钢管端部效应的仿真分析与检测装置设计

钢管端部效应的仿真分析与检测装置设计

1探伤设备及端部磁场的分析管道端头缺陷严重影响了其安全使用。许多重要的事故发生在管道端头上。目前端部探伤的方法和设备有超声波和磁粉探伤两种,但其检测过程复杂、效率低,受人为因素影响大,不适合大批量检测探伤。漏磁检测方法是目前检测钢管最有效的方法之一。随着自动漏磁检测技术的不断发展与完善,钢管的检测精度与效率也越来越高。然而,常规的自动漏磁检测方法与探伤设备都存在不同的端头检测盲区,最先进的设备也至少有50mm以上;有试验研究表明端部盲区可以缩小到20mm～30mm的范围,但对端部磁场及减小盲区的机理分析不多,且盲区还可以进一步缩小。对此,有必要继续进一步分析并研究出缩小端部盲区的检测方法与装置。2在管道端部的检测盲点分析中2.1钢管端部磁场分布在电磁检测中,由于工件的几何形状(端部边缘)急剧改变而引起邻边磁场和涡流干扰,将掩盖一定范围的缺陷检出,这种现象称之为端部效应,该效应与端部是同时存在的。在钢管漏磁无损探伤中,当检测到钢管端部时会产生端部效应,在端部相当一段长度内造成检测盲区。在检测时,当管子的端部(头和尾)进入或离开磁化线圈时,通电线圈逐渐变成带铁心线圈或还原为中空状,此时磁化场在钢棒端部不能有效地恒稳聚集,导致端部空间泄漏磁场相对较强;另一方面,由于端部磁场的发散变动,导致端部管壁内磁通量变化,影响了其磁饱和的保证,使得缺陷处漏磁场减弱。采用ANSYS有限元分析其端部磁场的分布,如图1所示。此时缺陷处漏磁场被端部的泄漏静磁场所淹没,在钢管壁近表面处的磁场值分布如图2所示,可以看出离端部最近的缺陷漏磁场信号几乎被空间发散磁场所掩盖,难以被检测并识别出来,形成端部检测盲区。2.2生存磁场分布钢管因有端部而不可避免地存在端部效应,但端部检测盲区却可以减小或消除。钢管端部效应的存在,主要是由于钢管在端部发生形状连续性突变,造成其磁化场在端部的发散形成端部泄漏静磁场。对此,可采用导磁构件来收集端部泄漏磁场,对端部磁路加以引导,借用另外的导磁构件与钢管端部对接后形成新的端部,使得原端部变为管体,称这种减小端部盲区的方法为端部移接法。端部移接法中对接的导磁构件可以为管状对接,可以为板状对接,也可以既加对接管又加对接板来进行对接。图3为管状对接端部移接法的ANSYS有限元分布端部磁场图。钢管对接了管状导磁构件后,减少了磁化场在原端部的泄漏,很好地引导了在端部处钢管管壁内的磁路走向,从而使得端部很好地达到磁饱和状态。此时,在钢管壁近表面处的磁场值分布如图4所示。可以明显地看出端部泄漏静磁场值减小,且离端部最近的缺陷漏磁信号幅值增大,缺陷容易识别。此方法的缺陷就是对接管有时比较长,特别是对直径大磁化场要求大的钢管。采用板状对接端部移接法的磁场分布图如图5所示。与管状对接法一样能够减小端部泄漏静磁场,在钢管壁近表面空间位置处磁场值分布如图6所示,端部缺陷也较容易识别出来。但此方法中所加的对接板会阻止检测探靴往钢管端头的进一步扫描检测,形成扫描盲区,故最终不一定能够达到减小端部检测盲区的目的。结合加对接管和对接板对接法,采用连接有对接板的对接管来实现其对接,这样在减少对接管对接长度的同时,又能让检测探靴到达端部并对端部进行全面的扫描检测,更重要的是能够很好地对端部磁路加以引导,减少端部泄漏静磁场。其端部磁场分布及端部缺陷幅值如图7、图8所示。3突变漏磁场信号检测在漏磁检测中,常用磁敏元件采用霍尔元件,但考虑到霍尔磁敏元件对静磁场的敏感性强,可能检测出更多的端部泄漏静磁场而掩盖掉了动态扫描时突变的缺陷漏磁场信号;而线圈却主要拾取的是磁场的突变量,所以这里采用贴片式线圈来拾取缺陷的突变漏磁场信号,从而避开了由于对接管或对接板对接时收集引导端部磁场时仍有发散在端部空间的静磁场对缺陷漏磁场的影响。贴片式线圈如图9所示。由磁敏感线圈、磁化器构成检测探头。依据现场钢管的制造流程以及使用情况对钢管大批量快速检测的要求,设计出一套钢管端部小盲区检测设备,如图10所示。对接头为带对接板的对接管,与辅助小车固接在一起,随着小车的移动,可以直接与被检测钢管快速对接,当检测探头里的磁化器通电产生磁场后,对接头由于吸力作用就与被检测钢管端部紧贴对接,消除了对接头与钢管端部存在对接间隙而泄漏出端部静磁场的问题。另外,对接头由于磁化器的断电消失磁吸力而轻易退出离开与钢管端头的对接。检测探头悬挂在对接头上,方便套送上被检测钢管和检测完毕停车。4mm深2mm的缺陷在直径为Ø89mm的钢管管壁上等距离制作8个宽0.3mm×长20mm×深2mm的缺陷,缺陷离端头最近距离为10mm,如图11所示。经过试验测试,获得相应的缺陷信号如图12所示。从缺陷信号波形图中可以看出能够检测出离端头最近10mm处的缺陷。5小区内端部磁场检测本文通过ANSYS有限元仿真分析解释了钢管端部效应的存在,同时提出多种减小钢管端部检测盲区的对接方法并仿真分析了其端部磁场的分