油管缺陷漏磁檢測仿真永磁體油管傳送分析研究機械制造專業(yè)

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1、 摘要 伴隨國內(nèi)經(jīng)濟水平在最近一段時間得到較快的發(fā)展，我國能源需求量不斷增多，與之相關(guān)的管道運輸安全也開始被各界人士所關(guān)注。國內(nèi)能源運輸管道錯綜復雜，表現(xiàn)出距離長、建設時間久遠的特征，對管道檢測效率與質(zhì)量都帶來較大的難度。在目前此類缺陷檢測方式中，漏磁方式在效率、安全、費用等部分具備明顯的優(yōu)點。在漏磁檢測設備中，通常使用永磁體對管道實施勵磁，在勵磁時期需要處理磁路設計和改善、永磁體幾何尺寸、和管道之間的材料特性等問題，處理上述現(xiàn)實問題對提升漏磁檢測的效率與提升結(jié)果精準度具有較大的幫助。 本文主要對管道漏磁內(nèi)檢測的主要問題開展分析，探索相關(guān)科技和對磁路計算問題開展大致分析。以麥克斯韋方程作

2、為磁路計算的基礎、磁性材料的選擇、磁化方式的選擇，磁化強度的選擇，從整體上對磁路計算問題有了輪廓性的描述。 通過用對永磁體的軸向長度，徑向厚度，周向?qū)挾?，磁間距等各個方面對油管進行仿真，利用仿真結(jié)果指出永磁體幾何參數(shù)對磁化功能的影響，此處永磁體的周向?qū)挾葘Υ呕饔玫挠绊懴鄬ν怀?。利用對比選擇符合的尺寸。 油管中也許出現(xiàn)的問題主要是縱向與橫向缺陷兩部分。依照實際應用環(huán)境和現(xiàn)實需求，選擇效率高、敏銳度高的測試方式。根據(jù)油管和探頭的運動形式，全面分析不同的系統(tǒng)實現(xiàn)方式。 關(guān)鍵詞;油管 缺陷，漏磁檢測，仿真，永磁體，油管傳送

3、 Magnetic Flux Leakage Detection and Tubing Transmission Technology Abstract Along with our country economic level in recent years, the rapid increase of the national energy demand also increases day by day, the pipeline transport of energy security also nots allow to ignore. The

4、 energy complex pipeline distribution in our country, has the characteristics of long distance, connecting the time long, detection efficiency and quality of the pipes produced a great test. Have a common cause of pipeline defects such as corrosion,scratches, deformation, in a variety of pipeline de

5、fect detection method, the magnetic flux leakage testing in terms of efficiency, safety, cost is particularly prominent advantages. In magnetic flux leakage detection device, mainly for permanent magnet excitation on pipe material, there is a magnetic circuit calculation, the optimization design and

6、 permanent magnet geometry size, between permanent magnet and the pipe materials, permanent magnet excitation speed impact on excitation effect problem, to solve these problems to improve the efficiency of the magnetic flux leakage testing and improve the precision of the results have certain help.I

7、n this paper, several key problems in the pipeline leakage detection are studied, the magnetic flux leakage detection technology and the preliminary study on the magnetic circuit calculation are studied.Of magnetic circuit calculation of preliminary research: choice of Maxwe

8、lls equations as a magnetic circuit calculation based, magnetic materials, magnetic magnets operating point determine and selection and the final circuit approximate calculation, from the whole of magnetic circuit calculation with the description of the contour. Simulation of tubing by

9、using axial length, radial thickness, circumferential width, and magnetic spacing of permanent magnets, The effect of the geometric parameters of the permanent magnet on the magnetization is obtained from the simulation results. The circumferential width of the permanent magnet has the most signific

10、ant effect on the magnetization effect. Select the most suitable size by comparison. The possible defects in the tubing are divided into two major categories, vertical and horizontal defects. According to the field environment and user needs, a high-speed, high-sensitivity magnetic flux leakage det

11、ection method was selected. Combining the movement of tubing and probes, in-depth study of various possible detection system implementations 目錄 第一章 緒論 4 1.1 漏磁檢測研究背景 4 1.2無損檢測技術(shù)概述 4 1.2.1漏磁通檢測 4 1.2.3超聲波檢測 5 1.2.4 渦流檢測 5 1.3漏磁檢測國外研究狀況 5 1.4國內(nèi)研究現(xiàn)狀 6 1.5漏磁檢測技術(shù)發(fā)展趨勢 6

12、第二章 油管漏磁場形成機理及檢測的原理 7 2.1漏磁場的形成機理 7 2.2 缺陷漏磁檢測原理 8 2.3 磁化 10 2.3.1磁化材料 10 2.3.2 磁化原理 10 2.3.3磁化方式 11 2.3.4磁化強度的選擇 12 第三章 磁路的設計 13 3.1漏磁檢測對磁路設計的要求 13 3.2磁路設計方案 14 3.2.1明確檢測對象 14 3.2.2磁路的計算 14 3.3 勵磁源永磁鐵幾何尺寸對磁化效果的影響 15 3.4定義材料屬性 16 3.5工作點的選擇 18 第四章 軟件仿真及結(jié)果分析 19 4.1 Maxwell軟件仿真 19 4.

13、1.1 Maxwell軟件介紹 19 4.1.2 Maxwell2D仿真 19 4.1.3 Maxwell3D仿真 19 4.2 Maxwell軟件操作流程 19 4.3 永磁勵磁油管缺陷仿真（周向） 20 4.3.1管道壁厚度對磁化強度的影響 21 4.3.2 缺陷沿徑向大小對磁化強度的影響 22 4.3.3永磁體的厚度對磁化強度的影響 22 4.3.4 永磁體的軸向長度對磁化強度的影響 23 4.3.5兩永磁鐵間距對磁化強度的影響 24 4.3.6 銜鐵的厚度對磁化效果的影響 24 4.2采用縱向磁化建立仿真模型 25 4.2.1 管道壁厚度對磁化強度的影響 26

14、 4.2.2 永磁體的厚度對磁化強度的影響 26 第五章油管的傳送 26 5.1油管傳送系統(tǒng) 26 第六章 結(jié)論 31 第一章 緒論 1.1 漏磁檢測研究背景 石油天然氣管道輸送在社會經(jīng)濟發(fā)展中具有非常關(guān)鍵的主導位置，因此輸送管道的主要標準是穩(wěn)定、高效。目前鋼管在石油、天然氣、化工等諸多領域得到高效使用，對鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量指出較為嚴苛的標準。鋼管上所有會出現(xiàn)的問題都是導致事故出現(xiàn)的條件，特別是位于地下與海上運送石油與天然氣的管道，擔負內(nèi)部氣體或液體的高壓，有時候會遇到腐燭，斷裂和地殼運動等相關(guān)災害的影響，對管道帶來負面影響，破裂，泄漏問題頻繁出現(xiàn)，導致較大的經(jīng)濟虧損，對人

15、身安全與周圍環(huán)境產(chǎn)生無法預估的破壞。 無損檢測的缺陷評估對于改善生產(chǎn)、確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升現(xiàn)實效率等，具有無可取代的現(xiàn)實價值，其主要使用材料的物理性質(zhì)因缺陷而出現(xiàn)變化的現(xiàn)實狀況，測試具體變化量，進而判定材料內(nèi)部缺陷是否出現(xiàn)。特別是位于地下與海上運輸石油與天然氣的管道擔負內(nèi)部氣體或液體的壓力，承擔多種腐燭與結(jié)構(gòu)變形應力以及無法阻擋的惡劣環(huán)境。因此各國眾多專家人員都對鋼管探傷檢測開展深入分析，因此很多鋼管探傷方式隨之出現(xiàn)。現(xiàn)在普遍使用的探傷方式為：目視測試，液體滲透，磁粉測試，禍流，超聲，射線，工業(yè)等。然而在效率、高穩(wěn)定性、高效率部分上述方式都出現(xiàn)一些問題，很多方式檢測較慢，成本過高，標準相對嚴苛

16、；很多探測深度不符合要求，漏檢嚴重：也存在操作繁瑣，效率不高的問題。從磁粉探傷延伸產(chǎn)生的漏磁無損檢測方式主要基于鋼管鋼棒等鐵磁性原料的高磁導率特點，其利用拾取被磁化的鋼管其問題處泄漏到外界的磁通信號，之后經(jīng)過信號處理設備得出和缺陷形狀相關(guān)電信號的重要方式，此方式憑借自身在線檢測水平高，自動化水平高等相關(guān)優(yōu)勢而達到生產(chǎn)與現(xiàn)實使用中的連續(xù)性、高效性等相關(guān)標準。促使磁檢測變成到現(xiàn)在為止使用最普遍的重要磁粉檢測方式，尤其是在油田管道檢測中被普遍使用。另外和一般磁粉檢測進行比較此方式可以量化最終結(jié)果，具備更高的穩(wěn)定性，效率高，污染較少等優(yōu)勢。但是，從目前對漏磁檢測理論的分析與使用現(xiàn)狀進行分析，西方國家，

17、比如美國、英國、加拿大、□本、德國等分析時間更長，在深入理論分析的時候需要把此技術(shù)使用到生產(chǎn)現(xiàn)實中，且得到較好的效果。 1.2無損檢測技術(shù)概述 1.2.1漏磁通檢測 假如鐵磁材料上存在不連續(xù)性,此時在磁場的影響下,在不連續(xù)性的上表面,磁感應線的方向出現(xiàn)一定的變化,其與光、聲波的折射類似,也就是磁感應線折射現(xiàn)象。假如上述介質(zhì)磁導率差異較大,比如鐵與空氣,此折射進入空氣之后甚至垂直到界面,進而造成磁場路徑的變動,造成少數(shù)磁通泄漏在材料表層,產(chǎn)生漏磁場。漏磁通檢測下述被叫漏磁檢測，主要使用磁敏元件生產(chǎn)的探頭測試此類材料表層的漏磁場,此方式一般使用在對稱旋轉(zhuǎn)工件,比如軸類、管材與棒料等,所以便于

18、完成高科技測試。還能尋找眾多不連續(xù)性,可以為鐵磁性材料提供高效且方便，成本較低的評定。此方式主要用于對鋼構(gòu)、鋼坯、圓鋼、棒材進行檢驗，確保產(chǎn)品的完好,此外還能對鋼纜與規(guī)模龐大的儲油罐、儲氣罐等開展測試。鋼管是使用相對普遍的品種,其質(zhì)量也會影響現(xiàn)實效益和職員的人身安全,全球各國格外關(guān)注對鋼管進行的檢測,主要使用無損檢測方式對其開展高效的檢測。漏磁檢測憑借自身對管材表面狀態(tài)標準寬松,測試深度較大,在其他國家的鋼管檢測中被普遍使用,國內(nèi)逐漸關(guān)注到此測試方式。 對 x射線檢測的主要原理是在射線通過被檢物體時,存在缺陷的部分比如氣孔、非金屬夾雜物等和沒有缺陷的部分對射線吸收水平存在差異。我們將金屬物體

19、當做案例,缺陷部分所含空氣或夾雜物對射線的吸收水平會明顯低于金屬本身所具備的吸收水平,通過有缺陷部分的射線強度高于一般部分的射線強度,我們就能以此測試通過工件之后的射線強度差距，進而判定工件中有沒有出現(xiàn)缺陷?，F(xiàn)在我國使用最普遍、敏銳度最高的檢測方式是射線照相法,主要使用感光膠片來測試射線強度,在射線感光膠片上存在缺陷部分由于得到大量射線,因此產(chǎn)生灰度較高的缺陷影像。缺陷依照射線透照方向長度延伸、被透照物質(zhì)射線吸收系數(shù)更高,此時通過有缺陷與無缺陷部分的射線強度存在差異,感光膠片上缺陷和原本部分的灰度差異較大,缺陷就可以直接被尋找到。 1.2.3超聲波檢測 超聲波在被檢測材料內(nèi)擴散的時候,材料

20、聲學特點與本身組織變化對超聲波的擴散造成相應的影響,利用對此受影響程度與情況的探究掌握材料性能與結(jié)構(gòu)變動的技術(shù)就是超聲檢測。超聲波就是超聲振動在介質(zhì)內(nèi)的擴散,主要屬性是通過波動方式在彈性介質(zhì)內(nèi)擴散的機械振動,頻率超過20KHz。聲速c就是超聲波頻率f和波長λ的乘積,目前一般使用的工作頻率主要是0.4到5MHz,低頻率主要使用在粗晶與衰減較大材料測試中,高頻率主要使用在細晶材料與高敏銳度測試。對于部分具有獨特需求的測試,頻率可以高達10一50MHz。最近一段時間伴隨寬頻窄脈沖技術(shù)的分析與使用,超聲探頭的最高頻率,可以超過100MHz。超聲波主要使用在無損檢測中,主要是其具備的下述特點：在介質(zhì)內(nèi)擴

21、散時,到界面會出現(xiàn)反射超聲波，指向性好,頻率較高,指向性更高，其傳播能量高,對不同原料的穿透力更高。近期分析指出,超聲波聲速、衰減、阻抗與散射等特點具有充足的檢測內(nèi)容,也開始變成超聲波被普遍使用的重要因素。 1.2.4 渦流檢測 渦流檢測是創(chuàng)建在電磁感應前提下,其主要利用在交變磁場影響下各種材料會形成不同振幅與相位的渦流進而測試各類金屬材料的物理功能、問題和結(jié)構(gòu)的不正常情況。在此類測試中,試樣一直放在線圈內(nèi)或者靠近線圈。因線圈形成交變磁場,在此磁場的影響下,在金屬試樣上感應得到渦流,繼而形成相應的次級磁場,其和磁場彼此影響,造成原磁場出現(xiàn)改變,促使線圈內(nèi)部磁通出現(xiàn)變動,最終導致線圈的阻抗出

22、現(xiàn)變動。工件內(nèi)部的全部變化，比如大小、電導率、磁導率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等都會影響渦流密度與分布,最終影響線圈的阻抗。 1.3漏磁檢測國外研究狀況 （1）設備幵發(fā)： 西方國家對漏磁檢測科技開展的分析較早，Zuschlug在1933年第一次指出使用磁敏傳感器測試漏磁場的觀點。 1947年Hastings設計出首套漏磁檢測系統(tǒng)，此檢測方式才逐漸被大眾所認可。 二十世紀中期，西德設計出產(chǎn)品化的漏磁探傷設備。 1965年，美國TubecopeVrtco國際企業(yè)使用漏磁檢測設備第一次開展內(nèi)部檢測，設計出井口探測系統(tǒng)，可以穩(wěn)定的測試出管材內(nèi)外徑上的腐蝕坑橫向傷痕與相關(guān)種類的問題。 1973年，英國天然

23、氣公且主要使用漏磁法對其所管理的管道腐蝕減薄情況開展測試，第一次使用定量研究方式。企業(yè)的漏磁探傷系統(tǒng)主要利用漏磁探傷部分來測試管體橫向與縱向問題，壁厚測試需要超聲技術(shù)的配合，開展高效的實地探傷。 （2）缺陷理論模型： 對缺陷漏磁場進行計算最早源自二十世紀六十年代，shcherbinin與zatsepin主要使用磁偶極子模型計算表面開口的無限長裂紋，前蘇聯(lián)在同時期撰寫且公開首篇定量研究缺陷漏磁場的文章，指出使用磁偶極子、無限長磁偶極線與無限長磁偶帶來模擬工件表面的點狀缺陷、淺裂紋與深裂縫。此后，蘇，日等國家開始在此部分深入分析，形成主要的學派，被劃分成磁偶極子法與有限元法兩類：shcherb

24、inin與zatsepin使用磁偶極子模型統(tǒng)計出有限長表面幵口裂紋的磁場分布，二十世紀七十年代hwang與lord主要使用有限元方式對漏磁場開展研究，第一次將材料內(nèi)部場強和磁導率和漏磁場幅值關(guān)聯(lián)在一起。Atherton將管壁坑狀缺陷漏磁場的統(tǒng)計與實際測試結(jié)果聯(lián)系在一起，得出相對詳細的結(jié)果與推導出有限長開裂紋的二維表達式，進而得到材料相對磁導率明顯高于缺陷深寬比，漏磁場強度和缺陷深度接近于線性關(guān)系的結(jié)果。 1.4國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)從九十年代早期就開始對漏磁檢測科技開展深入分析，在1998年之后，我國石油天然氣管道局在測試在役油氣管道缺陷部分開展深入分析，國內(nèi)在那個時期就對漏磁檢測技術(shù)開展深

25、入分析。到現(xiàn)在,在2002年生產(chǎn)出管道與鋼板腐蝕漏磁檢測儀，整體技術(shù)能力不如西方國家。最近一段時間,在我國無損檢測專家與學者的全面奮斗下,現(xiàn)在大部分學校與分析組織在此部分得到良好的成就,和世界領先水平的差距不斷縮小。我國分析漏磁檢測科技的學校通常是清華大學、華中科技大學、上海交通大學等眾多著名學校。此處華中科技大學的楊叔子、康宜華、武新軍等,在儲罐底板漏磁檢測分析與管道漏磁無損檢測傳感器的設計、鋼絲繩的漏磁檢測等部分開展較多的實驗分析，使用軟件研究出傳感器勵磁設備的參數(shù)對鋼板局部磁化的作用,設計出合理的漏磁檢測傳感器等。清華大學的李路明、黃松齡等專家深入分析管道與鐵鑄件的漏磁探傷方式，主要使用

26、有限元方式探究永磁體幾何參數(shù)對管道磁化作用產(chǎn)生的影響,研究漏磁探傷內(nèi)多種量彼此間的數(shù)值關(guān)系,比如表面裂紋寬度對漏磁場分量影響的研究，基于漏磁檢測交流磁化的磁化電流頻率挑選問情況，研究出具體的選擇標準等。沈陽工業(yè)大學的楊理踐等,分析面向單片機控制系統(tǒng)的管道漏磁在線檢測工具,研究出小波包在此類信號研究中的現(xiàn)實使用狀況,利用時域研究知識對此類信號開展分析。合肥工業(yè)大學的何輔云對漏磁探傷主要使用多路缺陷信號的滑環(huán)傳播方式，且設計出完善的無損檢測設施,上海交通大學的網(wǎng)沛文、金建華等對海底管道缺陷漏磁檢測開展深入分析,利用小波研究對此類信號進行去噪,此外把巨磁阻傳感器使用到此類系統(tǒng)中,設計出使用在輸油、輸

27、氣管道專用測試的傳感器。中原油田鉆井機械儀器分析組織設計出抽油桿井口漏磁無損檢測設備。軍械工程學校設計出智能漏磁裂紋檢測儀，可以對鋼質(zhì)構(gòu)件的表層與內(nèi)部裂紋開展定量檢測。中國科學院金屬分析組織的蔡桂喜對磁粉與漏磁探傷對裂傷缺陷檢出水平開展分析,使用環(huán)電流模型統(tǒng)計出不同矩形槽形狀人工和自然缺陷形成的漏磁場,指出磁粉與漏磁兩個方式無法使用在開裂縫隙較窄的疲勞裂紋測試的結(jié)果。 1.5漏磁檢測技術(shù)發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代科學、社會的進步，漏磁檢測技術(shù)有著愈來愈大的發(fā)展和應用空間尤其是處于飛速發(fā)展的我國工業(yè)應用領域隨著市場需求的進一步擴大和全民安全意識的提高，給漏磁檢測技術(shù)的發(fā)展及無損檢測工作者提供了一次

28、難得的機遇和挑戰(zhàn)目前，漏磁檢測技術(shù)理論需要進一步研究開展的工作有：漏磁場信號與缺陷特征之間的對應關(guān)系；不同類型的缺陷漏磁場理論模型復合材料的漏磁場形成機理研究等，筆者認為隨著現(xiàn)代各領域技術(shù)的相互交叉融入各種技術(shù)相互促進發(fā)展，漏磁檢測技術(shù)的應用研究也必將朝著更趨于成熟，完善的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢有以下幾個方面： 1更高的處理速度； 2高性能傳感器及智能傳感器； 3儀器的智能化，小型化； 4專家系統(tǒng)的融入； 5多信息融合技術(shù)； 6高可靠性和穩(wěn)定性； 7界面更為友好直觀； 8操作更為簡易快捷； 9在線，離線檢測的機電一體化； 第二章 油管漏磁場形成機理及檢

29、測的原理 2.1漏磁場的形成機理 當用磁化器磁化被測鐵磁材料時,若材料的材質(zhì)是連續(xù)、均勻的,則材料中的磁感應線將被約束在材料中,磁通是平行于材料表面的,幾乎沒有磁感應線從被檢表面穿出,被檢表面沒有磁場。但當材料中存在著切割磁力線的缺陷時,由于缺陷的磁導率很小,磁阻很大,磁感應線將會改變途徑,這種磁通的泄漏同時使缺陷兩側(cè)部位產(chǎn)生了磁極化形成所謂的漏磁場。漏磁場的形成原理可用磁介質(zhì)的邊界條件或Maxwell方程解釋。 在兩種磁介質(zhì)的分界面或一種磁介質(zhì)與真空的分界面上,主要邊界條件有兩條，一個是磁感應強B法線分量的連續(xù)性,即B2n=B1n,表示分界面上的法線方向；另一個是磁場強度切線分量H

30、的連續(xù)性,即H2t=H1t,表示分界面上的切線方向。它們分別是把磁場的“高斯定理”和“安培環(huán)路定理”用到邊界面上的直接推論。 由于上述兩個邊界條件,此感應線在分界面上一般都會發(fā)生“折射”。圖2.1是磁感應線在介質(zhì)邊界上的“折射”。 圖2.1 設界面兩側(cè)磁感應線與界面法線的夾角分別為θ1和θ2,則: B1n=B1cosθ1，B2n=B2cosθ2，H1t=H1sinθ1，H2t=H2sinθ2 有兩種磁介質(zhì)的邊界條件可得: B1n=B2n;H1t=H2

31、t. 兩式相除得: H1t/B1n=H2t/B2n 將(2.1)代入到(2.3)得: H1/B1tanθ1=H2/B2tanθ2 設兩種介質(zhì)的磁導率分別為μ1和μ2,則B1=μ0μ1H1,B2=μ0μ2H2。戶,于是有: Tanθ1/Tanθ2=μ1/μ2 式(2.5)為界面兩側(cè)磁感應線與法線夾角的正切之比等于兩側(cè)磁導率之比。 如果μ2=1(真空或非磁性介質(zhì)), μ1?1（鐵磁性物質(zhì)）,則θ2≌1；θ1≌0，這時在介質(zhì)1（鐵芯）內(nèi)磁感

32、應線幾乎與界面平行,從而也非常密集,鐵芯的磁導率μ1越大θ1角越接近90,磁感應線就越接近于與表面平行,從而漏磁通越少,這樣,高磁導率的鐵芯就把磁通量集中到自己的內(nèi)部。當連續(xù)、均勻的材質(zhì)中有切割磁力線的缺陷存在時就形成了漏磁場`,缺陷漏磁場形成示意圖如圖2.2所示。 圖2.2 2.2 缺陷漏磁檢測原理 漏磁檢測技術(shù)是利用在外加磁場作用下，鐵磁性材料表面和近表面缺陷處泄漏的磁場信息來進行探傷的一種無損檢測方法。是建立在鐵磁材料的高磁導率特性基礎上，當外加磁場將鐵磁材料磁化后，若該材料為連續(xù)、均勻的材質(zhì)，則由外部產(chǎn)生

33、的磁感應線將被約束在該材料內(nèi)部，即產(chǎn)生的該磁通將基本平行于材料表面，基本沒有磁感應線從該材料表面泄露出來，因此在被檢材料表面處幾乎沒有漏磁場的存在。而當材料中存在著切割磁力線的缺陷時，由于缺陷處為空氣介質(zhì)，其磁導率很小，磁阻很大，則磁感應線在該缺陷處的路徑將會改變，即部分磁通將會經(jīng)空氣繞過缺陷，在缺陷兩側(cè)部位產(chǎn)生了磁極化，從而形成所謂的漏磁場，其原理圖如圖所示。漏磁檢測法就是通過霍爾元件或感應線圈測量被磁化的鐵磁材料表面泄漏的磁場強度通過該磁場信息來評價缺陷的大小。 圖2.3 在外加磁場的作用下，鐵磁材料的漏磁現(xiàn)象可以用缺陥附近磁感應強度B和磁導率u的變化來解釋。假設

34、一個帶有表面缺陷的油管橫截面如圖所示。假設油管橫截面的表面積為A而缺陷的截面積為ａ，故該含有缺陷的油管管壁截面積為A＇＝A－a。 圖2.4 通常油管缺陷漏磁場的強弱與油管被磁化的強度存在直接的關(guān)系，即在外加磁場作用下，鐵磁材料的磁感應強度B與磁場強度H的關(guān)系為:B＝Uh,由于材料磁導率u會隨外加磁場強度H的變化而變化，故B隨H的變化呈現(xiàn)為一條非線性變化的磁特性曲線, 的磁特性曲線如圖所示。 當油管被勵磁線圈或永久磁鐵磁化時符合該曲線的磁化規(guī)律。為了便于分析，通常將磁特性曲線分成如圖所示的區(qū)域1區(qū)域2和區(qū)域3三個區(qū)域。 在區(qū)域１內(nèi)B隨H的增加而急劇上

35、升，磁化曲線表現(xiàn)較為陡直； 在區(qū)域２內(nèi)B隨H的增加，該磁化曲線的上升速率逐漸變慢，曲線逐漸趨于平緩；在區(qū)域３內(nèi)B隨H的增加而趨于水平，此時磁感應強度較快地進入到磁飽和狀態(tài)。 下面將根據(jù)材料磁導率和磁化曲線介紹油管缺陷產(chǎn)生漏磁場的原因。  圖2.5 假如油管處于磁場強度為H的均勻磁場中，當該油管中無缺陷存在時，其磁感應強度為B1如圖中所示，此值對應于磁化曲線上Q點，而Q點又對應于磁導率曲線上的P點，故此時通過油管無缺陷管壁截面的磁通量為φ＝B1A。由于通過油管的總磁通量是相同的，如果該油管中存在缺陷時，則在缺陷處截面的磁感應強度變?yōu)锽2＝B1A/(A-a)，

36、故B2>B1，故由于管壁缺陷的存在，在缺陷處磁感應強度有所增加，從而使得相應磁化曲線上的工作點Q移至Q’點；與此同時磁導率u上原來的工作點P也相應的移動到P’，故由于缺陷存在，在材料橫截面減小的位置處（缺陷處）的磁感應強度増大，而磁導率反而減小，故會導致油管存在缺陷的位置處不容許通過原來數(shù)值的磁通量，從而使得多余部分的磁感應曲線被泄漏到缺陷處的介質(zhì)中而形成相應的漏磁場。 由上述分析可知通過油管截面的總磁通量φ=B1A,而通過缺陷處的磁通量為φ0=B1(A-a)+B0a，其中B0為缺陷處介質(zhì)的磁感應強度。 則泄露周圍的磁通量為：△φ=φ-φ0 2.3 磁化 2.3.1磁化材料

37、 能對磁場作出某種方式反應的材料稱為磁性材料。按照物質(zhì)在外磁場中表現(xiàn)出來磁性的強弱，可將其分為抗磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)、反鐵磁性物質(zhì)和亞鐵磁性物質(zhì)。大多數(shù)材料是抗磁性或順磁性的，它們對外磁場反應較弱。鐵磁性物質(zhì)和亞鐵磁性物質(zhì)是強磁性物質(zhì)，通常所說的磁性材料即指強磁性材料。對于磁性材料來說，磁化曲線和磁滯回線是反映其基本磁性能的特性曲線。鐵磁性材料一般是Fe，Co，Ni元素及其合金，稀土元素及其合金，以及一些Mn的化合物。 磁性材料按照其磁化的難易程度，一般分為軟磁材料及硬磁材料。實驗表明，任何物質(zhì)在外磁場中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。根據(jù)物質(zhì)在外磁場中表現(xiàn)出的特性，

38、物質(zhì)可分為五類：順磁性物質(zhì)，抗磁性物質(zhì)，鐵磁性物質(zhì)，亞鐵磁性物質(zhì)，反磁性物質(zhì)。我們把順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)稱為弱磁性物質(zhì)，把鐵磁性物質(zhì)稱為強磁性物質(zhì)。通常所說的磁性材料是指強磁性物質(zhì)。磁性材料按磁化后去磁的難易可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物質(zhì)叫軟磁性材料，不容易去磁的物質(zhì)叫硬磁性材料。一般來講軟磁性材料剩磁較小，硬磁性材料剩磁較大。 2.3.2 磁化原理 作為鐵磁性材料，其磁化機理和其他鐵磁性材料的磁化機理一樣，現(xiàn)在普遍接受的理論模型是用磁疇解釋材料的磁化過程。材料內(nèi)部，具有相同排列方向的一小塊區(qū)所有原子磁矩稱為磁疇。磁疇與磁疇之間稱為磁疇壁。數(shù)以萬計的磁疇壁

39、和磁疇組成了宏觀材料。無外加磁場情況下，這些磁疇的磁矩方向在材料中雜亂無章，從而材料的總磁矩為零，宏觀上對外不表現(xiàn)出磁性。如圖（a）所示。當加上較弱的外加磁場時，那些磁化方向和外加磁場方向一致或比較接近的磁疇體積開始慢慢擴大，而與外加磁場方向相反的磁疇體積漸漸減小，這一過程就是疇壁的位移。如圖（b）和圖 (c）所示。隨著外加磁場的增加，與磁疇方向不一致的磁疇磁矩將漸漸轉(zhuǎn)向磁場方向，如果外加磁場增加到一定值，所有的磁疇的磁矩都與外加磁場方向一致，這時即達到了飽和磁化。如圖（d）和圖（e）所示。 圖2.6 在外加磁場一定的情況下，油管材料磁疇位移的過程所花費的時間，在

40、本文中稱為磁化時間。如果油管沒有達到飽和磁化，此時油管材料的磁疇就沒有完全反轉(zhuǎn)，材料的等效磁導相對于飽和磁化的材料的等效磁導率更小，此處稱為不同磁化狀態(tài)的材料磁導率的不同狀態(tài)在高速漏磁檢測時，磁化時間直接影響檢測速度，所以該時間需要盡量縮短以提高檢測速度鋼軌磁化的激勵電壓和傳感器及勵磁激勵的提離對檢測速度的影響也是至關(guān)重要的。 2.3.3磁化方式 磁化裝置的好壞直接影響到整個檢測系統(tǒng)的性能通常要求能將工件的被檢測處磁化至近飽和狀態(tài),因此一個好的磁化裝置是非常必要的。漏磁場強弱的一個重要影響因素是磁化磁場方向與缺陷主平面的角度，當磁化方向與缺陷主平面垂直時,缺陷漏磁場最強,即檢測靈敏度最高;

41、當兩者平行時,因為缺陷并不切割磁力線,漏磁場幾乎不存在,缺陷難以檢出。實際應用中,盡可能選抒與缺陷面垂直的磁化場(最少不低于45。),以確保達到理想的檢測效果。根據(jù)在工件中磁場方向的不同,通常分為周向磁化、縱向磁化和復合磁化： (1)周向磁化 周向磁化是在工件件中建立一個圓周(與軸線垂直)方向的磁場,土要用于發(fā)現(xiàn)縱向(軸向)和接近縱向(夾角小于45)的缺陷。常用方法有直接通電法、中心導體法、穿電纜法和支桿法等。 (2)縱向磁化 縱向磁化是使工件得到一個與其軸線平行方向的磁化場,用于發(fā)現(xiàn)與其軸線垂直的橫向(或周向)和接近橫向(夾角小于45。)的缺陷。常用方法有線圈法、磁扼法和感應電流法等

42、。 磁扼法是利用電磁扼與工件形成閉合磁路,從而使工件縱向磁化的方法。使用磁扼法應注意使工件與磁規(guī)有良好的接觸。接觸面的氣隙增大,對工件表面磁場強度的損失較為嚴重,同時在接觸部位產(chǎn)生很強的漏磁場。當氣隙為3mm時,干擾區(qū)域達到15mm。在實際應用中,磁轆間距通常取在75~200mm的范圍。 (3)復合磁化 復合磁化是用多個磁場同時對工件進行多方向磁化。因為磁化時不是單向磁化,其合成磁場的方向、幅值都可能隨時發(fā)生變化。另外磁化中各磁場的強度、相位對合成磁場強度、方向的影響還需要驗證。 根據(jù)磁化時所用的激勵又可分為交流磁化和直流磁化永磁鐵磁化： （1）交流磁化 直流磁化是通以直流電，交流

43、磁化就是通交流電，交流磁化與直流磁化相比不同之處就是，交流磁化存在趨膚效應，只能檢測管道的表面和近表面缺陷，還有就是信號成分也比較復雜。采用永磁體和直流勵磁兩種勵磁方式對課題進行研究，而直流勵磁采用的是穿過式線圈的方式對管道進行勵磁。 （2）直流磁化 目前我們多數(shù)使用的漏磁檢測裝置都是采用永磁鐵作為勵磁源，而采用線圈勵磁的直流漏磁檢測方法則成為現(xiàn)場檢測中的一種新方法。直流線圈勵磁管道漏磁檢測方法是電磁無損檢測方法中的一種。線圈法是利用電源給定直流產(chǎn)生的外加磁場使鐵磁性材料被磁化，當被測元件磁化到飽和或者過飽和狀態(tài)時，表面會有漏磁場產(chǎn)生，通過測量漏磁場的變化來反應被測元件的情況。對于不同的管

44、道采用不同線徑、匝數(shù)的線圈激勵，直流線圈激勵的漏磁檢測方法易于改變磁化能力，且能滿足不同尺寸工件檢測的需要 （2）永磁鐵磁化 如圖所示。永磁鐵磁化裝置一般由永磁鐵，軛鐵，檢測探頭組成，其檢測原理與直流勵磁相似，通過永磁鐵對管道進行勵磁，若被測材料存在缺陷，則磁力線會在缺陷區(qū)域發(fā)生畸變，在表面形成漏磁場，再由檢測探頭檢測漏磁信號。 圖2.7 隨著近幾年永磁材料的迅速發(fā)展,尤其是稀土永磁材料的發(fā)展,如稀土鈷永磁、鐵鉻鈷永磁、錳鋁碳永磁和銣鐵硼永磁等,可以實現(xiàn)較小的體積提供很高的勵磁強度,并且結(jié)構(gòu)簡單,使用方便。 銣鐵硼材料的土要性能參數(shù)見表，鑒于銣鐵硼材料有如此高的性能參數(shù),所以選

45、擇了永久材料勵磁,已能夠滿足設計要求,還能實現(xiàn)裝置的小型化,攜帶方便。 圖2.8 2.3.4磁化強度的選擇 漏磁檢測的前提是對被測試件進行磁化，當鐵磁性材料試件被磁化至飽和或接近飽和的條件下，檢測傳感器才能有效捕捉材料缺陷處的漏磁通并進行后續(xù)信號分析工作。所以對漏磁檢測裝置中的磁化裝置所提供的磁場強度要求較為嚴格，磁場強度過大導致材料本身在漏磁檢測后形成剩磁，對管道壽命有影響，磁場強度過小無法采集到缺陷漏磁場信號，對管道檢測過程存在嚴重影響，材料的磁導率與磁場的磁場強度有關(guān)，如圖 2.9 所示。 圖2-9 鐵磁性材料的相對磁導率參數(shù)與磁化場的磁場特性有關(guān)，當材料

46、所受磁場強度逐漸增大時，相對磁導率以非線性特性進行數(shù)值變化，在材料被磁化的過程中，勵磁源的磁場強度需要根據(jù)不同時間材料特性進行磁場強度設定，以找到最佳磁化點，相對磁導率與磁場強度的關(guān)系曲線如上圖所示。當勵磁源提供的磁場強度在該曲線上升區(qū)范圍內(nèi)，即 ab 段，當材料存在缺陷時，其缺陷處材料內(nèi)部磁感應強度上升，相對磁導率上升，無法準確對缺陷漏磁場進行信號采集。若選擇下降段，即 c 點以后的工作區(qū)域，材料缺陷處內(nèi)部磁場強度的升高導致相對磁導率下降，有利于信號的采集。在實際檢測過程中，首先利用材料試樣進行外部磁場強度的設定 第三章 磁路的設計 永磁材料主要用來提供一個無源的恒定或可變的磁場。無

47、源恒定磁場相當于靜態(tài)磁路,可變磁場相當于動態(tài)磁路.為了發(fā)揮材料的性能,除了工作點要選在最大磁能點附近或最大有用恢復能點附近外,還要合理地選擇磁路。勵磁磁路的關(guān)鍵是勵磁源,它直接影響漏磁場強度、勵磁穩(wěn)定性及探傷裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。為了盡量提高勵磁源的磁性能,磁路結(jié)構(gòu)的設計與永磁體性能的關(guān)系很重要。如果磁路結(jié)構(gòu)選擇不當,則會妨礙永磁材料性能的利用。反過來盡管磁路結(jié)構(gòu)設計合理,而永磁材料選擇不當,也仍達不到最佳設計效果。磁磁路主要由磁源、導磁連接體（銜鐵）、氣隙、被測構(gòu)件等組成。在磁路中，起決定性影響的結(jié)構(gòu)尺寸有導磁連接體與被測構(gòu)件間的氣隙δ和兩導磁連接體間的間距。磁路分析表明，δ決定了包括構(gòu)件的主磁路

48、中的磁阻大小，影響著磁源的工作點；LM決定了兩導磁連接體間的磁場分布特性。另外，磁源的大小也影響了整體結(jié)構(gòu)尺寸的大小，而磁源的大小確決于將被測油管磁化至飽和或近飽和狀態(tài)下所需要的磁感應強度 磁性材料的性能是不容易改變的,磁性材料的一經(jīng)過選定以后,性能就已確定,在設計時往往以利用材料的性能為土。一般來說,對剩磁高、矯頑力相對小的永磁材料(單位磁導為20左右)以采用細長磁體的磁路結(jié)構(gòu)為宜;對剩磁低、矯頑力相對高的永磁材料(單位磁導為2~3),以采用短粗磁體的磁路結(jié)構(gòu)為宜。 3.1漏磁檢測對磁路設計的要求 對管道漏磁檢測磁路進行設計時首先要確定磁路的大體結(jié)構(gòu)、各部分材料，類型及其大致尺寸，然

49、后將計算的空間磁通分布與實際要求相對比，若兩者相差較遠，則需要對設定的尺寸或材料進行重新選取，直到基本滿足實際要求為止。本文中使用的永磁鐵磁路由空氣隙、永磁鐵、鋼刷、銜鐵組成，在對磁路進行設計時應滿足以下個基本要求： （1）設計的磁路產(chǎn)生的磁場強度可以使被測管道的磁化強度達到飽和磁化或近飽和磁化狀態(tài)； （2）設計磁路產(chǎn)生的磁場在被測管道軸向方向應具有較好的均勻性和穩(wěn)定性； （3）所設計的磁路裝置盡量簡單、輕便。 3.2磁路設計方案 3.2.1明確檢測對象 Q235鋼油管，外徑D=110mm；內(nèi)徑d=100mm；壁厚h=10mm；截面積Az。 Az=π(D2-d2)4=3.141

50、5926(112-102)410-4=16.48510-4m2 （3-1） 3.2.2磁路的計算 麥克斯韋方程組：麥克斯韋方程組總結(jié)了所有電磁物理現(xiàn)象，為整體電磁場的理論基礎，該方程組主要包括安培環(huán)路定理、法拉第電磁感應定律以及電與磁的高斯定理。式 3.2 為安培環(huán)路定理表達式，該式表示傳導電流產(chǎn)生磁場的原因，且磁場為旋磁場： ∮ H?dl=∑ I (3-2) 在持續(xù)、穩(wěn)定存在的電場中，可利用上式表示該場的電生磁的關(guān)系。而在不穩(wěn)定電場中，如對電路中部分元件進行充放電，此時電路中電流并

51、不是持續(xù)存在的，安培環(huán)路定理在此情況下無法表示該情況。麥克斯韋在此技術(shù)上繼續(xù)研究非穩(wěn)態(tài)電場，為了使安培環(huán)路定理應用在所有條件下，提出了“位移電流”的假設，假定“位移電流”與穩(wěn)定電場相同均能產(chǎn)生磁信號，即將安培環(huán)路定理應用到各種條件下，式 3.2 等效為： ∮H?dl=I+∫?D?t?ds （3-3） 式中I0為傳導電流；∫?D?t?ds=??t∫D?ds為電位移通量對時間的變化率，稱為“位移電流”。 安培環(huán)路定理中該假定電流表達了變化的電場產(chǎn)生渦流磁場的原因，同時提出了渦旋電場的概念。根據(jù)“渦旋電場”的概念，麥克斯韋把法拉第電

52、磁感應定律的內(nèi)容繼續(xù)補充，并應用到非穩(wěn)恒條件下。其公式可表示為： ∮E?dl=-∫?B?t?ds （3-4） 對于電的高斯定理： ∮D?ds=q0 （3-5） 和磁的高斯定律： ∮B?ds=0

53、 （3-6） 與安培環(huán)路定理的“位移電流”假說思想相同，可將兩者高斯定理推廣應在在各種場合，包括非穩(wěn)恒電場。即可得到在任意條件下電磁場的表達式： ∮H?dl=I+∫?D?t?ds （3-7） ∮E?dl=-∫?B?t?ds （3-8） ∮D?ds=q0

54、 （3-9） ∮B?ds=0 （3-10） 式 3-7至式3-10 為麥克斯韋方程組的積分形式。利用電磁積分形勢的麥克斯韋方程組進行求解需要加入介質(zhì)特性，在介質(zhì)中，上述方程還不完備，需要再補充三個描述介質(zhì)的方程式，對于均勻介質(zhì)來說添加條件為： D=εE=εrε0E

55、 (3-11) B=μH=μrμ0H (3-12) J=σE (3-13) 式 3-7 至 3-13 總結(jié)了在任意條件下電磁場的特性。其中，式（3-7）表示變化的電場和傳導電流可以產(chǎn)生磁場；式（3-8）表示了不穩(wěn)定磁場，即時刻變化的磁場能夠產(chǎn)生電場；式（3-9）表示電場是有源場，為電荷經(jīng)過聚集產(chǎn)生；式（3-10）表示磁場無源

56、，即磁場不同于電場由電荷聚集生成，磁場不是由磁荷產(chǎn)生；式 3-11 至 3-13 三個描述介質(zhì)的方程表示電磁場與該場中不同材料特性的關(guān)系。利用該方程組可以計算在任意條件下，存在不同材料特性情況下電場場的宏觀問題。如果寫出麥克斯韋電磁方程組的微分形式，則為： ?H=J+?D?t (3-14) ?E=-?B?t (3-15)

57、 ?D=ρ (3-16) ?B=0 (3-17) 式中，J 為傳導電流密度，?D?t為位移電流密度, ρ為自由電荷體密度。在計算宏觀電磁場問題時，利用麥克斯韋方程組進行求解計算，即式（3.14）至式（3-17）。 3.3 勵磁源永磁鐵幾何尺寸對磁化效果的影響 永磁鐵在作為勵磁源時，永磁鐵的工作狀態(tài)與試件的勵磁效果有直接關(guān)系。建立以永磁鐵作為勵磁源的最簡磁回路數(shù)學模型，以分析在最簡磁回路

58、中，空氣中某一點的磁感應強度與永磁鐵的關(guān)系，最終找到一個合適的永磁鐵的工作狀態(tài)使其勵磁效果達到檢測要求。永磁鐵對勵磁效果的影響主要有兩個方面，一個是永磁鐵的幾何尺寸，另一個是永磁鐵的工作點。利用永磁勵磁形成一個閉合的磁回路，可以直觀地分析永磁體在改變幾何參數(shù)時對磁回路的影響，尤其是對磁回路中氣隙部分磁感應強度的影響。建立最簡單磁回路模型如圖 3.3 所示，包括永磁體部分（左 N 右 S 級），軛鐵部分，氣隙部分，鋼板部分。該磁回路的方向如圖磁力線箭頭所示。 圖3.1 BmSm=?BmSδ

59、 (3-18) HmLm=2fHδLδ (3-19) Bδ=u0Hδ (3-20) ?=∑G/Gδ ，1

60、 (3-21) F=∑R/Rδ ，1.1

61、 BmHm=μ0?SδLm2fLδSm （3-23） 式（3-21）（3-22）中可以看出，勵磁源永磁體的（BmHm）以及結(jié)構(gòu)尺寸（SmLm）均決定了空氣氣隙中某一點的磁通密度Bδ。為了達到最佳的永磁體工作點，使鐵磁性材料缺陷處的漏磁信號最有代表性，應使勵磁源永磁鐵的 BH 乘積工作在最大磁能積位置，即（BmHm ）max。式（3-23）可以看出： （1）勵磁源的幾何參數(shù)不變，勵磁源永磁體工作狀態(tài) BH 決定磁路氣隙處的磁通密度模。 （2）勵磁源永磁體工作狀態(tài)不變，結(jié)構(gòu)參數(shù)SmLm 增加，磁路模型氣隙中的磁感應強度（磁

62、通密度模）增大。 通過建立以永磁鐵為勵磁源的最簡磁回路數(shù)學模型，在保證永磁體工作點不變的情況下，分析永磁體幾何尺寸對試件勵磁效果的影響，為設計合理勵磁源的幾何尺寸建立理論基礎。 在管道漏磁內(nèi)檢測器工作的過程中，需要利用輸送資源在檢測器皮碗前后產(chǎn)生的壓差推動檢測器在管道內(nèi)進行移動，移動的速度不宜過快或過慢，過快移動會使磁化裝置對鐵磁性材料的局部磁化效果達不到檢測要求，即磁飽和或接近磁飽和，并且在局部磁化區(qū)域產(chǎn)生渦流效應，使漏磁信號幅值降低；過慢移動不僅增加檢測成本，而且增大檢測時間，降低效率。 3.4定義材料屬性 本論文需要定義的材料屬性：被測管道，永磁鐵，銜鐵以及空氣和剛刷。

63、本課題被測管逬為Q235鋼，直徑為220mm，壁厚為10mm，Q235鋼因其具有良好的力學性能和工藝性能而廣泛于石油長輸管道工程中。永磁鐵和銜鐵采用剩磁和大磁能積都最高的銣鐵硼（NdFeB）永磁鐵；鋼刷選塑性韌性較高、導磁性較好、相對柔軟的10#鋼，銜鐵兩端永磁鐵的磁場沿管道徑向，且方向相反，使磁力線在管壁、空氣隙、鋼刷、永磁鐵、銜鐵之間形成閉合回路，管壁內(nèi)磁力線的方向與管道軸向平行。 空氣只需要定義其相對磁導率，設置為1.0，銣鐵硼（永磁鐵的磁特性通過磁矯頑力及磁化曲線定義，定義其矯頑力為896000A/m），磁化曲線由參考文獻給出，被測管道、鋼刷以及銜鐵的磁特性線曲線都可通過《常鋼材磁特

64、性曲線速查手冊》獲得。 Q235鋼的B-H曲線 永磁鐵的B-H曲線 剛刷的B-H曲線 永磁鐵（NdFeB）的B-H值 插值點 H(A/m) B（T） 插值點 H(A/m) B（T） 1 0 0 13 518518 0.74 2 70070 0.10 14 560560 0.80 3

65、 133133 0.19 15 616616 0.88 4 140140 0.20 16 630630 0.90 5 210210 0.30 17 700700 1.00 6 252252 0.36 18 714714 1.02 7 280280 0.40 19 770770 1.10 8 336336 0.48 20 812812 1.16 9 350350 0.50 21 840840 1.20 10 420420 0.60 22 896896 1.28 11 434434 0.62 23

66、 910910 1.30 12 490490 0.7 24 995000 1.42 Q235鋼的B-H值 插值點 H(A/m) B（T） 插值點 H(A/m) B（T） 1 0 0 10 7000 1.77 2 500 0.39 11 8000 1.80 3 1000 0.82 12 9000 1.83 4 2000 1.30 13 10000 1.84 5 2500 1.44 14 15000 1.95 6 3000 1.51 15 20000 2.01 7 4000 1.61 16 24000 2.05 8 5000 1.69 17 30000 2.08 9 6000 1.73 18 35000 2.10 10#鋼的B-H值 插值點 H(A/m) B（T