【《管道漏磁检测原理概述》3500字】

管道漏磁检测原理概述1.1漏磁检测原理管道漏磁检测利用铁磁性材料高磁导率特性，在磁饱和状态下铁磁性材料的磁导率受材料缺陷影响很大，在管道缺陷处形成漏磁场，用霍尔传感器对漏磁信号进行采集，分析缺陷与漏磁信号的特征关系，从而对管道缺陷的大小、形状进行判断。当管道中不存在缺陷时，磁力线均匀分布在管道内部，平行于管道管壁，几乎没有磁场泄漏，如图2-2所示；当管道存在缺陷时，磁力线在缺陷处被阻隔，发生畸变，部分磁力线穿出管道，泄漏在空气中形成缺陷漏磁场[52]，如图2-3所示。通过霍尔元件探测漏磁场，并对漏磁场进行处理分析，从而实现管道缺陷的检测。图2-2无缺陷时磁力线分布图Fig2-2Distributionofmagneticfieldlineswithoutdefects图2-3有缺陷时磁力线分布图Fig2-3Distributionofmagneticfieldlineswithdefects1.2三维漏磁检测原理传统的漏磁检测系统，其漏磁检测技术仍停留在一维或二维检测技术上，一次采集漏磁信号的轴向分量（水平分量）或径向分量（垂直分量），可以判定出缺陷长度信息和深度信息。但是这两个分量都难以准确判定缺陷宽度信息[53]。同时，传统的漏磁检测器检测缺陷需要两级传感器，传统漏磁检测器如图2-4所示。T1主传感器系统施加一个平行于管壁的高强度磁场，管壁有缺陷时部分磁力线穿出，形成漏磁场，T1主传感器系统检测所有的磁力线泄漏。T2次级传感器系统施加与管壁垂直的微弱磁场，管壁存在缺陷时磁力线将会发生偏转，T2次级传感器系统仅仅检测管壁内部的磁力线偏转。T1主传感器系统和T2次级传感器系统如图2-5所示。漏磁场被主传感器系统和次级传感器系统同时检测到的是内部缺陷，漏磁场只被主传感器系统检测到的是外部缺陷。图2-4传统高清漏磁检测器Fig2-4TraditionalhighdefinitionmagneticfluxleakagedetectoraT1主传感器系统bT2次级传感器系统图2-5主传感器和次级传感器工作原理图Fig2-5Operatingschematicdiagramofprimaryandsecondarysensors本文设计的三维漏磁检测传感器系统包括多个霍尔元件，三维漏磁检测传感器能同时采集到轴向、径向和周向三个方向的漏磁场，波形的大小形状由缺陷参数决定。若管道没有缺陷，则磁感应线在管道内部均匀分布；若管道存在缺陷，则磁感应线会穿出管壁经外部空气绕过缺陷再次折回管道内部，在管道表面泄漏出来的那部分为漏磁场。此时通过三维漏磁检测传感器，以一定速度对管道进行检测，穿过霍尔传感器的磁通量发生变化，根据电磁感应定律，其中的霍尔传感器就会分别产生感应电动势。感应电动势经处理后，即成为三维漏磁信号，以此来判断缺陷的类型、位置、和尺寸等参数信息。同时根据得到的三维漏磁信号判断缺陷是内部缺陷还是外部缺陷，不再需要传统漏磁检测器的两级传感器来辨别内外缺陷。1.3磁化方式磁化技术是漏磁检测技术中至关重要的一步，合理的磁化程度是材料产生准确反映缺陷信息的漏磁场的前提。如果没有将被检测材料磁化至饱和状态，则会产生偏小的漏磁场导致磁敏感元件接收不到或接收到较小的漏磁信号，不能准确反映缺陷尺寸信息，影响检测的精确性。漏磁检测中的磁化方式根据检测器励磁装置的不同可分为交流磁化、直流磁化和永磁磁化。每种磁化方式各有其特点，适合不同的工程情况。（1）直流磁化直流磁化是对线圈输入恒定的直流电，由于电磁感应定律，线圈在其周围产生一个恒定的磁场。根据励磁电流源的不同，直流磁化可分为直流脉冲磁化和直流恒流磁化。直流恒流磁化需要高励磁电流源。直流磁化的优点：探测深度较深，适合与现场重复性试验，可以通过调整励磁电流的大小来灵活调整磁化强度。缺点：需要搭建电路控制励磁，若想达到较高的磁化强度较为困难；检测结束后需要进行退磁处理。（2）交流磁化与直流磁化方式相比，交流磁化的励磁源主要是一个通以某种交流电为动力的线圈，通过改变电流的大小和频率来控制线圈产生的磁场强度。针对不同检测需要的灵敏度需要调整输入电流的频率。交流磁化产生的磁场并非恒定，其变化的频率决定于励磁电流。交流磁化的优点：可以检测较为粗糙的试件表面，对材料表面要求较低。缺点：磁化达到的深度低，不适合检测材料内部很深的缺陷[54]。（3）永磁磁化永磁磁化的励磁源是永磁体，通过将永磁体充能后进行励磁。磁化效果一般与永磁体自身的材料特性有关，剩磁易对检测人员产生安全隐患，磁化强度的调整较为复杂；需要更改磁路。永磁体磁化是漏磁检测的主要激励方式。永磁材料一般选用矫顽力大、重量轻、剩磁密度高的稀土永磁材料[55]。1.4管道漏磁内检测系统管道漏磁内检测系统主要目标是完成对管道缺陷的检测，以及确保在管道中匀速稳定的行驶，主要包括励磁单元、信号采集存储单元和信号处理单元等[56]。管道漏磁内检测器的励磁单元的主要作用是将管道磁化至饱和或近饱和状态，激发管道缺陷漏磁场的产生。在设计检测器的励磁单元时，需要考虑成本、体积、重量和性能。在设计励磁单元时综合考虑以上几个方面才能得到一个最优的磁化装置，使装置在适应管道尺寸的同时，也能保证成本、检测效率和检测精度。在实际应用中，磁化装置可分为永磁励磁的磁化装置和电磁励磁的磁化装置，其中永磁励磁的优势在于可以提供恒定的外加磁场，无需额外的激励装置，可以在一定程度上较小检测装置体积。电磁励磁根据其激励源的不同分为直流磁化方式和交流磁化方式。其中，交流磁化方式的优点为对变检测管道表面条件要求较低，可以为较粗糙表面。因此，交流磁化通常被广泛应用于表面或接近表面检测。直流磁化的方式是采用直流电流作为激励源，磁化被检测管道，具有检测深度较广的优点。相比于永磁磁化，还是可以通过控制激励来调节磁化的强度，并且缺陷处漏磁信号与缺陷尺寸成正比关系，更利于缺陷的分析。缺点是比较难以实现高强度的磁化，在检测后还会进行退磁。信号采集存储单元是将缺陷处的漏磁场信号通过霍尔元件接收，通过输出不同的电压幅值来表达缺陷尺寸，然后传送到计算机上进行数据处理。在实际检测中，传感器通常由霍尔元件或线圈组成，其中线圈的检测效果较易受到检测速度的影响。因此，在工程应用中多用霍尔元件做信号采集，霍尔元件相比于线圈，具有体积小、功耗低、不受速度影响等优势。霍尔元件采集漏磁信号是以霍尔效应为理论基础，感应出磁场信号的大小。漏磁检测装置中的霍尔元件正是利用了这个原理，通过判断霍尔电动势的大小来判断漏磁场强度大小，进而判断出管道缺陷尺寸。在实际的管道检测当中，可以根据实际需要将霍尔元件制作成不同形式的探头，放置到检测器与管道之间的空气区域中。由于霍尔元件只对垂直于自身检测面的漏磁信号敏感，因此在设计检测探头时，要保证霍尔元件的检测面与漏磁场是垂直的。漏磁检测器探头中的霍尔元件一般呈点状排列，对漏磁信号采用独立通道采集，同时实际检测中管道长度较长，会采集到大量的信号，因此需要一个大容量的存储系统来存储携带管道信息的信号。采集到的信号由于受到多种因素影响，后续需要进行降噪、滤波等处理。在管道检测器对管道进行扫查时，收集到的数据首先要经过线上的预处理。由于体积、功耗等各种因素等限制，线上的储存空间十分有限，然而管道检测过程中采集的数据量十分庞大，所以在在线检测过程中需要对数据进行压缩。由于管道检测器工作环境复杂，影响信号因素较多，得到的漏磁信号多含有大量噪声，会导致体积较小的缺陷难以识别，对后续的信号分析工作存在误判，并且参杂着大量噪声的信号也会降低数据压缩的效率。因此，在进行数据压缩之前，需要对信号进行在线滤波降噪等处理提高信号的信噪比，同时放大漏磁信号。在接收到管道检测器的数据后进行一系列分析处理工作：首先，对接收到的数据进行读取和解压，完成对缺陷的初步识别，并通过进一步的处理完成对缺陷的量化和分类。结合惯性导航系统和里程轮的信息便可以得到缺陷的位置信息，最终生成报告。1.5管道缺陷漏磁场的分布当管道中存在缺陷时，产生的漏磁场是一个三维的矢量场，因此霍尔元件检测到的信号同样是一个三维矢量信号，可将信号分解为轴向、径向和周向分量。管道如果存在缺陷，在缺陷中心的漏磁场的轴向分量的曲线具有最大值并且对称。径向分量曲线呈中心对称，曲线在缺陷的两个边缘处分别取得正负最大值。漏磁场信号的轴向分量和径向分量的分布特征如图2-6所示：图2-6缺陷漏磁场分布图Fig2-6Defectleakagefielddistribution漏磁场是三维场，在实际检测中，传感器需要足够的测量范围和多个通道以便能对三个方向的分量都可以准确测量，通过漏磁信号的波形确定缺陷的位置，轴向分量上极大值与极小值之间的宽度通常作为衡量缺陷长度的特征量，轴向分量和径向分量曲线的幅值大小可作为衡量缺陷深度的特征量。1.6常见缺陷输送油气的管道深埋地下，管道外壁长时间的与土壤、岩石接触，容易造成管道磨损、变形等，而管道内壁长期与输送的油气产品接触，会使管道内壁出