油管缺陷漏磁檢測(cè)仿真永磁體油管傳送分析研究機(jī)械制造專業(yè)

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1、 摘要 伴隨國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平在最近一段時(shí)間得到較快的發(fā)展，我國(guó)能源需求量不斷增多，與之相關(guān)的管道運(yùn)輸安全也開始被各界人士所關(guān)注。國(guó)內(nèi)能源運(yùn)輸管道錯(cuò)綜復(fù)雜，表現(xiàn)出距離長(zhǎng)、建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)的特征，對(duì)管道檢測(cè)效率與質(zhì)量都帶來較大的難度。在目前此類缺陷檢測(cè)方式中，漏磁方式在效率、安全、費(fèi)用等部分具備明顯的優(yōu)點(diǎn)。在漏磁檢測(cè)設(shè)備中，通常使用永磁體對(duì)管道實(shí)施勵(lì)磁，在勵(lì)磁時(shí)期需要處理磁路設(shè)計(jì)和改善、永磁體幾何尺寸、和管道之間的材料特性等問題，處理上述現(xiàn)實(shí)問題對(duì)提升漏磁檢測(cè)的效率與提升結(jié)果精準(zhǔn)度具有較大的幫助。 本文主要對(duì)管道漏磁內(nèi)檢測(cè)的主要問題開展分析，探索相關(guān)科技和對(duì)磁路計(jì)算問題開展大致分析。以麥克斯韋方程作

2、為磁路計(jì)算的基礎(chǔ)、磁性材料的選擇、磁化方式的選擇，磁化強(qiáng)度的選擇，從整體上對(duì)磁路計(jì)算問題有了輪廓性的描述。 通過用對(duì)永磁體的軸向長(zhǎng)度，徑向厚度，周向?qū)挾?，磁間距等各個(gè)方面對(duì)油管進(jìn)行仿真，利用仿真結(jié)果指出永磁體幾何參數(shù)對(duì)磁化功能的影響，此處永磁體的周向?qū)挾葘?duì)磁化作用的影響相對(duì)突出。利用對(duì)比選擇符合的尺寸。 油管中也許出現(xiàn)的問題主要是縱向與橫向缺陷兩部分。依照實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和現(xiàn)實(shí)需求，選擇效率高、敏銳度高的測(cè)試方式。根據(jù)油管和探頭的運(yùn)動(dòng)形式，全面分析不同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。 關(guān)鍵詞;油管 缺陷，漏磁檢測(cè)，仿真，永磁體，油管傳送

3、 Magnetic Flux Leakage Detection and Tubing Transmission Technology Abstract Along with our country economic level in recent years, the rapid increase of the national energy demand also increases day by day, the pipeline transport of energy security also nots allow to ignore. The

4、 energy complex pipeline distribution in our country, has the characteristics of long distance, connecting the time long, detection efficiency and quality of the pipes produced a great test. Have a common cause of pipeline defects such as corrosion,scratches, deformation, in a variety of pipeline de

5、fect detection method, the magnetic flux leakage testing in terms of efficiency, safety, cost is particularly prominent advantages. In magnetic flux leakage detection device, mainly for permanent magnet excitation on pipe material, there is a magnetic circuit calculation, the optimization design and

6、 permanent magnet geometry size, between permanent magnet and the pipe materials, permanent magnet excitation speed impact on excitation effect problem, to solve these problems to improve the efficiency of the magnetic flux leakage testing and improve the precision of the results have certain help.I

7、n this paper, several key problems in the pipeline leakage detection are studied, the magnetic flux leakage detection technology and the preliminary study on the magnetic circuit calculation are studied.Of magnetic circuit calculation of preliminary research: choice of Maxwe

8、lls equations as a magnetic circuit calculation based, magnetic materials, magnetic magnets operating point determine and selection and the final circuit approximate calculation, from the whole of magnetic circuit calculation with the description of the contour. Simulation of tubing by

9、using axial length, radial thickness, circumferential width, and magnetic spacing of permanent magnets, The effect of the geometric parameters of the permanent magnet on the magnetization is obtained from the simulation results. The circumferential width of the permanent magnet has the most signific

10、ant effect on the magnetization effect. Select the most suitable size by comparison. The possible defects in the tubing are divided into two major categories, vertical and horizontal defects. According to the field environment and user needs, a high-speed, high-sensitivity magnetic flux leakage det

11、ection method was selected. Combining the movement of tubing and probes, in-depth study of various possible detection system implementations 目錄 第一章 緒論 4 1.1 漏磁檢測(cè)研究背景 4 1.2無損檢測(cè)技術(shù)概述 4 1.2.1漏磁通檢測(cè) 4 1.2.3超聲波檢測(cè) 5 1.2.4 渦流檢測(cè) 5 1.3漏磁檢測(cè)國(guó)外研究狀況 5 1.4國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 6 1.5漏磁檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 6

12、第二章 油管漏磁場(chǎng)形成機(jī)理及檢測(cè)的原理 7 2.1漏磁場(chǎng)的形成機(jī)理 7 2.2 缺陷漏磁檢測(cè)原理 8 2.3 磁化 10 2.3.1磁化材料 10 2.3.2 磁化原理 10 2.3.3磁化方式 11 2.3.4磁化強(qiáng)度的選擇 12 第三章 磁路的設(shè)計(jì) 13 3.1漏磁檢測(cè)對(duì)磁路設(shè)計(jì)的要求 13 3.2磁路設(shè)計(jì)方案 14 3.2.1明確檢測(cè)對(duì)象 14 3.2.2磁路的計(jì)算 14 3.3 勵(lì)磁源永磁鐵幾何尺寸對(duì)磁化效果的影響 15 3.4定義材料屬性 16 3.5工作點(diǎn)的選擇 18 第四章 軟件仿真及結(jié)果分析 19 4.1 Maxwell軟件仿真 19 4.

13、1.1 Maxwell軟件介紹 19 4.1.2 Maxwell2D仿真 19 4.1.3 Maxwell3D仿真 19 4.2 Maxwell軟件操作流程 19 4.3 永磁勵(lì)磁油管缺陷仿真（周向） 20 4.3.1管道壁厚度對(duì)磁化強(qiáng)度的影響 21 4.3.2 缺陷沿徑向大小對(duì)磁化強(qiáng)度的影響 22 4.3.3永磁體的厚度對(duì)磁化強(qiáng)度的影響 22 4.3.4 永磁體的軸向長(zhǎng)度對(duì)磁化強(qiáng)度的影響 23 4.3.5兩永磁鐵間距對(duì)磁化強(qiáng)度的影響 24 4.3.6 銜鐵的厚度對(duì)磁化效果的影響 24 4.2采用縱向磁化建立仿真模型 25 4.2.1 管道壁厚度對(duì)磁化強(qiáng)度的影響 26

14、 4.2.2 永磁體的厚度對(duì)磁化強(qiáng)度的影響 26 第五章油管的傳送 26 5.1油管傳送系統(tǒng) 26 第六章 結(jié)論 31 第一章 緒論 1.1 漏磁檢測(cè)研究背景 石油天然氣管道輸送在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有非常關(guān)鍵的主導(dǎo)位置，因此輸送管道的主要標(biāo)準(zhǔn)是穩(wěn)定、高效。目前鋼管在石油、天然氣、化工等諸多領(lǐng)域得到高效使用，對(duì)鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量指出較為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。鋼管上所有會(huì)出現(xiàn)的問題都是導(dǎo)致事故出現(xiàn)的條件，特別是位于地下與海上運(yùn)送石油與天然氣的管道，擔(dān)負(fù)內(nèi)部氣體或液體的高壓，有時(shí)候會(huì)遇到腐燭，斷裂和地殼運(yùn)動(dòng)等相關(guān)災(zāi)害的影響，對(duì)管道帶來負(fù)面影響，破裂，泄漏問題頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)虧損，對(duì)人

15、身安全與周圍環(huán)境產(chǎn)生無法預(yù)估的破壞。 無損檢測(cè)的缺陷評(píng)估對(duì)于改善生產(chǎn)、確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升現(xiàn)實(shí)效率等，具有無可取代的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，其主要使用材料的物理性質(zhì)因缺陷而出現(xiàn)變化的現(xiàn)實(shí)狀況，測(cè)試具體變化量，進(jìn)而判定材料內(nèi)部缺陷是否出現(xiàn)。特別是位于地下與海上運(yùn)輸石油與天然氣的管道擔(dān)負(fù)內(nèi)部氣體或液體的壓力，承擔(dān)多種腐燭與結(jié)構(gòu)變形應(yīng)力以及無法阻擋的惡劣環(huán)境。因此各國(guó)眾多專家人員都對(duì)鋼管探傷檢測(cè)開展深入分析，因此很多鋼管探傷方式隨之出現(xiàn)。現(xiàn)在普遍使用的探傷方式為：目視測(cè)試，液體滲透，磁粉測(cè)試，禍流，超聲，射線，工業(yè)等。然而在效率、高穩(wěn)定性、高效率部分上述方式都出現(xiàn)一些問題，很多方式檢測(cè)較慢，成本過高，標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)嚴(yán)苛

16、；很多探測(cè)深度不符合要求，漏檢嚴(yán)重：也存在操作繁瑣，效率不高的問題。從磁粉探傷延伸產(chǎn)生的漏磁無損檢測(cè)方式主要基于鋼管鋼棒等鐵磁性原料的高磁導(dǎo)率特點(diǎn)，其利用拾取被磁化的鋼管其問題處泄漏到外界的磁通信號(hào)，之后經(jīng)過信號(hào)處理設(shè)備得出和缺陷形狀相關(guān)電信號(hào)的重要方式，此方式憑借自身在線檢測(cè)水平高，自動(dòng)化水平高等相關(guān)優(yōu)勢(shì)而達(dá)到生產(chǎn)與現(xiàn)實(shí)使用中的連續(xù)性、高效性等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。促使磁檢測(cè)變成到現(xiàn)在為止使用最普遍的重要磁粉檢測(cè)方式，尤其是在油田管道檢測(cè)中被普遍使用。另外和一般磁粉檢測(cè)進(jìn)行比較此方式可以量化最終結(jié)果，具備更高的穩(wěn)定性，效率高，污染較少等優(yōu)勢(shì)。但是，從目前對(duì)漏磁檢測(cè)理論的分析與使用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，西方國(guó)家，

17、比如美國(guó)、英國(guó)、加拿大、□本、德國(guó)等分析時(shí)間更長(zhǎng)，在深入理論分析的時(shí)候需要把此技術(shù)使用到生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)中，且得到較好的效果。 1.2無損檢測(cè)技術(shù)概述 1.2.1漏磁通檢測(cè) 假如鐵磁材料上存在不連續(xù)性,此時(shí)在磁場(chǎng)的影響下,在不連續(xù)性的上表面,磁感應(yīng)線的方向出現(xiàn)一定的變化,其與光、聲波的折射類似,也就是磁感應(yīng)線折射現(xiàn)象。假如上述介質(zhì)磁導(dǎo)率差異較大,比如鐵與空氣,此折射進(jìn)入空氣之后甚至垂直到界面,進(jìn)而造成磁場(chǎng)路徑的變動(dòng),造成少數(shù)磁通泄漏在材料表層,產(chǎn)生漏磁場(chǎng)。漏磁通檢測(cè)下述被叫漏磁檢測(cè)，主要使用磁敏元件生產(chǎn)的探頭測(cè)試此類材料表層的漏磁場(chǎng),此方式一般使用在對(duì)稱旋轉(zhuǎn)工件,比如軸類、管材與棒料等,所以便于

18、完成高科技測(cè)試。還能尋找眾多不連續(xù)性,可以為鐵磁性材料提供高效且方便，成本較低的評(píng)定。此方式主要用于對(duì)鋼構(gòu)、鋼坯、圓鋼、棒材進(jìn)行檢驗(yàn)，確保產(chǎn)品的完好,此外還能對(duì)鋼纜與規(guī)模龐大的儲(chǔ)油罐、儲(chǔ)氣罐等開展測(cè)試。鋼管是使用相對(duì)普遍的品種,其質(zhì)量也會(huì)影響現(xiàn)實(shí)效益和職員的人身安全,全球各國(guó)格外關(guān)注對(duì)鋼管進(jìn)行的檢測(cè),主要使用無損檢測(cè)方式對(duì)其開展高效的檢測(cè)。漏磁檢測(cè)憑借自身對(duì)管材表面狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)寬松,測(cè)試深度較大,在其他國(guó)家的鋼管檢測(cè)中被普遍使用,國(guó)內(nèi)逐漸關(guān)注到此測(cè)試方式。 對(duì) x射線檢測(cè)的主要原理是在射線通過被檢物體時(shí),存在缺陷的部分比如氣孔、非金屬夾雜物等和沒有缺陷的部分對(duì)射線吸收水平存在差異。我們將金屬物體

19、當(dāng)做案例,缺陷部分所含空氣或夾雜物對(duì)射線的吸收水平會(huì)明顯低于金屬本身所具備的吸收水平,通過有缺陷部分的射線強(qiáng)度高于一般部分的射線強(qiáng)度,我們就能以此測(cè)試通過工件之后的射線強(qiáng)度差距，進(jìn)而判定工件中有沒有出現(xiàn)缺陷?，F(xiàn)在我國(guó)使用最普遍、敏銳度最高的檢測(cè)方式是射線照相法,主要使用感光膠片來測(cè)試射線強(qiáng)度,在射線感光膠片上存在缺陷部分由于得到大量射線,因此產(chǎn)生灰度較高的缺陷影像。缺陷依照射線透照方向長(zhǎng)度延伸、被透照物質(zhì)射線吸收系數(shù)更高,此時(shí)通過有缺陷與無缺陷部分的射線強(qiáng)度存在差異,感光膠片上缺陷和原本部分的灰度差異較大,缺陷就可以直接被尋找到。 1.2.3超聲波檢測(cè) 超聲波在被檢測(cè)材料內(nèi)擴(kuò)散的時(shí)候,材料

20、聲學(xué)特點(diǎn)與本身組織變化對(duì)超聲波的擴(kuò)散造成相應(yīng)的影響,利用對(duì)此受影響程度與情況的探究掌握材料性能與結(jié)構(gòu)變動(dòng)的技術(shù)就是超聲檢測(cè)。超聲波就是超聲振動(dòng)在介質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散,主要屬性是通過波動(dòng)方式在彈性介質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散的機(jī)械振動(dòng),頻率超過20KHz。聲速c就是超聲波頻率f和波長(zhǎng)λ的乘積,目前一般使用的工作頻率主要是0.4到5MHz,低頻率主要使用在粗晶與衰減較大材料測(cè)試中,高頻率主要使用在細(xì)晶材料與高敏銳度測(cè)試。對(duì)于部分具有獨(dú)特需求的測(cè)試,頻率可以高達(dá)10一50MHz。最近一段時(shí)間伴隨寬頻窄脈沖技術(shù)的分析與使用,超聲探頭的最高頻率,可以超過100MHz。超聲波主要使用在無損檢測(cè)中,主要是其具備的下述特點(diǎn)：在介質(zhì)內(nèi)擴(kuò)

21、散時(shí),到界面會(huì)出現(xiàn)反射超聲波，指向性好,頻率較高,指向性更高，其傳播能量高,對(duì)不同原料的穿透力更高。近期分析指出,超聲波聲速、衰減、阻抗與散射等特點(diǎn)具有充足的檢測(cè)內(nèi)容,也開始變成超聲波被普遍使用的重要因素。 1.2.4 渦流檢測(cè) 渦流檢測(cè)是創(chuàng)建在電磁感應(yīng)前提下,其主要利用在交變磁場(chǎng)影響下各種材料會(huì)形成不同振幅與相位的渦流進(jìn)而測(cè)試各類金屬材料的物理功能、問題和結(jié)構(gòu)的不正常情況。在此類測(cè)試中,試樣一直放在線圈內(nèi)或者靠近線圈。因線圈形成交變磁場(chǎng),在此磁場(chǎng)的影響下,在金屬試樣上感應(yīng)得到渦流,繼而形成相應(yīng)的次級(jí)磁場(chǎng),其和磁場(chǎng)彼此影響,造成原磁場(chǎng)出現(xiàn)改變,促使線圈內(nèi)部磁通出現(xiàn)變動(dòng),最終導(dǎo)致線圈的阻抗出

22、現(xiàn)變動(dòng)。工件內(nèi)部的全部變化，比如大小、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響渦流密度與分布,最終影響線圈的阻抗。 1.3漏磁檢測(cè)國(guó)外研究狀況 （1）設(shè)備幵發(fā)： 西方國(guó)家對(duì)漏磁檢測(cè)科技開展的分析較早，Zuschlug在1933年第一次指出使用磁敏傳感器測(cè)試漏磁場(chǎng)的觀點(diǎn)。 1947年Hastings設(shè)計(jì)出首套漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，此檢測(cè)方式才逐漸被大眾所認(rèn)可。 二十世紀(jì)中期，西德設(shè)計(jì)出產(chǎn)品化的漏磁探傷設(shè)備。 1965年，美國(guó)TubecopeVrtco國(guó)際企業(yè)使用漏磁檢測(cè)設(shè)備第一次開展內(nèi)部檢測(cè)，設(shè)計(jì)出井口探測(cè)系統(tǒng)，可以穩(wěn)定的測(cè)試出管材內(nèi)外徑上的腐蝕坑橫向傷痕與相關(guān)種類的問題。 1973年，英國(guó)天然

23、氣公且主要使用漏磁法對(duì)其所管理的管道腐蝕減薄情況開展測(cè)試，第一次使用定量研究方式。企業(yè)的漏磁探傷系統(tǒng)主要利用漏磁探傷部分來測(cè)試管體橫向與縱向問題，壁厚測(cè)試需要超聲技術(shù)的配合，開展高效的實(shí)地探傷。 （2）缺陷理論模型： 對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算最早源自二十世紀(jì)六十年代，shcherbinin與zatsepin主要使用磁偶極子模型計(jì)算表面開口的無限長(zhǎng)裂紋，前蘇聯(lián)在同時(shí)期撰寫且公開首篇定量研究缺陷漏磁場(chǎng)的文章，指出使用磁偶極子、無限長(zhǎng)磁偶極線與無限長(zhǎng)磁偶帶來模擬工件表面的點(diǎn)狀缺陷、淺裂紋與深裂縫。此后，蘇，日等國(guó)家開始在此部分深入分析，形成主要的學(xué)派，被劃分成磁偶極子法與有限元法兩類：shcherb

24、inin與zatsepin使用磁偶極子模型統(tǒng)計(jì)出有限長(zhǎng)表面幵口裂紋的磁場(chǎng)分布，二十世紀(jì)七十年代hwang與lord主要使用有限元方式對(duì)漏磁場(chǎng)開展研究，第一次將材料內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)和磁導(dǎo)率和漏磁場(chǎng)幅值關(guān)聯(lián)在一起。Atherton將管壁坑狀缺陷漏磁場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)與實(shí)際測(cè)試結(jié)果聯(lián)系在一起，得出相對(duì)詳細(xì)的結(jié)果與推導(dǎo)出有限長(zhǎng)開裂紋的二維表達(dá)式，進(jìn)而得到材料相對(duì)磁導(dǎo)率明顯高于缺陷深寬比，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度和缺陷深度接近于線性關(guān)系的結(jié)果。 1.4國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)從九十年代早期就開始對(duì)漏磁檢測(cè)科技開展深入分析，在1998年之后，我國(guó)石油天然氣管道局在測(cè)試在役油氣管道缺陷部分開展深入分析，國(guó)內(nèi)在那個(gè)時(shí)期就對(duì)漏磁檢測(cè)技術(shù)開展深

25、入分析。到現(xiàn)在,在2002年生產(chǎn)出管道與鋼板腐蝕漏磁檢測(cè)儀，整體技術(shù)能力不如西方國(guó)家。最近一段時(shí)間,在我國(guó)無損檢測(cè)專家與學(xué)者的全面奮斗下,現(xiàn)在大部分學(xué)校與分析組織在此部分得到良好的成就,和世界領(lǐng)先水平的差距不斷縮小。我國(guó)分析漏磁檢測(cè)科技的學(xué)校通常是清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等眾多著名學(xué)校。此處華中科技大學(xué)的楊叔子、康宜華、武新軍等,在儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)分析與管道漏磁無損檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)、鋼絲繩的漏磁檢測(cè)等部分開展較多的實(shí)驗(yàn)分析，使用軟件研究出傳感器勵(lì)磁設(shè)備的參數(shù)對(duì)鋼板局部磁化的作用,設(shè)計(jì)出合理的漏磁檢測(cè)傳感器等。清華大學(xué)的李路明、黃松齡等專家深入分析管道與鐵鑄件的漏磁探傷方式，主要使用

26、有限元方式探究永磁體幾何參數(shù)對(duì)管道磁化作用產(chǎn)生的影響,研究漏磁探傷內(nèi)多種量彼此間的數(shù)值關(guān)系,比如表面裂紋寬度對(duì)漏磁場(chǎng)分量影響的研究，基于漏磁檢測(cè)交流磁化的磁化電流頻率挑選問情況，研究出具體的選擇標(biāo)準(zhǔn)等。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)的楊理踐等,分析面向單片機(jī)控制系統(tǒng)的管道漏磁在線檢測(cè)工具,研究出小波包在此類信號(hào)研究中的現(xiàn)實(shí)使用狀況,利用時(shí)域研究知識(shí)對(duì)此類信號(hào)開展分析。合肥工業(yè)大學(xué)的何輔云對(duì)漏磁探傷主要使用多路缺陷信號(hào)的滑環(huán)傳播方式，且設(shè)計(jì)出完善的無損檢測(cè)設(shè)施,上海交通大學(xué)的網(wǎng)沛文、金建華等對(duì)海底管道缺陷漏磁檢測(cè)開展深入分析,利用小波研究對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行去噪,此外把巨磁阻傳感器使用到此類系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)出使用在輸油、輸

27、氣管道專用測(cè)試的傳感器。中原油田鉆井機(jī)械儀器分析組織設(shè)計(jì)出抽油桿井口漏磁無損檢測(cè)設(shè)備。軍械工程學(xué)校設(shè)計(jì)出智能漏磁裂紋檢測(cè)儀，可以對(duì)鋼質(zhì)構(gòu)件的表層與內(nèi)部裂紋開展定量檢測(cè)。中國(guó)科學(xué)院金屬分析組織的蔡桂喜對(duì)磁粉與漏磁探傷對(duì)裂傷缺陷檢出水平開展分析,使用環(huán)電流模型統(tǒng)計(jì)出不同矩形槽形狀人工和自然缺陷形成的漏磁場(chǎng),指出磁粉與漏磁兩個(gè)方式無法使用在開裂縫隙較窄的疲勞裂紋測(cè)試的結(jié)果。 1.5漏磁檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代科學(xué)、社會(huì)的進(jìn)步，漏磁檢測(cè)技術(shù)有著愈來愈大的發(fā)展和應(yīng)用空間尤其是處于飛速發(fā)展的我國(guó)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域隨著市場(chǎng)需求的進(jìn)一步擴(kuò)大和全民安全意識(shí)的提高，給漏磁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及無損檢測(cè)工作者提供了一次

28、難得的機(jī)遇和挑戰(zhàn)目前，漏磁檢測(cè)技術(shù)理論需要進(jìn)一步研究開展的工作有：漏磁場(chǎng)信號(hào)與缺陷特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；不同類型的缺陷漏磁場(chǎng)理論模型復(fù)合材料的漏磁場(chǎng)形成機(jī)理研究等，筆者認(rèn)為隨著現(xiàn)代各領(lǐng)域技術(shù)的相互交叉融入各種技術(shù)相互促進(jìn)發(fā)展，漏磁檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究也必將朝著更趨于成熟，完善的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面： 1更高的處理速度； 2高性能傳感器及智能傳感器； 3儀器的智能化，小型化； 4專家系統(tǒng)的融入； 5多信息融合技術(shù)； 6高可靠性和穩(wěn)定性； 7界面更為友好直觀； 8操作更為簡(jiǎn)易快捷； 9在線，離線檢測(cè)的機(jī)電一體化； 第二章 油管漏磁場(chǎng)形成機(jī)理及檢

29、測(cè)的原理 2.1漏磁場(chǎng)的形成機(jī)理 當(dāng)用磁化器磁化被測(cè)鐵磁材料時(shí),若材料的材質(zhì)是連續(xù)、均勻的,則材料中的磁感應(yīng)線將被約束在材料中,磁通是平行于材料表面的,幾乎沒有磁感應(yīng)線從被檢表面穿出,被檢表面沒有磁場(chǎng)。但當(dāng)材料中存在著切割磁力線的缺陷時(shí),由于缺陷的磁導(dǎo)率很小,磁阻很大,磁感應(yīng)線將會(huì)改變途徑,這種磁通的泄漏同時(shí)使缺陷兩側(cè)部位產(chǎn)生了磁極化形成所謂的漏磁場(chǎng)。漏磁場(chǎng)的形成原理可用磁介質(zhì)的邊界條件或Maxwell方程解釋。 在兩種磁介質(zhì)的分界面或一種磁介質(zhì)與真空的分界面上,主要邊界條件有兩條，一個(gè)是磁感應(yīng)強(qiáng)B法線分量的連續(xù)性,即B2n=B1n,表示分界面上的法線方向；另一個(gè)是磁場(chǎng)強(qiáng)度切線分量H

30、的連續(xù)性,即H2t=H1t,表示分界面上的切線方向。它們分別是把磁場(chǎng)的“高斯定理”和“安培環(huán)路定理”用到邊界面上的直接推論。 由于上述兩個(gè)邊界條件,此感應(yīng)線在分界面上一般都會(huì)發(fā)生“折射”。圖2.1是磁感應(yīng)線在介質(zhì)邊界上的“折射”。 圖2.1 設(shè)界面兩側(cè)磁感應(yīng)線與界面法線的夾角分別為θ1和θ2,則: B1n=B1cosθ1，B2n=B2cosθ2，H1t=H1sinθ1，H2t=H2sinθ2 有兩種磁介質(zhì)的邊界條件可得: B1n=B2n;H1t=H2

31、t. 兩式相除得: H1t/B1n=H2t/B2n 將(2.1)代入到(2.3)得: H1/B1tanθ1=H2/B2tanθ2 設(shè)兩種介質(zhì)的磁導(dǎo)率分別為μ1和μ2,則B1=μ0μ1H1,B2=μ0μ2H2。戶,于是有: Tanθ1/Tanθ2=μ1/μ2 式(2.5)為界面兩側(cè)磁感應(yīng)線與法線夾角的正切之比等于兩側(cè)磁導(dǎo)率之比。 如果μ2=1(真空或非磁性介質(zhì)), μ1?1（鐵磁性物質(zhì)）,則θ2≌1；θ1≌0，這時(shí)在介質(zhì)1（鐵芯）內(nèi)磁感

32、應(yīng)線幾乎與界面平行,從而也非常密集,鐵芯的磁導(dǎo)率μ1越大θ1角越接近90,磁感應(yīng)線就越接近于與表面平行,從而漏磁通越少,這樣,高磁導(dǎo)率的鐵芯就把磁通量集中到自己的內(nèi)部。當(dāng)連續(xù)、均勻的材質(zhì)中有切割磁力線的缺陷存在時(shí)就形成了漏磁場(chǎng)`,缺陷漏磁場(chǎng)形成示意圖如圖2.2所示。 圖2.2 2.2 缺陷漏磁檢測(cè)原理 漏磁檢測(cè)技術(shù)是利用在外加磁場(chǎng)作用下，鐵磁性材料表面和近表面缺陷處泄漏的磁場(chǎng)信息來進(jìn)行探傷的一種無損檢測(cè)方法。是建立在鐵磁材料的高磁導(dǎo)率特性基礎(chǔ)上，當(dāng)外加磁場(chǎng)將鐵磁材料磁化后，若該材料為連續(xù)、均勻的材質(zhì)，則由外部產(chǎn)生

33、的磁感應(yīng)線將被約束在該材料內(nèi)部，即產(chǎn)生的該磁通將基本平行于材料表面，基本沒有磁感應(yīng)線從該材料表面泄露出來，因此在被檢材料表面處幾乎沒有漏磁場(chǎng)的存在。而當(dāng)材料中存在著切割磁力線的缺陷時(shí)，由于缺陷處為空氣介質(zhì)，其磁導(dǎo)率很小，磁阻很大，則磁感應(yīng)線在該缺陷處的路徑將會(huì)改變，即部分磁通將會(huì)經(jīng)空氣繞過缺陷，在缺陷兩側(cè)部位產(chǎn)生了磁極化，從而形成所謂的漏磁場(chǎng)，其原理圖如圖所示。漏磁檢測(cè)法就是通過霍爾元件或感應(yīng)線圈測(cè)量被磁化的鐵磁材料表面泄漏的磁場(chǎng)強(qiáng)度通過該磁場(chǎng)信息來評(píng)價(jià)缺陷的大小。 圖2.3 在外加磁場(chǎng)的作用下，鐵磁材料的漏磁現(xiàn)象可以用缺陥附近磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁導(dǎo)率u的變化來解釋。假設(shè)

34、一個(gè)帶有表面缺陷的油管橫截面如圖所示。假設(shè)油管橫截面的表面積為A而缺陷的截面積為ａ，故該含有缺陷的油管管壁截面積為A＇＝A－a。 圖2.4 通常油管缺陷漏磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與油管被磁化的強(qiáng)度存在直接的關(guān)系，即在外加磁場(chǎng)作用下，鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系為:B＝Uh,由于材料磁導(dǎo)率u會(huì)隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化而變化，故B隨H的變化呈現(xiàn)為一條非線性變化的磁特性曲線, 的磁特性曲線如圖所示。 當(dāng)油管被勵(lì)磁線圈或永久磁鐵磁化時(shí)符合該曲線的磁化規(guī)律。為了便于分析，通常將磁特性曲線分成如圖所示的區(qū)域1區(qū)域2和區(qū)域3三個(gè)區(qū)域。 在區(qū)域１內(nèi)B隨H的增加而急劇上

35、升，磁化曲線表現(xiàn)較為陡直； 在區(qū)域２內(nèi)B隨H的增加，該磁化曲線的上升速率逐漸變慢，曲線逐漸趨于平緩；在區(qū)域３內(nèi)B隨H的增加而趨于水平，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度較快地進(jìn)入到磁飽和狀態(tài)。 下面將根據(jù)材料磁導(dǎo)率和磁化曲線介紹油管缺陷產(chǎn)生漏磁場(chǎng)的原因。  圖2.5 假如油管處于磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)該油管中無缺陷存在時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1如圖中所示，此值對(duì)應(yīng)于磁化曲線上Q點(diǎn)，而Q點(diǎn)又對(duì)應(yīng)于磁導(dǎo)率曲線上的P點(diǎn)，故此時(shí)通過油管無缺陷管壁截面的磁通量為φ＝B1A。由于通過油管的總磁通量是相同的，如果該油管中存在缺陷時(shí)，則在缺陷處截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)锽2＝B1A/(A-a)，

36、故B2>B1，故由于管壁缺陷的存在，在缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度有所增加，從而使得相應(yīng)磁化曲線上的工作點(diǎn)Q移至Q’點(diǎn)；與此同時(shí)磁導(dǎo)率u上原來的工作點(diǎn)P也相應(yīng)的移動(dòng)到P’，故由于缺陷存在，在材料橫截面減小的位置處（缺陷處）的磁感應(yīng)強(qiáng)度増大，而磁導(dǎo)率反而減小，故會(huì)導(dǎo)致油管存在缺陷的位置處不容許通過原來數(shù)值的磁通量，從而使得多余部分的磁感應(yīng)曲線被泄漏到缺陷處的介質(zhì)中而形成相應(yīng)的漏磁場(chǎng)。 由上述分析可知通過油管截面的總磁通量φ=B1A,而通過缺陷處的磁通量為φ0=B1(A-a)+B0a，其中B0為缺陷處介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 則泄露周圍的磁通量為：△φ=φ-φ0 2.3 磁化 2.3.1磁化材料

37、 能對(duì)磁場(chǎng)作出某種方式反應(yīng)的材料稱為磁性材料。按照物質(zhì)在外磁場(chǎng)中表現(xiàn)出來磁性的強(qiáng)弱，可將其分為抗磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)、反鐵磁性物質(zhì)和亞鐵磁性物質(zhì)。大多數(shù)材料是抗磁性或順磁性的，它們對(duì)外磁場(chǎng)反應(yīng)較弱。鐵磁性物質(zhì)和亞鐵磁性物質(zhì)是強(qiáng)磁性物質(zhì)，通常所說的磁性材料即指強(qiáng)磁性材料。對(duì)于磁性材料來說，磁化曲線和磁滯回線是反映其基本磁性能的特性曲線。鐵磁性材料一般是Fe，Co，Ni元素及其合金，稀土元素及其合金，以及一些Mn的化合物。 磁性材料按照其磁化的難易程度，一般分為軟磁材料及硬磁材料。實(shí)驗(yàn)表明，任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。根據(jù)物質(zhì)在外磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的特性，

38、物質(zhì)可分為五類：順磁性物質(zhì)，抗磁性物質(zhì)，鐵磁性物質(zhì)，亞鐵磁性物質(zhì)，反磁性物質(zhì)。我們把順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)稱為弱磁性物質(zhì)，把鐵磁性物質(zhì)稱為強(qiáng)磁性物質(zhì)。通常所說的磁性材料是指強(qiáng)磁性物質(zhì)。磁性材料按磁化后去磁的難易可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物質(zhì)叫軟磁性材料，不容易去磁的物質(zhì)叫硬磁性材料。一般來講軟磁性材料剩磁較小，硬磁性材料剩磁較大。 2.3.2 磁化原理 作為鐵磁性材料，其磁化機(jī)理和其他鐵磁性材料的磁化機(jī)理一樣，現(xiàn)在普遍接受的理論模型是用磁疇解釋材料的磁化過程。材料內(nèi)部，具有相同排列方向的一小塊區(qū)所有原子磁矩稱為磁疇。磁疇與磁疇之間稱為磁疇壁。數(shù)以萬計(jì)的磁疇壁

39、和磁疇組成了宏觀材料。無外加磁場(chǎng)情況下，這些磁疇的磁矩方向在材料中雜亂無章，從而材料的總磁矩為零，宏觀上對(duì)外不表現(xiàn)出磁性。如圖（a）所示。當(dāng)加上較弱的外加磁場(chǎng)時(shí)，那些磁化方向和外加磁場(chǎng)方向一致或比較接近的磁疇體積開始慢慢擴(kuò)大，而與外加磁場(chǎng)方向相反的磁疇體積漸漸減小，這一過程就是疇壁的位移。如圖（b）和圖 (c）所示。隨著外加磁場(chǎng)的增加，與磁疇方向不一致的磁疇磁矩將漸漸轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)方向，如果外加磁場(chǎng)增加到一定值，所有的磁疇的磁矩都與外加磁場(chǎng)方向一致，這時(shí)即達(dá)到了飽和磁化。如圖（d）和圖（e）所示。 圖2.6 在外加磁場(chǎng)一定的情況下，油管材料磁疇位移的過程所花費(fèi)的時(shí)間，在

40、本文中稱為磁化時(shí)間。如果油管沒有達(dá)到飽和磁化，此時(shí)油管材料的磁疇就沒有完全反轉(zhuǎn)，材料的等效磁導(dǎo)相對(duì)于飽和磁化的材料的等效磁導(dǎo)率更小，此處稱為不同磁化狀態(tài)的材料磁導(dǎo)率的不同狀態(tài)在高速漏磁檢測(cè)時(shí)，磁化時(shí)間直接影響檢測(cè)速度，所以該時(shí)間需要盡量縮短以提高檢測(cè)速度鋼軌磁化的激勵(lì)電壓和傳感器及勵(lì)磁激勵(lì)的提離對(duì)檢測(cè)速度的影響也是至關(guān)重要的。 2.3.3磁化方式 磁化裝置的好壞直接影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能通常要求能將工件的被檢測(cè)處磁化至近飽和狀態(tài),因此一個(gè)好的磁化裝置是非常必要的。漏磁場(chǎng)強(qiáng)弱的一個(gè)重要影響因素是磁化磁場(chǎng)方向與缺陷主平面的角度，當(dāng)磁化方向與缺陷主平面垂直時(shí),缺陷漏磁場(chǎng)最強(qiáng),即檢測(cè)靈敏度最高;

41、當(dāng)兩者平行時(shí),因?yàn)槿毕莶⒉磺懈畲帕€,漏磁場(chǎng)幾乎不存在,缺陷難以檢出。實(shí)際應(yīng)用中,盡可能選抒與缺陷面垂直的磁化場(chǎng)(最少不低于45。),以確保達(dá)到理想的檢測(cè)效果。根據(jù)在工件中磁場(chǎng)方向的不同,通常分為周向磁化、縱向磁化和復(fù)合磁化： (1)周向磁化 周向磁化是在工件件中建立一個(gè)圓周(與軸線垂直)方向的磁場(chǎng),土要用于發(fā)現(xiàn)縱向(軸向)和接近縱向(夾角小于45)的缺陷。常用方法有直接通電法、中心導(dǎo)體法、穿電纜法和支桿法等。 (2)縱向磁化 縱向磁化是使工件得到一個(gè)與其軸線平行方向的磁化場(chǎng),用于發(fā)現(xiàn)與其軸線垂直的橫向(或周向)和接近橫向(夾角小于45。)的缺陷。常用方法有線圈法、磁扼法和感應(yīng)電流法等

42、。 磁扼法是利用電磁扼與工件形成閉合磁路,從而使工件縱向磁化的方法。使用磁扼法應(yīng)注意使工件與磁規(guī)有良好的接觸。接觸面的氣隙增大,對(duì)工件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的損失較為嚴(yán)重,同時(shí)在接觸部位產(chǎn)生很強(qiáng)的漏磁場(chǎng)。當(dāng)氣隙為3mm時(shí),干擾區(qū)域達(dá)到15mm。在實(shí)際應(yīng)用中,磁轆間距通常取在75~200mm的范圍。 (3)復(fù)合磁化 復(fù)合磁化是用多個(gè)磁場(chǎng)同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行多方向磁化。因?yàn)榇呕瘯r(shí)不是單向磁化,其合成磁場(chǎng)的方向、幅值都可能隨時(shí)發(fā)生變化。另外磁化中各磁場(chǎng)的強(qiáng)度、相位對(duì)合成磁場(chǎng)強(qiáng)度、方向的影響還需要驗(yàn)證。 根據(jù)磁化時(shí)所用的激勵(lì)又可分為交流磁化和直流磁化永磁鐵磁化： （1）交流磁化 直流磁化是通以直流電，交流

43、磁化就是通交流電，交流磁化與直流磁化相比不同之處就是，交流磁化存在趨膚效應(yīng)，只能檢測(cè)管道的表面和近表面缺陷，還有就是信號(hào)成分也比較復(fù)雜。采用永磁體和直流勵(lì)磁兩種勵(lì)磁方式對(duì)課題進(jìn)行研究，而直流勵(lì)磁采用的是穿過式線圈的方式對(duì)管道進(jìn)行勵(lì)磁。 （2）直流磁化 目前我們多數(shù)使用的漏磁檢測(cè)裝置都是采用永磁鐵作為勵(lì)磁源，而采用線圈勵(lì)磁的直流漏磁檢測(cè)方法則成為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的一種新方法。直流線圈勵(lì)磁管道漏磁檢測(cè)方法是電磁無損檢測(cè)方法中的一種。線圈法是利用電源給定直流產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)使鐵磁性材料被磁化，當(dāng)被測(cè)元件磁化到飽和或者過飽和狀態(tài)時(shí)，表面會(huì)有漏磁場(chǎng)產(chǎn)生，通過測(cè)量漏磁場(chǎng)的變化來反應(yīng)被測(cè)元件的情況。對(duì)于不同的管

44、道采用不同線徑、匝數(shù)的線圈激勵(lì)，直流線圈激勵(lì)的漏磁檢測(cè)方法易于改變磁化能力，且能滿足不同尺寸工件檢測(cè)的需要 （2）永磁鐵磁化 如圖所示。永磁鐵磁化裝置一般由永磁鐵，軛鐵，檢測(cè)探頭組成，其檢測(cè)原理與直流勵(lì)磁相似，通過永磁鐵對(duì)管道進(jìn)行勵(lì)磁，若被測(cè)材料存在缺陷，則磁力線會(huì)在缺陷區(qū)域發(fā)生畸變，在表面形成漏磁場(chǎng)，再由檢測(cè)探頭檢測(cè)漏磁信號(hào)。 圖2.7 隨著近幾年永磁材料的迅速發(fā)展,尤其是稀土永磁材料的發(fā)展,如稀土鈷永磁、鐵鉻鈷永磁、錳鋁碳永磁和銣鐵硼永磁等,可以實(shí)現(xiàn)較小的體積提供很高的勵(lì)磁強(qiáng)度,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便。 銣鐵硼材料的土要性能參數(shù)見表，鑒于銣鐵硼材料有如此高的性能參數(shù),所以選

45、擇了永久材料勵(lì)磁,已能夠滿足設(shè)計(jì)要求,還能實(shí)現(xiàn)裝置的小型化,攜帶方便。 圖2.8 2.3.4磁化強(qiáng)度的選擇 漏磁檢測(cè)的前提是對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行磁化，當(dāng)鐵磁性材料試件被磁化至飽和或接近飽和的條件下，檢測(cè)傳感器才能有效捕捉材料缺陷處的漏磁通并進(jìn)行后續(xù)信號(hào)分析工作。所以對(duì)漏磁檢測(cè)裝置中的磁化裝置所提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度要求較為嚴(yán)格，磁場(chǎng)強(qiáng)度過大導(dǎo)致材料本身在漏磁檢測(cè)后形成剩磁，對(duì)管道壽命有影響，磁場(chǎng)強(qiáng)度過小無法采集到缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)，對(duì)管道檢測(cè)過程存在嚴(yán)重影響，材料的磁導(dǎo)率與磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，如圖 2.9 所示。 圖2-9 鐵磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率參數(shù)與磁化場(chǎng)的磁場(chǎng)特性有關(guān)，當(dāng)材料

46、所受磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率以非線性特性進(jìn)行數(shù)值變化，在材料被磁化的過程中，勵(lì)磁源的磁場(chǎng)強(qiáng)度需要根據(jù)不同時(shí)間材料特性進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)定，以找到最佳磁化點(diǎn)，相對(duì)磁導(dǎo)率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線如上圖所示。當(dāng)勵(lì)磁源提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度在該曲線上升區(qū)范圍內(nèi)，即 ab 段，當(dāng)材料存在缺陷時(shí)，其缺陷處材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度上升，相對(duì)磁導(dǎo)率上升，無法準(zhǔn)確對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)采集。若選擇下降段，即 c 點(diǎn)以后的工作區(qū)域，材料缺陷處內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的升高導(dǎo)致相對(duì)磁導(dǎo)率下降，有利于信號(hào)的采集。在實(shí)際檢測(cè)過程中，首先利用材料試樣進(jìn)行外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的設(shè)定 第三章 磁路的設(shè)計(jì) 永磁材料主要用來提供一個(gè)無源的恒定或可變的磁場(chǎng)。無

47、源恒定磁場(chǎng)相當(dāng)于靜態(tài)磁路,可變磁場(chǎng)相當(dāng)于動(dòng)態(tài)磁路.為了發(fā)揮材料的性能,除了工作點(diǎn)要選在最大磁能點(diǎn)附近或最大有用恢復(fù)能點(diǎn)附近外,還要合理地選擇磁路。勵(lì)磁磁路的關(guān)鍵是勵(lì)磁源,它直接影響漏磁場(chǎng)強(qiáng)度、勵(lì)磁穩(wěn)定性及探傷裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。為了盡量提高勵(lì)磁源的磁性能,磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與永磁體性能的關(guān)系很重要。如果磁路結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng),則會(huì)妨礙永磁材料性能的利用。反過來盡管磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,而永磁材料選擇不當(dāng),也仍達(dá)不到最佳設(shè)計(jì)效果。磁磁路主要由磁源、導(dǎo)磁連接體（銜鐵）、氣隙、被測(cè)構(gòu)件等組成。在磁路中，起決定性影響的結(jié)構(gòu)尺寸有導(dǎo)磁連接體與被測(cè)構(gòu)件間的氣隙δ和兩導(dǎo)磁連接體間的間距。磁路分析表明，δ決定了包括構(gòu)件的主磁路

48、中的磁阻大小，影響著磁源的工作點(diǎn)；LM決定了兩導(dǎo)磁連接體間的磁場(chǎng)分布特性。另外，磁源的大小也影響了整體結(jié)構(gòu)尺寸的大小，而磁源的大小確決于將被測(cè)油管磁化至飽和或近飽和狀態(tài)下所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁性材料的性能是不容易改變的,磁性材料的一經(jīng)過選定以后,性能就已確定,在設(shè)計(jì)時(shí)往往以利用材料的性能為土。一般來說,對(duì)剩磁高、矯頑力相對(duì)小的永磁材料(單位磁導(dǎo)為20左右)以采用細(xì)長(zhǎng)磁體的磁路結(jié)構(gòu)為宜;對(duì)剩磁低、矯頑力相對(duì)高的永磁材料(單位磁導(dǎo)為2~3),以采用短粗磁體的磁路結(jié)構(gòu)為宜。 3.1漏磁檢測(cè)對(duì)磁路設(shè)計(jì)的要求 對(duì)管道漏磁檢測(cè)磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定磁路的大體結(jié)構(gòu)、各部分材料，類型及其大致尺寸，然

49、后將計(jì)算的空間磁通分布與實(shí)際要求相對(duì)比，若兩者相差較遠(yuǎn)，則需要對(duì)設(shè)定的尺寸或材料進(jìn)行重新選取，直到基本滿足實(shí)際要求為止。本文中使用的永磁鐵磁路由空氣隙、永磁鐵、鋼刷、銜鐵組成，在對(duì)磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下個(gè)基本要求： （1）設(shè)計(jì)的磁路產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以使被測(cè)管道的磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和磁化或近飽和磁化狀態(tài)； （2）設(shè)計(jì)磁路產(chǎn)生的磁場(chǎng)在被測(cè)管道軸向方向應(yīng)具有較好的均勻性和穩(wěn)定性； （3）所設(shè)計(jì)的磁路裝置盡量簡(jiǎn)單、輕便。 3.2磁路設(shè)計(jì)方案 3.2.1明確檢測(cè)對(duì)象 Q235鋼油管，外徑D=110mm；內(nèi)徑d=100mm；壁厚h=10mm；截面積Az。 Az=π(D2-d2)4=3.141

50、5926(112-102)410-4=16.48510-4m2 （3-1） 3.2.2磁路的計(jì)算 麥克斯韋方程組：麥克斯韋方程組總結(jié)了所有電磁物理現(xiàn)象，為整體電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)，該方程組主要包括安培環(huán)路定理、法拉第電磁感應(yīng)定律以及電與磁的高斯定理。式 3.2 為安培環(huán)路定理表達(dá)式，該式表示傳導(dǎo)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的原因，且磁場(chǎng)為旋磁場(chǎng)： ∮ H?dl=∑ I (3-2) 在持續(xù)、穩(wěn)定存在的電場(chǎng)中，可利用上式表示該場(chǎng)的電生磁的關(guān)系。而在不穩(wěn)定電場(chǎng)中，如對(duì)電路中部分元件進(jìn)行充放電，此時(shí)電路中電流并

51、不是持續(xù)存在的，安培環(huán)路定理在此情況下無法表示該情況。麥克斯韋在此技術(shù)上繼續(xù)研究非穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)，為了使安培環(huán)路定理應(yīng)用在所有條件下，提出了“位移電流”的假設(shè)，假定“位移電流”與穩(wěn)定電場(chǎng)相同均能產(chǎn)生磁信號(hào)，即將安培環(huán)路定理應(yīng)用到各種條件下，式 3.2 等效為： ∮H?dl=I+∫?D?t?ds （3-3） 式中I0為傳導(dǎo)電流；∫?D?t?ds=??t∫D?ds為電位移通量對(duì)時(shí)間的變化率，稱為“位移電流”。 安培環(huán)路定理中該假定電流表達(dá)了變化的電場(chǎng)產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)的原因，同時(shí)提出了渦旋電場(chǎng)的概念。根據(jù)“渦旋電場(chǎng)”的概念，麥克斯韋把法拉第電

52、磁感應(yīng)定律的內(nèi)容繼續(xù)補(bǔ)充，并應(yīng)用到非穩(wěn)恒條件下。其公式可表示為： ∮E?dl=-∫?B?t?ds （3-4） 對(duì)于電的高斯定理： ∮D?ds=q0 （3-5） 和磁的高斯定律： ∮B?ds=0

53、 （3-6） 與安培環(huán)路定理的“位移電流”假說思想相同，可將兩者高斯定理推廣應(yīng)在在各種場(chǎng)合，包括非穩(wěn)恒電場(chǎng)。即可得到在任意條件下電磁場(chǎng)的表達(dá)式： ∮H?dl=I+∫?D?t?ds （3-7） ∮E?dl=-∫?B?t?ds （3-8） ∮D?ds=q0

54、 （3-9） ∮B?ds=0 （3-10） 式 3-7至式3-10 為麥克斯韋方程組的積分形式。利用電磁積分形勢(shì)的麥克斯韋方程組進(jìn)行求解需要加入介質(zhì)特性，在介質(zhì)中，上述方程還不完備，需要再補(bǔ)充三個(gè)描述介質(zhì)的方程式，對(duì)于均勻介質(zhì)來說添加條件為： D=εE=εrε0E

55、 (3-11) B=μH=μrμ0H (3-12) J=σE (3-13) 式 3-7 至 3-13 總結(jié)了在任意條件下電磁場(chǎng)的特性。其中，式（3-7）表示變化的電場(chǎng)和傳導(dǎo)電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)；式（3-8）表示了不穩(wěn)定磁場(chǎng)，即時(shí)刻變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)；式（3-9）表示電場(chǎng)是有源場(chǎng)，為電荷經(jīng)過聚集產(chǎn)生；式（3-10）表示磁場(chǎng)無源

56、，即磁場(chǎng)不同于電場(chǎng)由電荷聚集生成，磁場(chǎng)不是由磁荷產(chǎn)生；式 3-11 至 3-13 三個(gè)描述介質(zhì)的方程表示電磁場(chǎng)與該場(chǎng)中不同材料特性的關(guān)系。利用該方程組可以計(jì)算在任意條件下，存在不同材料特性情況下電場(chǎng)場(chǎng)的宏觀問題。如果寫出麥克斯韋電磁方程組的微分形式，則為： ?H=J+?D?t (3-14) ?E=-?B?t (3-15)

57、 ?D=ρ (3-16) ?B=0 (3-17) 式中，J 為傳導(dǎo)電流密度，?D?t為位移電流密度, ρ為自由電荷體密度。在計(jì)算宏觀電磁場(chǎng)問題時(shí)，利用麥克斯韋方程組進(jìn)行求解計(jì)算，即式（3.14）至式（3-17）。 3.3 勵(lì)磁源永磁鐵幾何尺寸對(duì)磁化效果的影響 永磁鐵在作為勵(lì)磁源時(shí)，永磁鐵的工作狀態(tài)與試件的勵(lì)磁效果有直接關(guān)系。建立以永磁鐵作為勵(lì)磁源的最簡(jiǎn)磁回路數(shù)學(xué)模型，以分析在最簡(jiǎn)磁回路

58、中，空氣中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與永磁鐵的關(guān)系，最終找到一個(gè)合適的永磁鐵的工作狀態(tài)使其勵(lì)磁效果達(dá)到檢測(cè)要求。永磁鐵對(duì)勵(lì)磁效果的影響主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是永磁鐵的幾何尺寸，另一個(gè)是永磁鐵的工作點(diǎn)。利用永磁勵(lì)磁形成一個(gè)閉合的磁回路，可以直觀地分析永磁體在改變幾何參數(shù)時(shí)對(duì)磁回路的影響，尤其是對(duì)磁回路中氣隙部分磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。建立最簡(jiǎn)單磁回路模型如圖 3.3 所示，包括永磁體部分（左 N 右 S 級(jí)），軛鐵部分，氣隙部分，鋼板部分。該磁回路的方向如圖磁力線箭頭所示。 圖3.1 BmSm=?BmSδ

59、 (3-18) HmLm=2fHδLδ (3-19) Bδ=u0Hδ (3-20) ?=∑G/Gδ ，1

60、 (3-21) F=∑R/Rδ ，1.1

61、 BmHm=μ0?SδLm2fLδSm （3-23） 式（3-21）（3-22）中可以看出，勵(lì)磁源永磁體的（BmHm）以及結(jié)構(gòu)尺寸（SmLm）均決定了空氣氣隙中某一點(diǎn)的磁通密度Bδ。為了達(dá)到最佳的永磁體工作點(diǎn)，使鐵磁性材料缺陷處的漏磁信號(hào)最有代表性，應(yīng)使勵(lì)磁源永磁鐵的 BH 乘積工作在最大磁能積位置，即（BmHm ）max。式（3-23）可以看出： （1）勵(lì)磁源的幾何參數(shù)不變，勵(lì)磁源永磁體工作狀態(tài) BH 決定磁路氣隙處的磁通密度模。 （2）勵(lì)磁源永磁體工作狀態(tài)不變，結(jié)構(gòu)參數(shù)SmLm 增加，磁路模型氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁

62、通密度模）增大。 通過建立以永磁鐵為勵(lì)磁源的最簡(jiǎn)磁回路數(shù)學(xué)模型，在保證永磁體工作點(diǎn)不變的情況下，分析永磁體幾何尺寸對(duì)試件勵(lì)磁效果的影響，為設(shè)計(jì)合理勵(lì)磁源的幾何尺寸建立理論基礎(chǔ)。 在管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器工作的過程中，需要利用輸送資源在檢測(cè)器皮碗前后產(chǎn)生的壓差推動(dòng)檢測(cè)器在管道內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)的速度不宜過快或過慢，過快移動(dòng)會(huì)使磁化裝置對(duì)鐵磁性材料的局部磁化效果達(dá)不到檢測(cè)要求，即磁飽和或接近磁飽和，并且在局部磁化區(qū)域產(chǎn)生渦流效應(yīng)，使漏磁信號(hào)幅值降低；過慢移動(dòng)不僅增加檢測(cè)成本，而且增大檢測(cè)時(shí)間，降低效率。 3.4定義材料屬性 本論文需要定義的材料屬性：被測(cè)管道，永磁鐵，銜鐵以及空氣和剛刷。

63、本課題被測(cè)管逬為Q235鋼，直徑為220mm，壁厚為10mm，Q235鋼因其具有良好的力學(xué)性能和工藝性能而廣泛于石油長(zhǎng)輸管道工程中。永磁鐵和銜鐵采用剩磁和大磁能積都最高的銣鐵硼（NdFeB）永磁鐵；鋼刷選塑性韌性較高、導(dǎo)磁性較好、相對(duì)柔軟的10#鋼，銜鐵兩端永磁鐵的磁場(chǎng)沿管道徑向，且方向相反，使磁力線在管壁、空氣隙、鋼刷、永磁鐵、銜鐵之間形成閉合回路，管壁內(nèi)磁力線的方向與管道軸向平行。 空氣只需要定義其相對(duì)磁導(dǎo)率，設(shè)置為1.0，銣鐵硼（永磁鐵的磁特性通過磁矯頑力及磁化曲線定義，定義其矯頑力為896000A/m），磁化曲線由參考文獻(xiàn)給出，被測(cè)管道、鋼刷以及銜鐵的磁特性線曲線都可通過《常鋼材磁特

64、性曲線速查手冊(cè)》獲得。 Q235鋼的B-H曲線 永磁鐵的B-H曲線 剛刷的B-H曲線 永磁鐵（NdFeB）的B-H值 插值點(diǎn) H(A/m) B（T） 插值點(diǎn) H(A/m) B（T） 1 0 0 13 518518 0.74 2 70070 0.10 14 560560 0.80 3

65、 133133 0.19 15 616616 0.88 4 140140 0.20 16 630630 0.90 5 210210 0.30 17 700700 1.00 6 252252 0.36 18 714714 1.02 7 280280 0.40 19 770770 1.10 8 336336 0.48 20 812812 1.16 9 350350 0.50 21 840840 1.20 10 420420 0.60 22 896896 1.28 11 434434 0.62 23

66、 910910 1.30 12 490490 0.7 24 995000 1.42 Q235鋼的B-H值 插值點(diǎn) H(A/m) B（T） 插值點(diǎn) H(A/m) B（T） 1 0 0 10 7000 1.77 2 500 0.39 11 8000 1.80 3 1000 0.82 12 9000 1.83 4 2000 1.30 13 10000 1.84 5 2500 1.44 14 15000 1.95 6 3000 1.51 15 20000 2.01 7 4000 1.61 16 24000 2.05 8 5000 1.69 17 30000 2.08 9 6000 1.73 18 35000 2.10 10#鋼的B-H值 插值點(diǎn) H(A/m) B（T