CN105092696B - 一种用于铁磁性管道内壁裂纹检测的低频交流漏磁检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于铁磁性管道内壁裂纹检测的低频交流漏磁检测方法，根据被测件的表征裂纹的主要检测参量，调整低频交流漏磁传感器内部磁敏元件的信号拾取方向；固定传感器与管外壁的提离距离，调节一低频交流正弦信号作为励磁信号；选定垂直于裂纹长度的方向移动传感器，进行漏磁检测；由计算机对所有位置点采集的励磁信号和交流漏磁检测信号进行处理；绘制相位差随位置变化的曲线图；应用直接法计算每个位置点的磁感应强度比值，得到磁感应强度比随位置变化的曲线图；根据相位差和幅值比的检测曲线识别管道裂纹的位置、深度和宽度等信息。在避免趋肤效应影响的条件下对厚壁管道内壁裂纹进行外部漏磁检测，可提高检测结果可信度，实现管道的实时检测。

Description

一种用于铁磁性管道内壁裂纹检测的低频交流漏磁检测方法

技术领域

本发明涉及一种铁磁管道裂纹检测方法，特别是基于低频交流漏磁技术的铁磁性管道内壁裂纹检测方法。该方法适用于铁磁性管道内壁裂纹检测，属于无损检测领域。

背景技术

管道运输作为当今五大运输方式之一，在石油、化工、天然气等领域正发挥着无法替代的作用。以铁磁材料为基体的承压管道因管壁较厚、使用周期较长，内壁极易出现腐蚀、盲孔和裂纹等缺陷。其中裂纹是对铁磁性承压管道机械性能影响最大的一种缺陷。作为管道安全运行的重大隐患，裂纹的严重程度是指导维修决策制定的主要指标，因此迫切需要发展一种有效的承压厚壁管道内壁裂纹检测方法，作为承压管道运行可靠性的重要技术保障。

可以基于多种检测原理对管道内壁裂纹进行检测，如声学、光学、电磁等。由于承压管道的基体多为铁磁性材料，因此基于电磁原理的检测技术在铁磁性承压管道无损检测中具有特殊优势，国内外学者发展了多种基于电磁原理的铁磁性管道无损检测技术。例如，基于电磁超声原理，国内学者进行了厚壁管中单一模态电磁声传感器研制，利用激励出的单一纵向或扭转模态导波对承压管道中的裂纹缺陷进行了检测。由于管道中超声导波传播极其复杂，特别是其多模态和频散特性，使得单模态电磁传感器的研制及信号分析的难度极大，限制了该方法在工业管道中的实际应用；电涡流技术也是一种常用的承压管道电磁无损检测技术，该技术可以很好实现管道表面及近表面微裂纹检测。但受电涡流的趋肤效应影响，该方法无法用于厚壁管内壁裂纹检测；此外，漏磁法也是也是一种常用的承压管道电磁无损检测技术。根据励磁方式的不同，漏磁检测分为直流漏磁法和交流漏磁法。利用直流漏磁法检测时，其均匀饱和磁化区深度较大，可以很方便地实现管道内壁裂纹检测。但利用直流漏磁法对管道进行大范围检测时，其检测结果受扫描速度的大小及平稳性影响大，只有在平稳低速的条件才能获得稳定可靠的检测结果[基于漏磁原理的钢轨裂纹高速检测[D].南京航空航天大学，2012.]。交流漏磁法避免了速度效应的影响，在检测时可手动灵活操作。交流漏磁技术一般通过对检测到的交流漏磁信号进行解调[李路明,黄松岭,施克仁.漏磁检测的交直流磁化问题[J].清华大学学报(自然科学版).2002(02):154-156]和滤波处理[周小兵,康宜华,丁红霞.交流漏磁检测系统设计及实验研究[J].无损探伤.2006(04):16-17]，利用提取出漏磁信号的幅值畸变信息表征裂纹缺陷。同时，常规交流漏磁法采用千赫兹的激励频率，受趋肤效应的限制，无法实现厚壁管道内壁裂纹检测。

针对上述检测方法存在的不足，提出一种基于低频交流漏磁技术的铁磁性承压管道内壁裂纹漏磁检测方法，用于实现铁磁管道内壁裂纹检测。本方法采用低频交流励磁，受趋肤效应影响小，可用于厚壁管道内裂纹检测。在缺陷表征方法方面，本方法通过对交流漏磁检测信号进行分析处理，可同时利用漏磁信号的相位和幅值信息用于裂纹缺陷的表征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁磁管道内壁裂纹漏磁检测方法，特别是基于低频交流漏磁技术的检测方法。在趋肤效应影响较小的条件下，该方法采用管道外壁的低频交流励磁，利用内壁裂纹引起的外部漏磁信号相位和幅值的变化，计算励磁信号与漏磁检测信号相位差和幅值比，从而实现铁磁管道内壁裂纹的表征和定位。

本发明提出的一种用于铁磁性管道内壁裂纹检测的低频交流漏磁检测方法，其基本原理在于：

本文提出的低频交流漏磁技术，在低频交流励磁的条件下，根据磁化特性曲线，利用外部交变磁化场对铁磁性管道进行近饱和磁化。依据标准渗透深度公式可知，励磁频率低于100Hz时，管壁中磁回路的渗透深度大于10mm。当被测管道内壁无裂纹时，磁力线均匀、连续地通过(如图1所示)；当被测管道内壁存在裂纹时，磁路中的磁阻增大，缺陷附近的磁场产生泄漏，磁力线发生弯曲，部分磁力线从试件泄漏到空气中，产生漏磁场(如图2所示)。

采用交变电流励磁，磁化场为固定频率的交流信号。根据交流信号传播时的波形变化规律，当介质形状发生变化时，交流信号在不同形状的介质中传播，其相位和幅值均会发生变化。因此，交流漏磁检测信号的频率与磁化信号相同，但信号的相位和幅值在管道存在裂纹时，均会发生明显变化。若用磁感应强度B表示漏磁场强度，则交流漏磁信号与励磁信号的相位差和磁感应强度比均可用于裂纹的表征。

当低频交流励磁信号与交流漏磁检测信号为两同频正弦信号时，利用相关法可计算两列信号的相位差信息。当延时τ＝0时，互相关函数值与两信号相位差的余弦值成正比。若两个同频信号表示为

x(t)＝Asin(ωt+θ₁)+N_x(t) (1)

y(t)＝Bsin(ωt+θ₂)+N_y(t) (2)

式中，x(t)，y(t)表示两同频信号，A，B为信号幅值，N_x(t)，N_y(t)是环境中的噪声信号。则两个信号的互相关函数为

其中，R_xy(τ)表示延时为τ时的互相关函数，T为周期。取τ＝0，由于信号与噪声相关的可能性很小，且两个噪声之间相关的可能性更小，因此

其中，为相位差值，而信号的幅值和在延时τ＝0时的自相关函数值有：综上，可以得知，利用相关法测量相位差的计算表达式为：

其中，τ＝0时的自相关函数R_x(0)、R_y(0)和互相关函数R_xy(0)分别为：

式中，N为采样点数，x[n]和y[n]分别为两同频信号。记录不同检测位置的相位差信息，即可得到相位差随检测位置变化的裂纹表征曲线。此外，通过直接法可计算低频交流励磁信号与交流漏磁检测信号的磁感应强度比，得到该比值随检测位置变化的裂纹表征曲线，从而实现两种应用漏磁信号表征裂纹信息的方式。

本发明的技术方案如下：

本发明所采用的装置参见图3，包括函数发生器1、功率放大器2、数字示波器3、稳压稳流电源4和低频交流漏磁传感器5。首先，将函数发生器1的输出端口分为两路，一路连入数字示波器3的第一通道，用于显示低频正弦激励信号，另一路与功率放大器2的输入端口相连用于磁化被测铁磁管道。接着，将功率放大器2的输出端接入低频交流漏磁传感器5的输入端，其输出端连入数字示波器2的第二通道，用于显示传感器检测的同频交流漏磁信号。最后，将稳压稳流电源4的正负极分别连入低频交流漏磁传感器5的两供电输入端，用于传感器内部磁敏元件的供电。

本发明提出的一种用于铁磁性管道内壁裂纹检测的低频交流漏磁检测方法是通过以下步骤实现的：

1)被测试件选取一块常用于制造管道的钢板，厚度在10mm-15mm之间，单侧表面存在不同深度的裂纹缺陷，裂纹的最大深度均小于板厚；

2)调整传感器内部磁敏元件的信号拾取方向，当其检测方向与被测钢板表面的切向平行时，检测结果为钢板表面的切向磁感应强度Bx，该方向的磁感应强度对缺陷深度较为敏感。当其检测方向与被测钢板表面的法向平行时，检测结果为钢板表面的法向磁感应强度Bz，该方向的磁感应强度对缺陷宽度较为敏感；

3)将低频交流漏磁传感器置于被测钢板表面，使其与裂纹分处钢板两侧。调节函数发生器，输出一固定电压和频率的正弦信号用于励磁。手动控制传感器与钢板表面保持一定的提离距离，可避免其移动检测时受表面吸附力的影响；

4)手动控制低频交流漏磁传感器的移动检测方向，使该方向与被测裂纹的长度方向垂直。启动功率放大器，每当传感器被置于一个位置点，数字示波器会同时显示传感器在该点的激励信号和同频漏磁检测信号，同时保存两信号；

5)选择垂直于裂纹长度方向的某一段直线距离，使传感器在选定的直线距离内单向移动检测。检测步长可变，检测速度取决于数字示波器的信号保存速度，可手动灵活控制。重复步骤(4)，记录移动中所有位置点的激励信号和交流漏磁检测信号；

6)由计算机对采集到的所有位置点的激励信号和漏磁检测信号进行处理。首先，应用相关法根据公式(6)得到每一位置点的单个相位差值，绘制相位差随检测位置变化的曲线。然后，应用直接法计算每一位置点的单一磁感应强度比，绘制磁感应强度比随检测位置的变化曲线；

7)根据相位差变化曲线和磁感应强度比变化曲线均可识别钢板对侧裂纹的深度、宽度信息。当选取切向磁感应强度Bx作为检测信号时，对裂纹深度的识别较为准确，当选择法向磁感应强度Bz作为检测信号时，对裂纹宽度的识别较为准确。当移动距离较长时，也可对裂纹位置进行定位。

本发明具有以下优点：(1)采用低频交流励磁，避免了趋肤效应的影响，使交流漏磁检测法达到10mm以上的检测深度，可用于厚壁管道内壁裂纹检测；(2)通过对激励信号与漏磁信号进行分析处理，利用提取出的相位差和幅值比表征裂纹缺陷，缺陷表征方法更丰富、更灵活。。

附图说明

图1无裂纹试件磁场分布示意图。

图2有裂纹试件磁场分布示意图。

图3检测装置系统图。

图4单一位置激励信号与检测信号对比图。

图5用相位差表征不同深度对侧裂纹低频漏磁检测B扫图。

图6用幅值比表征的不同深度对侧裂纹低频漏磁检测的B扫图。

图中：1、函数发生器，2、功率放大器，3、数字示波器，4、稳压稳流电源，5、低频交流漏磁传感器。

具体实施方式

下面结合具体实验对本发明作进一步说明：

本实验实施过程包括以下步骤：

1、试验系统搭建：按照图3所示的检测装置系统图搭建实验系统，系统包括函数发生器1、功率放大器2、数字示波器3、稳压稳流电源4和低频交流漏磁传感器5。将函数发生器1的输出端口分为两路，一路连入数字示波器3的第一通道，用于显示低频正弦激励信号，另一路与功率放大器2的输入端口相连用于漏磁检测的励磁。接着，将功率放大器2的输出端接入低频交流漏磁传感器5的输入端，其输出端连入数字示波器2的第二通道，用于显示传感器检测的同频交流漏磁信号。最后，将稳压稳流电源4的正负极分别连入低频交流漏磁传感器5的两供电输入端，用于传感器内部磁敏元件的供电。

2、磁敏元件检测方向选择：被测试件是一块330×200×10mm的储罐和管道常用材料——20#低碳钢板，钢板上有四个长为25mm，宽为5mm，深度分别为3mm、4.5mm、6mm和7.5mm不等的标准人工裂纹。因裂纹宽度相等深度不等，因此将磁敏元件的检测方向调至与被测钢板表面切向平行，使其漏磁检测信号切向磁感应强度Bx对裂纹深度较为敏感。

3、传感器参数选择：将传感器置于被测钢板表面无裂纹一侧，使传感器与裂纹处于钢板两侧，手动控制传感器与钢板表面保持1mm的提离距离。调节函数发生器和功率放大器，将励磁电压控制为3V，励磁频率为10Hz，输出信号为正弦信号。

4、漏磁检测实验：选择垂直于裂纹长度方向的一段35mm的直线距离，使传感器在选定的直线距离内由左向右移动检测。检测步长控制为1mm，检测速度随手动变化。应用数字示波器记录的某单一位置激励信号和漏磁检测信号如图4所示，存储移动中36个位置点的激励信号和漏磁检测信号。

5、信号分析与处理：由计算机对采集到的所有位置点的激励信号和漏磁检测信号进行处理。应用相关法根据公式(6)得到每一位置点的单个相位差值，绘制不同深度裂纹的相位差随检测位置变化的曲线组图(如图5所示)。然后，应用直接法计算每一位置点的单一切向磁感应强度比值，绘制不同深度裂纹切向磁感应强度比值随检测位置的变化曲线(如图6所示)。

6、结果分析：已知裂纹宽度为5mm，位于横坐标15mm到20mm的检测位置。由图5和图6可知，通过两图中的峰值可判断，应用低频交流漏磁检测法可分辨钢板对侧不同深度的裂纹，但由于选用平行于钢板表面切向方向的磁感应强度Bx作为检测信号，因此检测结果对裂纹宽度的敏感度较低。四个宽度相等深度不等的裂纹，其相位差由小到大分别为90.32°、90.45°、90.56°和90.75°，切向磁感应强度比值由小到大分别为153.6、154.9、157.6和161.3。通过相位差和切向磁感应强度比均随裂纹深度增加而增大的检测结果，可明显区分深度未知的钢板对侧裂纹。所以采用低频交流漏磁法检测厚壁管道内壁裂纹是可行的。

以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不限于此。

Claims (1)

1.一种用于铁磁性管道内壁裂纹检测的低频交流漏磁检测方法，该方法利用一种用于铁磁性管道内壁裂纹检测的低频交流漏磁检测装置实现，该装置包括函数发生器(1)、功率放大器(2)、数字示波器(3)、稳压稳流电源(4)和低频交流漏磁传感器(5)；将函数发生器(1)的输出端口分为两路，一路连入数字示波器(3)的第一通道，用于显示低频正弦激励信号，另一路与功率放大器(2)的输入端口相连用于磁化被测铁磁管道；接着，将功率放大器(2)的输出端接入低频交流漏磁传感器(5)的输入端，其输出端连入数字示波器(3)的第二通道，用于显示传感器检测的同频交流漏磁信号；最后，将稳压稳流电源(4)的正负极分别连入低频交流漏磁传感器(5)的两供电输入端，用于传感器内部磁敏元件的供电；

其特征在于：该方法是通过以下步骤实现的，

1)被测试件选取一块常用于制造管道的钢板，厚度在10mm-15mm之间，单侧表面存在不同深度的裂纹缺陷，裂纹的最大深度均小于板厚；

2)调整传感器内部磁敏元件的信号拾取方向，当其检测方向与被测钢板表面的切向平行时，检测结果为钢板表面的切向磁感应强度Bx，该方向的磁感应强度对缺陷深度较为敏感；当其检测方向与被测钢板表面的法向平行时，检测结果为钢板表面的法向磁感应强度Bz，该方向的磁感应强度对缺陷宽度较为敏感；

3)将低频交流漏磁传感器置于被测钢板表面，使其与裂纹分处钢板两侧；调节函数发生器，输出一固定电压和频率的正弦信号用于励磁；手动控制传感器与钢板表面保持一定的提离距离，可避免其移动检测时受表面吸附力的影响；

4)手动控制低频交流漏磁传感器的移动检测方向，使该方向与被测裂纹的长度方向垂直；启动功率放大器，每当传感器被置于一个位置点，数字示波器会同时显示传感器在该点的激励信号和同频漏磁检测信号，同时保存两信号；

5)选择垂直于裂纹长度方向的某一段直线距离，使传感器在选定的直线距离内单向移动检测；检测步长可变，检测速度取决于数字示波器的信号保存速度，可手动灵活控制；重复步骤(4)，记录移动中所有位置点的激励信号和交流漏磁检测信号；

6)由计算机对采集到的所有位置点的激励信号和漏磁检测信号进行处理；首先，根据公式得到每一位置点的单个相位差值，绘制相位差随检测位置变化的曲线；然后，应用直接法计算每一位置点的单一磁感应强度比，绘制磁感应强度比随检测位置的变化曲线；为相位差值，A，B为信号幅值；而信号的幅值和在延时τ＝0时的自相关函数值有：R_xy(τ)表示延时为τ时的互相关函数，取τ＝0，由于信号与噪声相关的可能性很小，且两个噪声之间相关的可能性更小；R_x(0)、R_y(0)为τ＝0时的自相关函数；

7)根据相位差变化曲线和磁感应强度比变化曲线均可识别钢板对侧裂纹的深度、宽度信息；当选取切向磁感应强度Bx作为检测信号时，对裂纹深度的识别较为准确，当选择法向磁感应强度Bz 作为检测信号时，对裂纹宽度的识别较为准确；当移动距离较长时，也可对裂纹位置进行定位。