CN114764086A - 基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，包括以下步骤：采用磁化器将被检管道进行弱磁化，在管道外部或外壁裂纹周围产生最大的局部磁感应强度畸变；检测探头包括一个涡流激励线圈和一个TMR传感器，将一个涡流激励线圈和一个TMR传感器的同轴线布置，沿法向分别布置于管道的内表面，涡流激励线圈在管道表层产生涡流，TMR传感器放置于激励线圈中且本身自动对信号进行差动处理，探测管道表层磁导率在磁化方向上的差动变化等，其优点是：实现了弱磁下对外壁缺陷的检测。具有结构简单、通用性和互换性强的优点，并可实现非接触的快速自动化检测，信噪比和灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于无损检测领域，具体涉及一种基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法。
背景技术
管道在核电领域和石油领域得到了广泛的发展和应用。目前使用的管道基本上为钢制管道，在长期的使用过程中受到温度、介质、应力及环境等影响，管道内外壁极易出现腐蚀、裂纹、穿孔等缺陷，如果不对其进行检测，一旦发生泄露就会造成严重的后果。更重要的是，管道泄漏和爆炸等将对环境造成极大的污染和危害，因此必须定期对管道的运行状况进行无损检测。漏磁检测以其可以快速检测内外壁缺陷，实施方式简单的优势被广泛地应用在管道内检测中。由于传统的漏磁检测需要将管道磁化到近饱和状态，才能对管道外壁的缺陷进行检测。为此，磁化器需要占据一定的尺寸，而对于内径较小的管道而言，空间受限，无法将较大磁化器放置在管道内部，因此管道无法被磁化到近饱和状态，外壁缺陷也无法实现检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，它能够有效的检测内径较小的管道的缺陷。
本发明的技术方案如下：基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：采用磁化器将被检管道进行弱磁化，在管道外部或外壁裂纹周围产生最大的局部磁感应强度畸变；
步骤S2：检测探头包括一个涡流激励线圈和一个TMR传感器，将一个涡流激励线圈和一个TMR传感器的同轴线布置，沿法向分别布置于管道的内表面，涡流激励线圈在管道表层产生涡流，TMR传感器放置于激励线圈中且本身自动对信号进行差动处理，探测管道表层磁导率在磁化方向上的差动变化；
步骤S3：内表面缺陷在磁化器作用下，产生静态漏磁场，TMR传感器拾取内表面缺陷在磁化器作用下产生静态漏磁场信号；
步骤S4：磁化器和TMR传感器在管道内运动，输出信号发生变化，通过输出信号分析管道外部有无裂纹；
步骤S5：将TMR信号分为两路信号，分别经过高通滤波检波电路和低通滤波电路，若只有高通滤波检测电路输出信号，则信号来自于外壁裂纹，若高通滤波检波电路和低通滤波电路同时有信号输出，则信号自于内壁裂纹，实现了内外壁裂纹的区分。
所述的磁化器采用的是U型磁轭，在管道内部局部区域激发均匀静态磁化场。
所述管道外壁裂纹产生的磁导率畸变扩散和传播到管道的内层，并引起内层管壁内磁导率的波动。
所述的裂纹附近磁感线扰动在上方区域形成磁导率畸变区域，TMR传感器位于管道表层磁导率畸变区和非畸变区上方，沿磁化方向差动输出。
所述的TMR传感器在空间上随着涡流激励线圈的位置变动而变动。
所述的管道沿磁化器轴线做匀速直线运动。
所述涡流激励线圈的交变磁场穿过空气间隙直接作用于管道内壁，激励频率为20KHz-100KHz。
所述涡流激励线圈与管道内表面的提离值为2-5mm。
本发明的有益效果在于：本发明不直接测量外壁裂纹导致的扩散到表层空气中的漏磁场，采取测量同样由工件内部畸变磁场引起的工件表层磁导率畸变量，再利用TMR传感器来获取由磁导率畸变引起的交流感应场畸变，弥补现有漏磁检测方法对管道外壁检测的不足。TMR传感器具有精度高、频率响应快、线性范围宽、功耗小、易于阵列化和模块化等优点，相对于霍尔、AMR、GMR等元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗、更好的线性度，用TMR检测感应涡流与磁导率畸变相互作用产生的局部磁场畸变，由于直接测量工件表层的磁导率畸变，产生磁导率畸变对磁化的要求相比于在空气中产生漏磁场对磁化的要求要小很多，因此实现了弱磁下对外壁缺陷的检测。具有结构简单、通用性和互换性强的优点，并可实现非接触的快速自动化检测，信噪比和灵敏度高。
附图说明
图1为管道被弱磁化时外壁裂纹检测示意图；
图2为外壁裂纹弱磁化时上方磁导率分布仿真云图；
图3为信号分离原理图；
图4为涡流激励线圈和TMR传感器；
图5为内壁信号分别经过高通检波电路和低通滤波电路信号；
图6为外壁信号分别经过高通检波电路和低通滤波电路信号；
图7为本发明所引用的检测装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明方法通过直流磁化器将管道磁化，虽然管道处于弱磁化状态下，管道外壁缺陷产生的漏磁场不能传播到内壁处，但是由于外壁缺陷对磁化场的阻碍作用，磁场会绕过缺陷，聚集在缺陷上方，磁通量密度增加，根据材料的B-H曲线可知，磁通量密度的增加会造成材料磁导率的减小，因此外壁缺陷上方相较于无缺陷位置会产生磁导率畸变，由于磁导率畸变对外加磁场的阻碍作用，该磁导率畸变会在铁磁性材料中扩展到管道内壁的近表面位置。此时在管道内壁施加法向涡流激励线圈，管道近表面会感应出涡流，根据涡流检测原理，涡流检测线圈的阻抗与材料的电导率和磁导率相关，通过调节涡流的激励频率，改变其趋肤深度。使管道中感应出的涡流与磁导率畸变区域发生作用，影响涡流线圈的阻抗。此时虽然漏磁场没有传播到内壁处，但是由于其造成的磁导率畸变与感应涡流的相互作用，仍然能够实现外壁缺陷的检测。而对于内表面缺陷，虽然磁化较弱，但也能产生较弱的漏磁场，辅以高精度的TMR传感器，可以通过漏磁检测原理实现对内表面缺陷的检测。
由于内外壁裂纹检测机理不同，外壁裂纹检测机理为感应涡流与磁导率扰动之间的相互作用，该相互作用会产生磁场畸变，因此该磁信号特征为与涡流激励同频的信号，为高频信号。而内壁裂纹检测机理为传统漏磁检测与常规涡流检测复合检测结果，静态漏磁信号频率与检测速度有关，一般在200Hz-500Hz之间，为低频信号。同时叠加常规涡流检测的高频信号，将TMR的输出电压信号分别给两块信号处理电路，一个信号处理电路为高通检波电路，一个为低通滤波电路，若只有高通滤波检测电路输出信号，则信号来自于外壁裂纹，因为根据其检测机理，只存在高频信号，若高通滤波检波电路和低通滤波电路同时有信号输出，则信号自于内壁裂纹，因为内壁裂纹检测信号为低频信号与高频信号的复合信号，实现了内外壁裂纹的区分。所以，根据缺陷信号来自的信号处理电路可以判断该缺陷为外壁还是内壁裂纹。
检测时，所述的U型磁轭激发均匀静态磁化场，裂纹附近磁感线扰动在上方区域形成磁导率畸变区域，正弦信号源对涡流激励线圈施加激励，激励线圈轴线沿管道径向，与管道表面的提离值一般在0-5mm之间，在管道表层磁导率畸变区域产生涡流场。检测探头的交变磁场穿过空气间隙直接作用于管内壁探测磁导率的变化，当管道相对于探头运动时，位于涡流激励线圈内部的TMR传感器位于管道表层磁导率畸变区上方，进行沿磁化方向的差动输出，测量该畸变的感应磁场，输出信号的变化实现有无内部裂纹的判断。
单个涡流激励线圈与一个TMR传感器共同组成一组检测探头。检测探头在管道内壁沿轴线扫查，经过管道表层磁导率畸变区域时，获取到磁导率畸变引起的涡流感应磁场变化。检测探头输出电信号，经过信号调理放大模块、高低通滤波检波模块后与计算机连接，实现对裂纹位置的判别。
实现上述管道内检测方法的装置，它包括U型磁轭、正弦信号源、涡流激励线圈、TMR传感器、信号调理放大模块、高低通滤波检波模块。所述检测探头由激励线圈和TMR传感器组成。
管道实施偏置磁化后，外壁或外部裂纹在局部区域产生磁场畸变并传递到管道内表层；管道表层受到畸变磁场影响后，局部区域的磁导率发生畸变；当涡流激励线圈和TMR传感器沿法向布置在管道的内表面后，沿磁化方向的TMR探测管道内表层磁导率在空间上的差异。外部出现裂纹时，内表层磁导率在空间上存在变异，TMR输出变动的信号；外部无裂纹时，内表层磁导率在空间上一致，TMR输出的信号微弱。本发明基于外壁裂纹产生的磁场畸变引起的内层管壁内磁导率的波动，这一波动在管道体内传递到管内壁而非管外层空气中，进一步，检测探头的交变磁场穿过空气间隙直接作用于钢管内壁探测磁导率的变化，消除了测量提离影响，实现了外壁深裂纹的探测，信噪比和灵敏度高。同时内壁裂纹可根据漏磁检测原理实现检测，此外，还可根据内外壁裂纹检测原理的不同，实现内外壁裂纹的区分。
如图1所示，钢管虽然处在较弱的磁化下，外壁裂纹的漏磁场无法传播到管道内表面的传感器处，但是由于外壁裂纹对外加磁场的阻碍作用缺陷上方会产生磁导率畸变，同时由于铁磁性材料的导磁特性，磁导率畸变会扩展到管道内壁近表面位置。图2为管道施加弱磁化时外壁裂纹磁导率分布仿真云图，此时在内表面未产生直流漏磁场，但是磁导率畸变已经扩展到管道内壁。
此时虽然TMR传感器无法拾取到外壁裂纹产生的漏磁场，但是通过施加涡流激励线圈，管道内壁的近表面产生感应涡流，感应涡流与磁导率畸变相互作用产生磁场畸变，该磁场畸变被TMR传感器检测到，实现了弱磁化下外壁裂纹的检测。
对于内壁裂纹，虽然处在较弱的磁化下，但是内壁裂纹相比于外壁裂纹与传感器的距离较近，可以产生一定强度的漏磁场，再加上TMR传感器的高灵敏度，因此可以实现对内壁裂纹的检测。同时表层的感应涡流同样也会于内壁裂纹相互作用，产生涡流信号，因此内壁裂纹的信号为复合信号。
由于外壁裂纹和内壁裂纹的产生机理不同，外壁裂纹产生的漏磁信号为单纯的高频涡流信号，而内壁裂纹产生的信号为低频漏磁信号与高频涡流信号的复合信号，因此，将TMR检测的信号分别通过高频检波电路和低通滤波电路时，外壁裂纹产生的信号只会再高频检波电路中输出，而内壁裂纹信号则会在高频检测电路和低通滤波电路同时输出，根据该信号特征，实现了内外壁裂纹的区分，信号分离原理图如图3所示。
一种基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，因此具体实施步骤可分为：
步骤S1：采用永磁磁轭磁化器的方式，将钢管轴向磁化，作用于有效磁化区内的待检测管道处在弱磁化下，管道外壁裂纹虽然未产生漏磁场，但是在其上方产生磁导率畸变，并扩展到管道内壁表层。
步骤S2：如图4所示的涡流激励线圈和TMR传感器布置在永磁磁轭磁化器中间，在管道内表面，激励频率在20KHz-100KHz之间，在管道内表面产生感应涡流，传感器与管道的提离值在2-5mm之间，感应涡流与外壁裂纹产生的磁导率畸变相互作用，产生畸变磁场；内壁裂纹在直流磁化和涡流激励复合作用下产生复合磁场，由TMR实现检测。
步骤S3：磁化器和传感器相对于管道沿轴向匀速直线运动，传感器分别经过管道的内壁裂纹和外壁裂纹，TMR输出电压发生变化，分析处理后的信号显示缺陷为内壁裂纹和外壁裂纹，实验中得到6.5mm壁厚的1mm深，1mm宽的内壁裂纹和外壁裂纹信号如图5和图6所示。
步骤S4：磁化器和TMR传感器在管道内运动，输出信号发生变化，通过输出信号分析管道外部有无裂纹。
步骤S5：将TMR信号分为两路信号，分别经过高通滤波检波电路和低通滤波电路，若只有高通滤波检测电路输出信号，则信号来自于外壁裂纹，若高通滤波检波电路和低通滤波电路同时有信号输出，则信号自于内壁裂纹，实现了内外壁裂纹的区分。
如图7所示为本方法的所应用的检测装置，包括检测探头1，永磁磁轭磁化器6，高通滤波检波模块5，低通滤波模块2，A/D采集模块3，信号发生器7，计算机4。
如图7所示，周向阵列永磁磁轭式磁化器对管道实施弱磁化，信号发生器7提供可调的不同频率正弦激励，该激励施加到检测探头1上，检测探头位置永磁磁轭磁化器6与管道内壁之间，保持位置固定，检测探头经过管道时，检测探头信号分别经过高通滤波检波模块5和低通滤波模块2，通过A/D采集卡3将数据传输到计算机4中，在计算机软件中显示缺陷的信号，若只有高通滤波检测电路5输出信号，则信号来自于外壁裂纹，若高通滤波检波电路5和低通滤波电路2同时有信号输出，则信号自于内壁裂纹，得到待检测管道的缺陷分布。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：采用磁化器将被检管道进行弱磁化，在管道外部或外壁裂纹周围产生最大的局部磁感应强度畸变；
步骤S2：检测探头包括一个涡流激励线圈和一个TMR传感器，将一个涡流激励线圈和一个TMR传感器的同轴线布置，沿法向分别布置于管道的内表面，涡流激励线圈在管道表层产生涡流，TMR传感器放置于激励线圈中且本身自动对信号进行差动处理，探测管道表层磁导率在磁化方向上的差动变化；
步骤S3：内表面缺陷在磁化器作用下，产生静态漏磁场，TMR传感器拾取内表面缺陷在磁化器作用下产生静态漏磁场信号；
步骤S4：磁化器和TMR传感器在管道内运动，输出信号发生变化，通过输出信号分析管道外部有无裂纹；
步骤S5：将TMR信号分为两路信号，分别经过高通滤波检波电路和低通滤波电路，若只有高通滤波检测电路输出信号，则信号来自于外壁裂纹，若高通滤波检波电路和低通滤波电路同时有信号输出，则信号自于内壁裂纹，实现了内外壁裂纹的区分。
2.如权利要求1所述的基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，其特征在于：所述的磁化器采用的是U型磁轭，在管道内部局部区域激发均匀静态磁化场。
3.如权利要求1所述的基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，其特征在于：所述管道外壁裂纹产生的磁导率畸变扩散和传播到管道的内层，并引起内层管壁内磁导率的波动。
4.如权利要求1所述的基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，其特征在于：所述的裂纹附近磁感线扰动在上方区域形成磁导率畸变区域，TMR传感器位于管道表层磁导率畸变区和非畸变区上方，沿磁化方向差动输出。
5.如权利要求1所述的基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，其特征在于：所述的TMR传感器在空间上随着涡流激励线圈的位置变动而变动。
6.如权利要求1所述的基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，其特征在于：所述的管道沿磁化器轴线做匀速直线运动。
7.如权利要求1-6基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，其特征在于：所述涡流激励线圈的交变磁场穿过空气间隙直接作用于管道内壁，激励频率为20KHz-100KHz。
8.如权利要求1-6基于偏置磁化下涡流检测差动磁导率的管道内检测方法，其特征在于：所述涡流激励线圈与管道内表面的提离值为2-5mm。
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