化工過程機械前沿技術 綜述

1、東北石油大學碩士文獻綜述漏磁檢測技術前沿文獻綜述1 前言漏磁檢測方法通常與渦流、微波、金屬磁記憶一起被列為電磁無損檢測方法1。該方法主要應用于諸如輸油氣管、儲油罐底板、鋼絲繩、鋼板、鋼管、鋼棒、鏈條、鋼結構件、焊縫、埋地管道等鐵磁性材料表面和近表面的腐蝕、裂紋、氣孔、凹坑、夾雜等缺陷的檢測，也可用于鐵磁性材料的測厚2。漏磁無損檢測技術在鋼鐵、石油、石化等領域應用較廣泛3。我國各工業(yè)領域對漏磁檢測技術尚處于了解、認識、引用的初級階段，在工業(yè)上實用探傷設備的開發(fā)制造還剛剛起步，而隨著質量控制技術的發(fā)展與進步我國對于漏磁探傷設備的市場需求將越來越大4。因此，縮小同國外先進的無損檢測設備制造水平的差距

2、是當前我國無損檢測業(yè)界同仁的重要而緊迫的任務5。2 漏磁檢測的原理及其特點當用磁化器磁化被測鐵磁材料時，若材料的材質是連續(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表面穿出，被檢表面沒有磁場6。但當材料中存在著切割磁力線的缺陷時，材料表面的缺陷或組織狀態(tài)變化會使磁導率發(fā)生變化，由于缺陷的磁導率很小，磁阻很大，使磁路中的磁通發(fā)生畸變，磁感應線會改變途徑，除了一部分磁通直接通過缺陷或在材料內部繞過缺陷外，還有部分的磁通會離開材料表面，通過空氣繞過缺陷再重新進入材料，在材料表面缺陷處形成漏磁場7。如果采用磁粉檢測漏磁通的方法稱為圖1漏磁檢測原理示意圖磁粉

3、檢測法，而采用磁敏傳感器檢測則稱為漏磁檢測法。如圖1所示8。采用漏磁探傷的過程是；首先對被檢鐵磁性材料進行磁化；然后測量其漏磁場信號，通過分析判斷，給出檢測結果；最后根據(jù)實際情況選擇退磁與否9。漏磁檢測只限于檢測鐵磁性材料，主要是鐵磁性材料的表面及近表面的檢測10。該方法具有探頭結構簡單、易于實現(xiàn)自動化、無污染、檢測靈敏度高、不需要藕合劑、檢測時一般不需要對表面進行清洗處理、可以實現(xiàn)缺陷的初步量化等特點11。3 漏磁檢測技術的現(xiàn)狀3.1 國外研究概況國外對漏磁檢測技術的研究很早，Zuschlug于1933年首先提出應用磁敏傳感器測量漏磁場的思想，但直至1947年Hastings設計了第一套漏磁

4、檢測系統(tǒng)，漏磁檢測才開始受到普遍的承認12。20世紀50年代,西德Forster研制出產品化的漏磁探傷裝置13。1965年，美國TubecopeVetco國際公司采用漏磁檢測裝置Linalog首次進行了管內檢測，開發(fā)了Wellcheck井口探測系統(tǒng)，能可靠地探測到管材內外徑上的腐蝕坑、橫向傷痕和其它類型的缺陷14。1973年,英國天然氣公司采用漏磁法對其所管轄的一條直徑為600 mm的天然氣管道的管壁腐蝕減薄狀況進行了在役檢測，首次引入了定量分析方法15。ICO公司的EMI漏磁探傷系統(tǒng)通過漏磁探傷部分來檢測管體的橫向和縱向缺陷，壁厚測量結合超聲技術進行，提供完整的現(xiàn)場探傷。對于缺陷漏磁場的計算

5、始于1966年，Shcherb-inin和Zatsepin兩人采用磁偶極子模型計算表面開口的無限長裂紋，前蘇聯(lián)也于同年發(fā)表了第一篇定量分析缺陷漏磁場的論文,提出用磁偶極子、無限長磁偶極線和無限長磁偶帶來模擬工件表面的點狀缺陷、淺裂紋和深裂縫16。之后，蘇、日、美、德、英等國相繼對這一領域開展研究，形成了兩大學派，主要為研究磁偶極子法和有限元法兩大學派。Shcherbinnin和Poshagin用磁偶極子模型計算了有限長表面開口裂紋的磁場分布17。1975年，Hwang和Lord采用有限元方法對漏磁場進行分析，首次把材料內部場強和磁導率與漏磁場幅值聯(lián)系起來。Atherton把管壁坑狀缺陷漏磁場的

6、計算和實驗測量結果聯(lián)系起來，得到了較為一致的結論。Edwards和Palaer推出了有限長開口裂紋的三維表達式，從中得出當材料的相對磁導率遠大于缺陷深寬比時，漏磁場強度與缺陷深度呈近似線性關系的結論。3.2 國內研究現(xiàn)狀我國從90年代初對漏磁檢測技術進行了研究，于2002年研制出管道和鋼板腐蝕漏磁檢測儀，其總體技術水平落后于歐美等發(fā)達國家18。近年來,在國內無損檢測工作者的共同努力下，目前已有許多的高校和研究單位在這方面取得了可喜的成果，逐步縮小了與國際水平的差距。國內研究漏磁檢測技術的高校主要有清華大學、華中科技大學、上海交通大學、沈陽工業(yè)大學等19。其中華中科技大學的楊叔子、康宜華、武新軍

7、等，在儲罐底板漏磁檢測研究和管道漏磁無損檢測傳感器的研制、鋼絲繩的漏磁檢測等方面進行了大量的實驗研究工作，利用ANSYS軟件分析了傳感器勵磁裝置的參數(shù)對鋼板局部磁化的影響，設計了相應的漏磁檢測傳感器等；清華大學的李路明、黃松齡等研究了管道的漏磁探傷，鐵鑄件的漏磁探傷方法，采用有限元分析法研究永磁體幾何參數(shù)對管道磁化效果的影響，分析漏磁探傷中各種量之間的數(shù)值關系，如表面裂紋寬度對漏磁場Y分量影響的問題；交直流磁化問題，針對漏磁檢測交流磁化的磁化電流頻率選擇問題，分析了磁化頻率的選取原則等等20；沈陽工業(yè)大學的楊理踐等，研究了基于單片機控制系統(tǒng)的管道漏磁在線檢測系統(tǒng)，分析了小波包在管道漏磁信號分析

8、中的應用，通過時域分析理論對管道漏磁信號進行處理；合肥工業(yè)大學的何輔云對漏磁探傷采用多路缺陷信號的滑環(huán)傳送方法并研制了在役管線漏磁無損檢測設備21；上海交通大學的闕沛文、金建華等對海底管道缺陷漏磁檢測進行研究，通過小波分析對漏磁檢測信號進行去噪實驗，同時將巨磁阻傳感器應用于漏磁檢測系統(tǒng)，研制了適用于輸油、輸氣管道專用漏磁檢測傳感器22；中原油田鉆井機械儀器研究所開發(fā)出了抽油桿井口漏磁無損檢測裝置；軍械工程學院研制的智能漏磁裂紋檢測儀,能對鋼質構件的表面和內部的裂紋進行定量檢測；中國科學院金屬研究所的蔡桂喜對磁粉和漏磁探傷對裂傷缺陷檢出能力進行了研究,用環(huán)電流模型計算了各種矩形槽形狀人工及自然缺

9、陷產生的漏磁場，提出磁粉和漏磁兩種方法不適合開裂縫隙很窄的疲勞裂紋的檢測的結論。愛德森公司采用多信息融合技術研制成集渦流、漏磁、磁記憶、低頻電磁場于一體的便攜式檢測儀器,該儀器能同時獲取多種檢測信號,適用于流動現(xiàn)場的檢測23。4 漏磁檢測領域的最新進展4.1 利用局部磁滯回線特性的無損檢測新方法鐵磁材料除了具有高的磁導率外，另一重要的磁性特點就是“磁滯”。利用鐵磁材料的高磁導率特性，人們發(fā)明了漏磁檢測技術。而對于鐵磁材料的磁滯特性，在無損檢測領域進行的研究尚比較鮮見。廈門大學機電工程系、測試控制技術研究所的吳德會，李雪松定義了“局部磁滯回線”的概念，利用材料的磁滯特性來反映鐵磁性材料動態(tài)磁導率

10、的變化。新方法先通過直流/永磁磁場對鋼板進行淺度的偏置磁化，鋼板內部（甚至背面）的缺陷將改變其磁通分布，并進而影響材料內表面的動態(tài)磁導率分布24；再利用變勵磁的磁滯回線特性發(fā)現(xiàn)鋼板動態(tài)磁導率的變化，從而達到檢測缺陷的目的。4.2 檢測器探頭耐磨層改造老探頭機構耐磨層采用殼體滑片上噴焊碳化鎢硬質涂層的形式，其優(yōu)點是制作簡單，加工成本低。存在問題：噴焊時的高溫易導致殼體滑片變形，故殼體滑片不能過薄，但過厚會加大提離值，提離值過大會使信號變弱，對管壁缺陷深度的判斷有一定影響。因此，碳化鎢涂層的噴焊厚度不能過厚，最厚只能 0.5 mm，故耐磨層的耐磨性能受到一定限制。當管道輸送的介質腐蝕性強，管道內表

11、面侵蝕嚴重時，耐磨層磨損很大，將失去對探頭殼體的保護作用，因而不能滿足檢測器長距離運行要求。2014年12月中油管道檢測技術有限責任公司的鄭宏麗、肖英杰、楊博霖、王漢國等人為了提高耐磨層的耐磨性能，用整體氧化鋯陶瓷片代替碳化鎢噴焊件25。在新探頭殼體的結構中，耐磨層是氧化鋯陶瓷片，氧化鋯陶瓷具有較高的機械強度、斷裂韌性以及良好的耐磨耐腐蝕性能，同時不會干擾電子元件對信號的采集。4.3 提高管道檢測缺陷定位的準確率2011 年到2013年 2 月，中國石化長輸油氣管道檢測有限公司缺陷定位QC小組找出缺陷定位準確率低的問題癥結，經過原因分析，采取現(xiàn)場調查、現(xiàn)場測試、調查分析確定了雷迪設備的定位模式

12、單一、管道彎頭處測量誤差大、管道直線距離定位偏差大3條主要因素。2013年9月25日，小組成員李健對雷迪設備進行調試后，確定了采用峰-谷值結合模式的操作步驟。9月27日，小組成員劉勁松采用此方法在儀長線（黃梅-大冶段）管線進行檢測定位，管線定位偏差均小于 1m。2013 年 10月 9日，小組成員湯榮和姚志軍在中洛線（滑縣段）檢測現(xiàn)場，將GPS和雷迪定位設備結合使用，經過測試，確定了對管道彎曲處的測量方法。10月10日至10月14日，在 中洛線（滑縣段）開挖過程中，采用此方法對在 52#上游 535m，54#上游744.3m等有彎頭的管段進行了測量并定位，經過開挖驗證與測量定位位置基本一致。2

13、013 年10月10至11日，由孟祥磊，尚博在中洛線（濮陽段）檢測現(xiàn)場，對管道直線定位偏差和現(xiàn)場開挖情況進行分析和總結，找出了對管道直線距離偏差的修正方法，即在檢測定位時，按“每100m縮短1m”進行測量定位，這樣便可以準確定位缺陷的位置26。對策措施實施后，小組成員在鞏固期（2013年11月至2014年1月），將優(yōu)化后的檢測缺陷定位方法在中洛線二期的管道檢測定位中進行了應用，為了檢驗是否達到了活動目標，小組成員對中洛線二期開挖點的定位情況進行了統(tǒng)計：100個開挖點中檢測缺陷點定位準確的 91個，檢測缺陷的定位準確率為91%。4.4 漏磁檢測器用于海底管道的磁化研究相關研究表明，漏磁檢測技術也

14、是海底管道檢測行之有效的方法。忽略海洋環(huán)境的影響，僅僅就管道本身而言，海底管道與陸上管道相比具有以下特點：管道壁厚相對較厚，最大壁厚等級高于陸上管道，較厚的管壁要求磁化器擁有更強的磁化能力；雙層套管，套管會影響對內管的磁化；海底管道的配重層一般為混凝土結構，內部含有鋼筋或鐵絲，對于管道漏磁檢測可能會有一定影響。對于漏磁檢測法，厚壁、雙層套管對管壁中的磁場變化影響較大。2015年2月，中油管道檢測技術有限責任公司的傅丹蓉、常連庚、邸強華、楊寒與中國石油天然氣管道局維搶修分公司的肖春輝對漏磁檢測器用于海底管道的問題進行了研究。通過Ansys有限元分析軟件分析了273、325、355 的漏磁檢測器對

15、雙層套管的磁場影響，以及813、914的漏磁檢測器對厚壁管和混凝土配重層的磁場影響。直接將273、325、355檢測器用于海洋雙層管檢測時，被測管道的管壁能夠達到漏磁檢測時的磁場要求。但是由于磁場較弱，管道小而淺的缺陷可能不易被檢測出來，缺陷特征尺寸的量化識別精度也可能受到影響。為了提高缺陷信號的量化識別，磁路部分需要適當優(yōu)化。修改方案需根據(jù)管道參數(shù)決定，如管材、管徑、常規(guī)壁厚、最大壁厚等。對于813、914漏磁檢測器，雖然混凝土配重層的鋼筋籠對管壁的磁化有一定影響，但被測管道中的磁場能夠達到漏磁檢測的要求，缺陷信號量化和識別的精度基本不受影響，能夠直接用于對應管道的檢測工作27。5 總結隨著

16、現(xiàn)代科學、社會的進步，漏磁檢測技術有著愈來愈大的發(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，給漏磁檢測技術的發(fā)展及無損檢測工作者提供了一次難得的機遇和挑戰(zhàn)28。目前，漏磁檢測技術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)代各領域技術的相互交叉融入，各種技術相互促進發(fā)展，漏磁檢測技術的應用研究也必將朝著更趨于成熟、完善的方向發(fā)展29。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)傳器的智能化、小型化；4

17、)專家系統(tǒng)的融入；5)多信息融合技術；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；10)網絡技術的融入；11)在役設備檢測信息管理跟蹤分析的研究30。參考文獻1丁戰(zhàn)武，何仁洋，劉忠. 管道漏磁檢測缺陷信號的仿真分析與量化模型J.無損檢測，2013,35(3);30-33.2姜好，張鵬，王大慶. 超聲波和漏磁無損檢測結果的對比分析M. 北京：中國安全生產科學技術，2014.10 .11. 3梁興. 鍋爐壓力容器的無損檢測技術特點分析J. 科技與企業(yè)，2014.4郭斌，王軍，毛榮，等. 在役海底管道內檢測方法分析及應用J.中國造船，2013，

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