CN110146003A - 一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法,所述方法包括：(1)根据稀土永磁材料特性选定所需要的永磁材料，设计永磁检测单元搭载装置及相关辅助机构；(2)根据管道测量厚度范围设计永磁体个数及排列方式；(3)应用Ansys或者相关软件计算磁场数据，搭建数学模型；(4)采用有限元分析方法或者其他方法，构建永磁体、管壁厚度和永磁体与管壁距离之间的厚度应用模型；(5)根据检测数据构建管壁内部裂缝或缺陷检测数学模型；(6)输出待测管道管壁的厚度值，裂缝深度，缺陷范围和此数据的物理位置，同时进行管道管壁质量未来预测。

Description

一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法
技术领域
本发明涉及钢管管壁厚度测量及管壁缺陷检测的领域，特别是一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法。
背景技术
目前测量厚度的方法有利用α射线、β射线、γ射线穿透特性的放射性测厚方法；有利用超声波频率变化的超声波测厚方法；还有利用机械接触式测量原理的测厚方法等。但传统的检测技术存在很多缺陷：对人体伤害大、工作环境要求严格、对介质要求严格等影响测量精度。
目前针对金属表面及内部缺陷检测的方法主要包括有超声波探伤，基于表层探伤的交直流磁化探伤和涡流探伤等。但是目前其检测技术在有介质管道内实现都有很大难度。超声波探伤对被控对象的形状有限制，在形状较复杂或表面清洁度不高的情况下，超声波探伤很为困难。另外定量、定位精度差，对移动探伤很难实现，同时受被测对象材料晶粒结构和组织均匀性限制。而交直流磁化探伤和涡流探伤，对被测对象要求更为苛刻，而且主要针对浅表层有检测，而实际应用并不成熟，尤其对于移动探伤，操作起来非常困难。
基于以上原因，设计出一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，利用算法设计模型，在各种环境中实现精度较高的检测，快速准确检测管道管壁厚度、裂缝及其他缺陷，同时预测钢管管壁未来质量问题。本发明有非常好的现实性和经济性，并且能够应用于生产实践。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，包括以下步骤：
所述方法包括以下步骤：
(1)根据稀土永磁材料特性选定所需要的永磁材料，设计永磁检测单元搭载装置及相关辅助机构，根据管道测量厚度范围设计永磁体个数及排列方式；
(2)计算磁场数据，搭建数学模型；
(3)根据永磁体、管壁厚度以及永磁体与管壁距离之间的厚度构建应用模型；
(4)根据检测数据构建管壁内部裂缝或缺陷检测数学模型；
(5)输出待测管道管壁的厚度值，裂缝深度，缺陷范围和此数据的物理位置，同时进行管道管壁质量未来预测；
进一步地，所述步骤(1)中永磁体的设计个数可以是单个，也可以是多个，其数量根据钢管技术数据实际情况而改变，对应的引导磁通量的隔磁材料根据永磁体设计个数决定；
进一步地，所述步骤(2)具体为：利用稀土永磁材料所产生的磁场与钢管管壁之间的磁感应强度变化，与检测数据之间建立相关耦合关系，进行模型建立和数据分析，得出钢管表面的变化；
进一步地，所述步骤(3)中利用传感器测出稀土永磁材料与钢管之间所产生永磁力的变化，得到与钢管管壁厚度之间的关系，进而达到测量出管壁厚度值；
进一步地，所述步骤(2)中计算磁场数据，搭建数学模型的方法包括：通过Ansys软件测量磁场数据的软件；
进一步地，所述步骤(3)具体如下：采用有限元分析，根据永磁体、管壁厚度和永磁体与管壁距离之间的厚度构建应用模型；
进一步地，所述步骤(4)具体为：依据建立离线数据和在线检测数据的关系数据库及相关数据模型，判断钢管管壁质量缺陷的问题，所述质量缺包括盖管壁裂缝和管壁壁厚变薄；
进一步地，所述步骤(5)具体为：依据建立离线数据和在线检测数据的关系数据库及相关数据模型，判断钢管管壁未来预测参数，所述未来预测参数包括管壁未来寿命及可能出现的质量问题，用于进行离线和在线识别，干预钢管的使用情况；
进一步地，所述采用检测手段基于其搭载的检测装置的设计，但并不仅限于一种搭载装置；
进一步地，所述一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷的方法是一种可行方法；
进一步地，所述永磁体采用稀土永磁材料，但并不仅限于稀土永磁材料；
进一步地，所述一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷的方法依靠稀土永磁材料的基本性质，所产生的永磁力不需要外部电源的供应，检测为无源检测；
本发明的有益效果如下：
本发明设计了一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法；
本发明能够实现在线准确测量管壁厚度、裂缝深度及范围及其他管壁缺陷；
本发明采用永磁技术，解决目前管道等特殊环境下普通测厚方法无法进行厚度测量及管壁质量预测的问题；
本发明采用永磁技术，实现无源测量，可避免因为电源失电而导致测量失误的问题。
附图说明
图1为本发明所述方法中稀土永磁材料磁场分布示意图；
图2为本发明具体实施方式中直径30mm钢管6mm气隙6mm磁感应强度分布仿真图；
图3本发明具体实施方式中直径30mm钢管6mm气隙4mm磁感应强度分布仿真图；
图4本发明具体实施方式中永磁体对导磁面的作用示意图；
图5本发明具体实施方式中漏磁检测原理图，其中①永磁检测单元，②永磁体，③隔磁材料，④传感器，⑤磁通分布，⑥钢管，⑦气隙。
具体实施方式
为详细说明本发明的特征及功效，结合附图予以详细说明。
本发明所述方法具体如下：
(1)设计永磁检测单元，根据稀土永磁材料特性选定所需要的永磁材料；
(2)设计检测单元支撑以便于支撑永磁体并控制其伸缩及旋转；
(3)设计永磁体单元个数，可根据管道测量厚度范围设计永磁体个数及排列方式；
(4)根据选定的永磁材料特性，应用Ansys或者相关软件计算磁场数据，搭建数学模型；
(5)采用有限元分析方法或者其他方法，构建永磁体、管壁厚度和永磁体与管壁距离之间的厚度应用模型；
(6)根据数据分析，构建管壁内部裂缝或缺陷检测数学模型；
(7)通过永磁体纵向或者横向扫过钢管产生的磁场或者压力变化，变化值被设置的传感器传送到模型中，根据设计的离线模型和数据分析计算出管道管壁的厚度；
(8)通过安装在支撑结构上位置检测，同时输送数据到厚度模型；
(9)将计算的管壁厚度进行离线分析，根据之前建立的缺陷检测模型判断测量厚度的类型，进而输出厚度数据，包括厚度值，裂缝深度，缺陷范围和此数据的物理位置，同时进行管道管壁质量未来预测。
(1)永磁材料的选取
本发明关键之一是稀土永磁材料的选取。
考虑所设计装置应用的环境温度等情况，同时考虑永磁材料磁能积、稳定性、韧性和工作温度等因素，本项目选择高性能的稀土永磁材料NdFeB等。表1为稀土永磁材料NdFeB的性能指标参数。本发明采用以下或满足性能要求的稀土永磁材料，其磁场分布如图1，但不限如此，仅以一种实施方案进行说明。
表1方法所设计的一种稀土永磁材料性能指标表
(2)永磁力设计原则
本发明采用的永磁力设计优化目标是使得装置所产生的漏磁最小。其优化原则：在一定的工作气隙下，搭载永磁材料装置的牵引力与装置的自身重量比值达到最大值。永磁材料装置的磁路结构相对复杂，呈非线性化。
为了确保理论设计计算贴近实际情况，本项目采用有限元数值模拟方法，利用ANSYS MAXWELL3D有限元软件仿真计算磁感应强度，如图2图3为直径为30mm的永磁材料在6mm壁厚但不同气隙的磁感应强度的仿真图，由图明显看出当气隙发生改变时磁感应强度发生改变，永磁力也发生改变，得到永磁力与钢管壁厚关系，从而由可测得的永磁力推出钢管壁厚。根据仿真数据获得最优的结构参数。本发明以一种尺寸为例，但不限如此，其余尺寸的永磁材料依旧可以使用此方法。
(3)稀土永磁材料测厚计算原理
在原有磁路设计的基础上，计算要求达到的磁感应强度，再来设计各零件的尺寸、辅助材料性能，最后用合适的方法计算永磁力。比较结果，修改设计与计算，直到满足磁路的要求。
将N对永磁体固定在隔磁材料中，由于隔磁材料不具有导磁性，相对磁导率近似为1，故可以近似为空气。隔磁材料将N对永磁体产生的磁通量大部分限制在隔磁材料中，永磁体仅一端裸露作用钢管，此时磁通量不向外扩散，磁感应强度最大，最节省材料。永磁体将钢管磁化后产生永磁力，在一定的气隙下，永磁力会根据钢管的薄厚发生改变，利用压力传感器实时得到压力值，从而得出钢管厚度。
如图4所示，它是永磁体对导磁壁面的作用示意图，图中永磁体与导磁壁面之间的气隙为X，假定图示中的永磁体矫顽力方向沿Z轴方向。由于在钢管所在区域中磁场分布的复杂性，通过计算永磁检测单元永磁体中心轴线的磁感应强度，再利用磁感应强度、导磁壁面所在区域磁场分布情况、永磁装置与导磁壁面之间的气隙大小和磁极的有效面积等相关参数计算永磁检测单元的作用力，积分公式为
用式(1)直接来计算永磁力比较困难，实际应用计算中，我们一般假设在钢管所在区域内磁场的分布均匀一致，又由于钢管的磁导率较大(即ur>>1)，我们把计算磁场作用力大小的公式简化为
其中：B是磁场与钢管相互作用面处的磁感应强度；S是磁场与钢管相互作用面的面积；α是永磁检测装置与作用面间的夹角；ur是导磁材料的磁导率，在计算的过程中忽略不计；u0是真空磁导率，其值大小为4π×10-7Tm·A-1。公式中均用国际单位计算。
(5)稀土永磁材料缺陷检测原理
利用永磁体对被钢管进行局部磁化，若钢管表面光滑，内部没有缺陷，磁通将全部通过钢管；若钢管表面或近表面存在缺陷时，会导致缺陷处及其附件区域磁导率降低，磁阻增加，从而使缺陷附近的磁场发生畸变如图5。其中1是检测单元，包含2永磁体和3隔磁材料，根据模型计算设计永磁体个数和排列；4为传感器在永磁检测单元的底部；5是磁通的分布，6为钢管；7为气隙。此时磁通的形式分为三部分，即1大部分磁通在工件内部绕过缺陷。2少部分磁通穿过缺陷。3还有部分磁通离开工件的上、下表面经空气绕过缺陷，第3部分即为漏磁通，可通过传感器检测到。
(6)稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷的方法实施模型步骤
利用ANSYS软件离线设计稀土永磁材料个数和排列方式，建立磁路数学模型，依据所搭载装置应用范围背景，计算永磁体对数N，其中N≥0，计算出接触面和牵引非接触面的气隙，根据应用背景搭载适合的传感器装置，同时根据不同背景管道数据搭建离线数据库。建立管壁数据与磁路和检测值之间的耦合关联模型，即：通过多组数据的拟合，建立管壁数据与磁路和检测值之间的耦合关系，如线性关系、映射关系等等。
将检测数据进行归一化处理后，分析所采集的厚度数据与离线建立的管道设备数据进行对比，从而给出管道管壁的技术数据，包括厚度、缺陷范围和缺陷深度等等。
最后所应说明的是，以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并非用于限制本发明，凡在本发明技术方案的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，其特征在于，所述方法设计稀土永磁材料作为检测单元搭载装置，通过已知的管壁厚度以及压力传感器和磁通量传感器测量的永磁力变化和磁感应强度变化，进而拟合管壁厚度、永磁力和磁感应强度之间的仿真耦合模型，再根据磁仿真耦合模型测量钢管管壁厚度及质量缺陷。
2.根据权利要求1所述的一种利用永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)根据稀土永磁材料特性选定所需要的永磁材料，设计永磁检测单元搭载装置及相关辅助机构,根据管道测量厚度范围设计永磁体个数及排列方式；
步骤(2)计算磁场数据，搭建数学仿真模型；
步骤(3)根据永磁体、管壁厚度以及永磁体与管壁距离之间的厚度构建应用模型；
步骤(4)根据检测数据构建管壁内部裂缝或缺陷检测数学仿真模型；
步骤(5)输出待测管道管壁的厚度值，裂缝深度，缺陷范围及待测管道的物理位置，同时进行管道管壁质量未来预测。
3.根据权利要求2所述的一种利用永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷的方法，其特征在于，所述步骤(1)中永磁体个数的设计方案包括单个永磁体方案和多个永磁体方案，永磁体数量根据钢管技术数据实际情况而改变，对应的引导磁通量的隔磁材料根据永磁体设计个数决定。
4.根据权利要求2所述的一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：利用稀土永磁材料所产生的磁场与钢管管壁之间的磁感应强度变化，与检测数据之间建立相关耦合关系，进行模型建立和数据分析，得出钢管表面的变化。
5.根据权利要求2所述的一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：利用传感器测出稀土永磁材料与钢管之间所产生永磁力的变化，得到与钢管管壁厚度之间的关系，进而达到测量出管壁厚度值。
6.根据权利要求2所述的一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，其特征在于，所述步骤(2)中计算磁场数据方法为通过Ansys软件测量磁场数据，搭建数学模型具体为：利用ANSYS软件离线设计稀土永磁材料个数和排列方式，建立磁路数学模型。
7.根据权利要求2所述的一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，其特征在于，所述步骤(3)具体如下：采用有限元分析，根据永磁体、管壁厚度和永磁体与管壁距离之间的厚度构建应用模型。
8.根据权利要求2所述的一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：依据建立离线数据和在线检测数据的关系数据库及相关数据模型，判断钢管管壁质量缺陷的问题，所述质量缺陷包括盖管壁裂缝和管壁壁厚变薄。
9.根据权利要求2所述的一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：依据建立离线数据和在线检测数据的关系数据库及步骤(2)和步骤(3)中的相关数据模型，判断钢管管壁未来预测参数，所述未来预测参数包括管壁未来寿命及可能出现的质量问题，用于进行离线和在线识别，干预钢管的使用情况。
10.根据权利要求4所述的一种利用稀土永磁材料测量钢管管壁厚度及质量缺陷方法，其特征在于，所述步骤(3)中测量出管壁厚度值方法具体为：将N对永磁体固定在隔磁材料中，由于隔磁材料不具有导磁性，相对磁导率近似为1，故近似为空气，隔磁材料将N对永磁体产生的磁通量大部分限制在隔磁材料中，永磁体仅一端裸露作用钢管，此时磁通量不向外扩散，磁感应强度最大，永磁体将钢管磁化后产生永磁力，在一定的气隙下，永磁力会根据钢管的薄厚发生改变，利用压力传感器实时得到压力值，从而得出钢管厚度，其中N≥0。
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