钢管漏磁检测中的动生涡流影响机理及其应用

摘要

作为一种高效、可靠的无损检测方法，漏磁检测在铁磁性材料的检测中占有最主要的地位。钢管在出厂前都需要进行全面探伤以保证其在后续使用时不会出现安全隐患，其高速检测基本都采用漏磁方法。目前钢管生产节奏和速度越来越快，因此有必要研究影响高速漏磁检测信号的因素，进而去消除这一影响，实现更高速度的漏磁检测。
　　本研究主要内容包括：⑴通过麦克斯韦方程组等电磁学理论构建了动生涡流的控制方程，研究了两种类型的钢管磁化方式（穿过式线圈磁化、磁极式磁化）产生的动生涡流分布，分别在磁化器和钢管两个参考系中阐明了动生涡流的表现形式。理论分析和仿真结果表明：在穿过式线圈磁化方式中，管壁中的涡流主要集中在线圈边缘处；在磁极式磁化方式中，管壁内的涡流主要集中在磁极正下方。由于钢管自感的存在，在两种磁化方式中，涡流都会向钢管运动方向扩散至检测探头下方，并且涡流强度随速度的增大而增大。⑵在磁化器坐标系下研究发现，动生涡流对钢管漏磁检测信号的影响主要分为两方面：一方面是涡流导致钢管内磁场分布的变化；另一方面是涡流受裂纹阻碍产生扰动磁场。在检测钢管周向裂纹时，动生涡流导致钢管管壁外层磁场增大而内层磁场减小，从而使外壁裂纹信号增大而内壁裂纹信号减小，但当磁化逐渐加强到强饱和磁化条件时，涡流扰动场占据主导地位，导致内壁、外壁裂纹信号的减小。在检测钢管轴向裂纹时，在钢管旋离磁极且偏离磁极中心线45°位置处，涡流导致管壁外层磁场增大而内层磁场减小，进而导致外壁裂纹信号增大而内壁裂纹信号减小；而在钢管旋向磁极且偏离磁极中心线45°位置处，管壁内的涡流较弱，对检测信号影响较小；在偏离磁极中心线90°位置处，管壁内涡流同样较弱，对检测信号影响较小。⑶在钢管坐标系下进行研究，将钢管在磁场中运动的空间域问题转换为钢管经历一个变化磁场的时间域问题，由麦克斯韦方程出发，推导了外磁场突变时钢管内部磁场的变化过程，计算了磁场达到稳定状态所需的时间，从磁化滞后的角度说明了速度对漏磁检测的影响，并基于计算和实验得到的磁化滞后时间，提出了一种消除高速检测中动生涡流影响的方法。⑷提出一种基于动生涡流的电磁无损检测新方法，金属导体穿过直流磁化线圈时其内部会产生涡流，若存在缺陷则会对该涡流产生扰动，通过磁场传感器拾取磁场扰动信号则可对缺陷进行探测。理论分析了该方法的可行性，并通过仿真和实验提取了检测信号，最后对该方法的检测特性进行了研究，得到传感器位置、检测速度、材料属性等参数对检测信号的影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 课题概述

1.2 漏磁检测技术的发展与现状

1.3 动生涡流理论及应用现状

1.4 动生涡流对漏磁检测影响研究现状

1.5 本论文主要内容与结构

2 漏磁检测中动生涡流产生机制及计算模型

2.1 引言

2.2 动生涡流控制方程

2.3动生涡流的有限元计算方法

2.4 穿过式线圈磁化时钢管内涡流分布

2.5 磁极磁化时钢管内涡流分布

2.6 本章小结

3 动生涡流对钢管周向裂纹漏磁信号的影响

3.1 引言

3.2 涡流对钢管轴向磁化状态的影响

3.3 涡流对钢管周向裂纹漏磁信号影响

3.4 动生涡流对周向裂纹检测影响的实验验证

3.5 本章小结

4 动生涡流对钢管轴向裂纹漏磁信号的影响

4.1 引言

4.2 涡流对旋转钢管磁化的影响

4.3 涡流对钢管轴向裂纹信号影响

4.4 动生涡流对轴向裂纹漏磁检测影响的实验验证

4.5 高速漏磁检测中磁极优化设计

4.6 本章小结

5 涡流引起的磁化滞后时间及其对漏磁检测影响

5.1 引言

5.2 相对运动问题空间域到时域的转化

5.3 涡流引起的磁化滞后时间计算

5.4 仿真计算及实验测量

5.5 磁化滞后对漏磁检测的影响及磁化器设计

5.6 本章小结

6 基于动生涡流的电磁检测新方法

6.1 引言

6.2 运动金属试件中的涡流分布

6.3 动生涡流检测机理

6.4 动生涡流检测信号影响因素分析

6.5 实验验证

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 主要研究成果及创新点

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文

附录2 攻读学位期间申请的专利