一種用于鐵磁性管道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)的低頻交流漏磁檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鐵磁管道裂紋檢測(cè)方法，特別是基于低頻交流漏磁技術(shù)的鐵磁性 管道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)方法。該方法適用于鐵磁性管道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)，屬于無損檢測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道運(yùn)輸作為當(dāng)今五大運(yùn)輸方式之一，在石油、化工、天然氣等領(lǐng)域正發(fā)揮著無法 替代的作用。以鐵磁材料為基體的承壓管道因管壁較厚、使用周期較長(zhǎng)，內(nèi)壁極易出現(xiàn)腐 蝕、盲孔和裂紋等缺陷。其中裂紋是對(duì)鐵磁性承壓管道機(jī)械性能影響最大的一種缺陷。作 為管道安全運(yùn)行的重大隱患，裂紋的嚴(yán)重程度是指導(dǎo)維修決策制定的主要指標(biāo)，因此迫切 需要發(fā)展一種有效的承壓厚壁管道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)方法，作為承壓管道運(yùn)行可靠性的重要技 術(shù)保障。
[0003] 可以基于多種檢測(cè)原理對(duì)管道內(nèi)壁裂紋進(jìn)行檢測(cè)，如聲學(xué)、光學(xué)、電磁等。由于承 壓管道的基體多為鐵磁性材料，因此基于電磁原理的檢測(cè)技術(shù)在鐵磁性承壓管道無損檢測(cè) 中具有特殊優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)展了多種基于電磁原理的鐵磁性管道無損檢測(cè)技術(shù)。例 如，基于電磁超聲原理，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了厚壁管中單一模態(tài)電磁聲傳感器研制，利用激勵(lì) 出的單一縱向或扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波對(duì)承壓管道中的裂紋缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。由于管道中超聲導(dǎo) 波傳播極其復(fù)雜，特別是其多模態(tài)和頻散特性，使得單模態(tài)電磁傳感器的研制及信號(hào)分析 的難度極大，限制了該方法在工業(yè)管道中的實(shí)際應(yīng)用；電渦流技術(shù)也是一種常用的承壓管 道電磁無損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可以很好實(shí)現(xiàn)管道表面及近表面微裂紋檢測(cè)。但受電渦流 的趨膚效應(yīng)影響，該方法無法用于厚壁管內(nèi)壁裂紋檢測(cè)；此外，漏磁法也是也是一種常用 的承壓管道電磁無損檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，漏磁檢測(cè)分為直流漏磁法和交流 漏磁法。利用直流漏磁法檢測(cè)時(shí)，其均勻飽和磁化區(qū)深度較大，可以很方便地實(shí)現(xiàn)管道內(nèi) 壁裂紋檢測(cè)。但利用直流漏磁法對(duì)管道進(jìn)行大范圍檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果受掃描速度的大小 及平穩(wěn)性影響大，只有在平穩(wěn)低速的條件才能獲得穩(wěn)定可靠的檢測(cè)結(jié)果[基于漏磁原理 的鋼軌裂紋高速檢測(cè)[D].南京航空航天大學(xué)，2012.]。交流漏磁法避免了速度效應(yīng)的影 響，在檢測(cè)時(shí)可手動(dòng)靈活操作。交流漏磁技術(shù)一般通過對(duì)檢測(cè)到的交流漏磁信號(hào)進(jìn)行解調(diào) [李路明，黃松嶺，施克仁.漏磁檢測(cè)的交直流磁化問題[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué) 版）.2002 (02) : 154-156]和濾波處理[周小兵，康宜華，丁紅霞.交流漏磁檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 及實(shí)驗(yàn)研究[J].無損探傷.2006(04) :16-17]，利用提取出漏磁信號(hào)的幅值畸變信息表征 裂紋缺陷。同時(shí)，常規(guī)交流漏磁法采用千赫茲的激勵(lì)頻率，受趨膚效應(yīng)的限制，無法實(shí)現(xiàn)厚 壁管道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)。
[0004] 針對(duì)上述檢測(cè)方法存在的不足，提出一種基于低頻交流漏磁技術(shù)的鐵磁性承壓管 道內(nèi)壁裂紋漏磁檢測(cè)方法，用于實(shí)現(xiàn)鐵磁管道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)。本方法采用低頻交流勵(lì)磁，受 趨膚效應(yīng)影響小，可用于厚壁管道內(nèi)裂紋檢測(cè)。在缺陷表征方法方面，本方法通過對(duì)交流漏 磁檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理，可同時(shí)利用漏磁信號(hào)的相位和幅值信息用于裂紋缺陷的表征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種鐵磁管道內(nèi)壁裂紋漏磁檢測(cè)方法，特別是基于低頻交 流漏磁技術(shù)的檢測(cè)方法。在趨膚效應(yīng)影響較小的條件下，該方法采用管道外壁的低頻交流 勵(lì)磁，利用內(nèi)壁裂紋引起的外部漏磁信號(hào)相位和幅值的變化，計(jì)算勵(lì)磁信號(hào)與漏磁檢測(cè)信 號(hào)相位差和幅值比，從而實(shí)現(xiàn)鐵磁管道內(nèi)壁裂紋的表征和定位。
[0006] 本發(fā)明提出的一種用于鐵磁性管道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)的低頻交流漏磁檢測(cè)方法，其基 本原理在于：
[0007] 本文提出的低頻交流漏磁技術(shù)，在低頻交流勵(lì)磁的條件下，根據(jù)磁化特性曲線，利 用外部交變磁化場(chǎng)對(duì)鐵磁性管道進(jìn)行近飽和磁化。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)滲透深度公式可知，勵(lì)磁頻率 低于IOOHz時(shí)，管壁中磁回路的滲透深度大于10_。當(dāng)被測(cè)管道內(nèi)壁無裂紋時(shí)，磁力線均 勻、連續(xù)地通過（如圖1所示）；當(dāng)被測(cè)管道內(nèi)壁存在裂紋時(shí)，磁路中的磁阻增大，缺陷附近 的磁場(chǎng)產(chǎn)生泄漏，磁力線發(fā)生彎曲，部分磁力線從試件泄漏到空氣中，產(chǎn)生漏磁場(chǎng)（如圖2 所示）。
[0008] 采用交變電流勵(lì)磁，磁化場(chǎng)為固定頻率的交流信號(hào)。根據(jù)交流信號(hào)傳播時(shí)的波形 變化規(guī)律，當(dāng)介質(zhì)形狀發(fā)生變化時(shí)，交流信號(hào)在不同形狀的介質(zhì)中傳播，其相位和幅值均會(huì) 發(fā)生變化。因此，交流漏磁檢測(cè)信號(hào)的頻率與磁化信號(hào)相同，但信號(hào)的相位和幅值在管道存 在裂紋時(shí)，均會(huì)發(fā)生明顯變化。若用磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示漏磁場(chǎng)強(qiáng)度，則交流漏磁信號(hào)與勵(lì)磁 信號(hào)的相位差和磁感應(yīng)強(qiáng)度比均可用于裂紋的表征。
[0009] 當(dāng)?shù)皖l交流勵(lì)磁信號(hào)與交流漏磁檢測(cè)信號(hào)為兩同頻正弦信號(hào)時(shí)，利用相關(guān)法可計(jì) 算兩列信號(hào)的相位差信息。當(dāng)延時(shí)τ =〇時(shí)，互相關(guān)函數(shù)值與兩信號(hào)相位差的余弦值成正 比。若兩個(gè)同頻信號(hào)表示為
[0010] X (t) = Asin (ω t+Θ D+Nx (t) (1)
[0011] y (t) = Bsin (ω t+Θ 2)+Ny (t) (2)
[0012] 式中，x(t)，y(t)表示兩同頻信號(hào)，A，B為信號(hào)幅值，Nx(t)，N y(t)是環(huán)境中的噪聲 信號(hào)。則兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為
[0013]
(3)
[0014] 其中，Rxy(〇表示延時(shí)為τ時(shí)的互相關(guān)函數(shù)，T為周期。取τ = 〇,由于信號(hào)與 噪聲相關(guān)的可能性很小，且兩個(gè)噪聲之間相關(guān)的可能性更小，因此
[0017] 其中，A爐為相位差值，而信號(hào)的幅值和在延時(shí)τ =〇時(shí)的自相關(guān)函數(shù)值有：
[0015]
[0016]
I：，可以得知，利用相關(guān)法測(cè)量相位差的計(jì)算表達(dá)式為：
[0018]
[0019] 其中，τ =〇時(shí)的自相關(guān)函數(shù)艮(〇)、&(〇)和互相關(guān)函數(shù)Rxy(O)分別為：
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 式中，N為采樣點(diǎn)數(shù)，χ[η]和y [η]分別為兩同頻信號(hào)。記錄不同檢測(cè)位置的相位 差信息，即可得到相位差隨檢測(cè)位置變化的裂紋表征曲線。此外，通過直接法可計(jì)算低頻交 流勵(lì)磁信號(hào)與交流漏磁檢測(cè)信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度比，得到該比值隨檢測(cè)位置變化的裂紋表征 曲線，從而實(shí)現(xiàn)兩種應(yīng)用漏磁信號(hào)表征裂紋信息的方式。
[0024] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0025] 本發(fā)明所采用的裝置參見圖3，包括函數(shù)發(fā)生器1、功率放大器2、數(shù)字示波器3、穩(wěn) 壓穩(wěn)流電源4和低頻交流漏磁傳感器5。首先，將函數(shù)發(fā)生器1的輸出端口分為兩路，一路 連入數(shù)字示波器3的第一通道，用于顯示低頻正弦激勵(lì)信號(hào)，另一路與功率放大器2的輸入 端口相連用于磁化被測(cè)鐵磁管道。接著，將功率放大器2的輸出端接入低頻交流漏磁傳感 器5的輸入端，其輸出端連入數(shù)字示波器2的第二通道，用于顯示傳感器檢測(cè)的同頻交流漏 磁信號(hào)。最后，將穩(wěn)壓穩(wěn)流電源4的正負(fù)極分別連入低頻交流漏磁傳感器5的兩供電輸入 端，用于傳感器內(nèi)部磁敏元件的供電。
[0026] 本發(fā)明提出的一種用于鐵磁性管道內(nèi)壁裂紋檢測(cè)的低頻交流漏磁檢測(cè)方法是通 過以下步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0027] 1)被測(cè)試件選取一塊常用于制造管道的鋼板，厚度在10mm-15mm之間，單側(cè)表面 存在不同深度的裂紋缺陷，裂紋的最大深度均小于板厚；
[0028] 2)調(diào)整傳感器內(nèi)部磁敏元件的信號(hào)拾取方向，當(dāng)其檢測(cè)方向與被測(cè)鋼板表面的切 向平行時(shí)，檢測(cè)結(jié)果為鋼板表面的切向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx，該方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)缺陷深度較 為敏感。當(dāng)其檢測(cè)方向與被測(cè)鋼板表面的法向平行時(shí)，檢測(cè)結(jié)果為鋼板表面的法向磁感應(yīng) 強(qiáng)度Bz，該方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)缺陷寬度較為敏感；
[0029] 3)將低頻交流漏磁傳感器置于被測(cè)鋼板表面，使其與裂紋分處鋼板兩側(cè)。調(diào)節(jié)函 數(shù)發(fā)生器，輸出一固定電壓和頻率的正弦信號(hào)用于勵(lì)磁。手動(dòng)控制傳感器與鋼板表面保持 一定的提離距離，可避免其移動(dòng)檢測(cè)時(shí)受表面吸附力的影響；
[0030] 4)手動(dòng)控制低頻交流漏磁傳感器的移動(dòng)檢測(cè)方向，使該方向與被測(cè)裂紋的長(zhǎng)度方 向垂直。啟動(dòng)功率放大器，每當(dāng)傳感器被置于一個(gè)位置點(diǎn)，數(shù)字示波器會(huì)同時(shí)顯示傳感器在 該點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)和同頻漏磁檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)保存兩信號(hào)；
[0031] 5)選擇垂直于裂紋長(zhǎng)度方向的某一段直線距離，使傳感器在選定的直線距離內(nèi)單 向移動(dòng)檢測(cè)。檢測(cè)步長(zhǎng)可變，檢測(cè)速度取決于數(shù)字示波器的信號(hào)保存速度，可手動(dòng)靈活控 制。重復(fù)步驟（4)，記錄移動(dòng)中所有位置點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)和交流漏磁檢測(cè)信號(hào)；
[0032] 6)由計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的所有位置點(diǎn)的激