳定性分析机械零件的结构工艺性好是指在现有的生产设备条件下,能够方便、快速、经济地制造出来并且能容易装配到机器上。每一个零件的结构设计应充分考虑到现有的加工条件。如何加工、将来如何装配到机器上,应该从结构设计、加工过程、装配维护等环节综合来考虑。如果设计的零件结构工艺性比较差,就会影响到加工成本与费用,同时还会影响加工周期。检测装置在工艺结构设计上,要着重解决以下问题:(1)装置的密封耐压工艺;(3)影响测量系统磁场分布的因素。其中,密封工艺是关键,其关系到的不仅仅是能否正确测量数据,更重要的是装置能否完好无损,尤其是计算机节,价钱昂贵,一旦损坏,损失巨大。2.5导磁钢刷的作用由于漏磁检测的原理是通过永磁体、导磁体、导磁钢刷及管道形成磁回路,将管道磁化到磁饱和状态,再检测管道缺陷引起的漏磁通。所以必须精心选择具有适当磁特性的永磁体、导磁体和导磁钢刷才能达到准确检测的目的。永磁体选用新型钕铁硼材料,该材料具有高磁能积、高矫顽力、磁性能稳定的特点。制成的产品磁性强、体积小、重量轻而且能达到励磁的功能。导磁体选用工业纯铁(DT4E),这种材料具有高的磁感应强度、小的矫顽力的特点,并且价格较低、加工性能好,适应检测时的导磁要求。导磁钢刷的主要作用是提供永磁体与管道的柔性耦合,形成闭合磁路。由于管道存在弯道和变形而漏磁检测中为了保证管道磁化的稳定必须保证永磁体与管道的紧密耦合。采用铁磁材料的导磁钢刷可以满足这两个要求。由于钢刷由多根较细的钢丝构成,具有良好的导磁性能,使用时支撑在管道内,其外径比管道内径略大,有一定的弹性和变形量能适应管道的正常弯道和变形,可以与管壁充分接触,增加磁化效率并能保证运动中管道磁化的稳定性。同时,由于要求检测器能一次检测二十公里以上的管道,与管道直接接触的导磁钢刷必须要有良好的耐磨性能。导磁钢刷采用具有良好耐磨性能的合金钢丝制成,并经过热处理。呈刷子状,每个钢刷固定十束钢丝,每束由165~175根直径为1mm的钢丝构成,钢丝的耐磨要求为每检测20km管道磨耗量小于1mm。2.6线性关系的考察选用什么样的元件是漏磁测量精确与否的关键。目前常用的器件有霍尔元件、霍尔集成传感器、磁敏管、磁敏电阻、巨磁阻和检测线圈等。表1为几种磁敏器件的性能对比。相比较而言,磁敏管的灵敏度虽然高,但线性度太差;磁敏电阻温度特性很差且有局部非线性;检测线圈的灵敏度、温度特性和线性度都可以,但线圈测量磁感应时只能测量变化的磁场,当磁场变化缓慢时,线圈很难测到,而且线圈和磁场之间运动的相对速度变化也会影响测量值的大小。霍尔元件是根据霍尔效应制成的,将一通电导体或半导体薄片置于磁场中,则产生一个和电流及磁场方向垂直的电场,亦即产生一电动势,这种现象叫霍尔效应。霍尔电动势可以表示为:式中,Vh表示霍尔电动势;b为霍尔元件厚度;n、e与霍尔元件本身材料有关;令Kh=(neb)-1为霍尔元件灵敏度,由式(1)则磁感应强度B为:当施加恒定电流且霍尔元件已经确定时,由式(2)可以看出,磁感应强度B和霍尔电动势Vh成线性关系。由以上介绍可以看出,霍尔元件具有良好的线性度。同时它也具有温度特性好和高灵敏度的特点。霍尔集成传感器是由霍尔元件、电压调整器、霍尔电压发生器、线性放大器和射极跟随器组成,其输入是磁感应强度,输出是和输入量成正比的电压,具有线性度好、功耗低、灵敏度高、输出电阻小和温度稳定性好等特点。3管道检测技术应用