漏磁探傷原理

漏磁探傷原理第一節(jié)磁學基礎知識一、磁現(xiàn)象和磁場載流導體的周圍存在著磁場，磁化后的物體如磁鐵棒的周圍也存在著磁場，雖然磁鐵棒磁場和載流導體周圍磁場的產(chǎn)生不一樣，但都認為磁場是由電流產(chǎn)生的。在歷史上很長一段時間里，磁學和電學的研究一直彼此獨立地發(fā)展著。人們曾認為磁與電是兩類截然分開的現(xiàn)象，直至19世紀，一系列重要的發(fā)現(xiàn)才打破了這個界限，使人們開始認識到電與磁之間有著不可分割的聯(lián)系。一個電子圍繞原子核在軌道上旋轉，形成一個微小的電流環(huán)。由于電流環(huán)的存在，就有磁場。而所有物質的原子周圍都有電子旋轉，所以我們可以想象所有的物質都有磁效應。這種效應對大多數(shù)物質是很微弱的，但有一些物質，包括鐵、鎳、鈷等，具有很強的磁效應。電子除沿軌道的運動外，還存在本省的自轉，這兩種運動都能產(chǎn)生磁效應，而電子自轉的效應是主要的。這種電子或電荷的運動相當一個非常小的電流環(huán)，這個小電流環(huán)在效果上就是一個微小的磁鐵。顯然每一個原子電流環(huán)的磁矩都很小，但是一根磁鐵棒里的億萬個原子電流環(huán)所呈現(xiàn)的總效應就能在磁鐵棒的周圍形成一個強大的磁場。所有磁化物體都有一個北極（N極）和一個南極（S極），它們不能獨立地存在。磁極不能孤立存在，而電荷卻可以。這是磁場和電場的重要區(qū)別之一。二、相對磁導率和磁性物質磁導率標示材料被磁化的難易程度，它的符號口表示，單位為H/m。為了比較各種材料的導磁能力，把任何一種材料的磁導率與真空磁導率的比值，叫做這種材料的相對磁導率，用比表示。按照物質的磁性質，一般材料可分為抗磁性、順磁性和鐵磁性三類。（1） 抗磁性物質：置于磁場中，其內部的磁感應強度將減小，相對于磁導率片略小于1。銅、鉛等為抗磁性物質。（2） 順磁性物質：置于磁場中，其內部的磁感應強度將增加，相對磁導率比略大于1。鋁、錳等為順磁性物質。（3） 抗磁性物質：置于磁場中，其內部的磁感應強度急劇增加，相對磁導率口r》1,可達幾千甚至幾十萬。鐵、鎳、鉆及它們與其他金屬元素組成的合金為鐵磁性物質。三、磁學基本物理量磁感應強度B磁感應強度又稱磁通密度，表示磁場內某點性質的基本物理量。其方向與該點的磁感應線方向一致，大小用通過垂直于磁場方向的單位截面積上的磁感應線數(shù)目來表示。國際單位制中，磁感應強度單位是特斯拉（T）。1T=1Wb/m2磁通量①磁通量表示在磁場中穿過某一截面積A的磁感應線數(shù)。在均勻磁場中，由于各點B的大小與方向相同，如取截面A與磁場方向垂直，則①=B?A。國際單位制中，磁通量的單位為韋伯（Wb）。磁場強度H因為磁感應強度B與磁場內的介質有關，為了排除磁介質的影響，引入磁場強度矢量H,它的大小僅與產(chǎn)生該磁場的電流大小及載流導體的分布形狀有關。磁場強度H和磁感應強度B有如下關系：H=B/口。在國際單位制中，磁場強度的單位為A/m。四、磁化與磁化曲線磁化通常在未磁化的鐵磁性物質中，電子自旋磁矩可以在小范圍內“自發(fā)地”排列起來，形成約為10-9m3的自發(fā)磁化區(qū)，在區(qū)域稱之為磁疇。無外磁化場作用時，磁疇呈無規(guī)則的排列，所以在宏觀上不顯示磁性。在施加外磁場后，在磁化場力矩作用下，各磁疇在一定程度上沿著磁場方向排列起來，這種過程稱為鐵磁性物質的磁化。b.有外磁化場作用的磁疇分布磁化曲線鐵磁性材料的磁化特性通常用磁化曲線（B—H曲線）來表征，它反映了材料磁化程度隨外磁場變化的規(guī)律以及鐵磁性材料所具有的高磁導率、磁飽和性和磁滯性。起始磁化曲線和磁滯回線圖中，Oab為曲線為起始磁化曲線。在施加外磁場H之前，材料是沒有磁化過的，外磁場H=0,B=0。當H增大時，B起先增大得快，然后較慢，到后來變成幾乎不增加了，這一狀態(tài)叫做磁飽和，飽和點b處的B值叫做飽和磁感應強度Bm。由b點處減小外磁場時，材料中的磁感應強度不沿原來ba0下降變化，而沿bc變化。即使外磁場為零，仍剩余一個0c的磁感應強度，這個磁感應強度叫做剩磁Br。當反方向增加磁場時，磁感應強度沿cd變化，至H值為0d時，B值為零，這時的磁場強度稱為矯頑力Hc。進一步反向增大磁場，沿de變化，磁感應強度在負方向飽和。如果這時沿反方向減小磁場，磁感應強度的曲線就沿ef變化。當進一步沿正向增大磁場時，便出現(xiàn)館b，這個封閉的曲線bcdefgb不管以后進行多少次反復都不會發(fā)生變化。可以看出，B的變化總是落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯，因此該曲線也稱作磁滯回線。五、鐵磁材料的磁性分類鐵磁性材料品種繁多，磁性各異。按照材料的磁性，大致可分為硬磁材料、軟磁材料和介于二者之間的常用鋼鐵材料。硬磁材料硬磁材料的特點是磁滯回線較寬，具有較大的矯頑力和磁能積，剩磁也較大，磁滯現(xiàn)象比較顯著。若將硬磁材料放在外加磁場中充磁后取出，它能保留較強的磁性，而且不易消除。因此常用它制造永久磁鐵。最早的硬磁材料為淬火后的高碳鋼，或加有鎢、鉻等元素的碳鋼。軟磁材料軟磁材料的磁滯回線狹窄，具有較小的矯頑力，磁導率高，剩磁也較小，故其磁滯現(xiàn)象不很顯著。常用的軟磁材料有電工純鐵、坡莫合金等。常用鋼鐵材料工業(yè)上常用的鋼鐵材料范圍很廣，它們的磁性差別很大，有的接近于硬磁材料，而有的又相似于軟磁材料。然后更多的是介于軟硬磁材料之間，既半硬磁狀態(tài)。根據(jù)工業(yè)上常用鋼材的成分狀態(tài)所引起的磁特性參數(shù)變化的規(guī)律，大致可分為四類：第一類，磁性較軟。它們包括供貨狀態(tài)下含碳低于0.4%的碳素鋼，含碳低于0.3%的低合金鋼，以及退火狀態(tài)下的高碳鋼。這類鋼磁導率高，矯頑力低，剩磁較小，容易被磁化，剩磁也不大。第二類，磁性中軟，它們包括供貨狀態(tài)下含碳大于0.4%的碳素鋼及同種狀態(tài)下的低中合金鋼、工具鋼及部分高合金鋼，同時還包括此類鋼在淬火后進行450度以上回火溫度者。這類鋼較第一類磁導率有所下降，矯頑力有所提高，磁性有所降低。但總的還是容易被磁化，剩磁也不大。第三類，磁性中硬。此類材料包括淬火后并進行300~400度回火的中碳鋼、低中合金鋼、高合金工具鋼的供貨狀態(tài)，半馬氏體和馬氏體鋼的正火和正火加高高溫回火狀態(tài)，以及大部分冷拉材料。它們的磁性較前兩類為“硬”，磁化有所困難，剩磁也較高。第四類，磁性較硬。包括合金鋼淬火后回火溫度低于300度的材料，以及工具鋼馬氏體不銹鋼熱處理后硬度較大的材料。這類鋼由于磁性較硬，磁化困難，需要較大的外加磁場進行磁化。同時，此類材料剩磁也較大，退磁比較困難。第二節(jié)漏磁檢測一、漏磁檢測發(fā)展國外對漏磁探傷的理論研究較早，1933年Zschlug初次提出用磁粉顯示磁化剛體上由缺陷產(chǎn)生的漏磁場這種測定方法以來，有70年的歷史。但是直到1947年Hastings設計了一套漏磁檢測系統(tǒng)后，漏磁檢測才得到了普遍承認。1965年，日本株式會社和住友金屬株式會社設計出記錄式磁探傷機械裝置。對于缺陷漏磁場的計算始于1966年，Sheherb-inin和Zatsepin提出了磁偶極子法，對磁場與缺陷的相互作用理論發(fā)展起到了推動作用。該理論指出:鐵磁材料磁化時，缺陷周圍產(chǎn)生漏磁場，可以把缺陷兩側表面看作兩個磁極,用等效的磁偶極子來模擬，而各種表面缺陷可用三種磁偶極子模型來模擬，并做了實驗驗證。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。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。并且分析了矩形槽深度、寬度、角度對漏磁場的影響。有限元方法是從麥克斯韋方程組出發(fā)，列出任一點磁矢方程，然后使用有限元分析技術，求出漏磁場的分布。Atherton把管壁坑狀缺陷漏磁場的計算和實驗測量結果聯(lián)系起來，得到了較為一致的結論1986年，Edwards和Palae在漏磁場的計算方面，把解析法向前推進了一步，對無限長表面開口裂紋進行了分析，得出了二維表達式；并且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。從他們的表達式中，也從側面驗證了Hwang、Lord的有限元計算的正確性。在技術應用方面，美國、英國、德國、日本等國家處于領先地位，漏磁最早是應用到管道的缺陷檢測上的。Zuschlug于1933年首先提出應用磁敏傳感器量漏磁場的思想，但直至1947年Hastings設計了第一套漏磁檢測系統(tǒng)，漏磁檢測才開始受到普遍的承認。20世紀50年代，西德Forster（霍斯特公司）研制出產(chǎn)品化的漏磁探傷裝置。1965年，美國TubecopeVetco國際公司采用漏磁檢測裝置Linafog首次進行了管內檢測,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。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600mm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。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，即使在惡劣的施工環(huán)境中也可以提供可靠，準確的測量結果。二、漏磁檢測原理及其特點漏磁法檢測從磁粉檢測中演變而來的，是建立在鐵磁材料的高磁導率這一特性之上。其基本原理是：被測材料在外加磁場作用下被磁化，當材料中無缺陷時，磁力線絕大部分通過被測材料，磁力線均勻分布，無磁力線穿出或進入被測材料表面；當材料內部有缺陷時，缺陷切割磁力線，由于缺陷的磁導率小，磁阻很大，使磁力線在被測材料中改變路徑。大部分改變路徑的磁通將優(yōu)先從磁阻較小的缺陷底部的被測材料中通過，使這部分被測材料趨于飽和，不能接受更多的磁力線。此時，有一部分磁力線就會泄漏出材料表面，當越過缺陷后進入被測材料中，因而形成缺陷漏磁場。用磁敏元件檢測被磁化材料表面逸出的漏磁場，就可判斷缺陷是否存在。同樣尺寸的缺陷，位于表面上和表面下形成的漏磁場不同：表面上缺陷產(chǎn)生的漏磁場大；缺陷在表面下時，形成的漏磁場將顯著變小。b.管體有缺陷時鋼管中的磁場漏磁檢測法的主要特點：（I）對各種損傷均具有較高的檢測速度；（2）對鐵磁性材料表面、近表面、內部裂紋以及銹蝕等均可獲得滿意的檢測效果；（3）探頭裝置結構簡單、易于實現(xiàn)、成本低且操作簡單；（4）由于磁性的變化易于非接觸測量和實現(xiàn)在線實時檢測,磁場信號不受被測材料表面污染狀態(tài)的影響，進行檢測時被測材料表面就不需清洗，因此將大大提高檢測的效率，減小工作量；（5）可以實現(xiàn)全自動化檢測，非常適合在流水線上進行質量檢測和生產(chǎn)過程控制。三、影響漏磁場的因素真實的缺陷具有比模擬缺陷復雜得多的幾何形狀，況且它們千差萬別地存在于不同的工件中，要計算其漏磁場是很難的。在檢測中，要使它們的漏磁場達到足以形成明確顯示的程度是很有意義的，這里，必須考慮影響缺陷漏磁場強弱的各種因素。影響缺陷翻磁場的因素主要來自列三個方面。磁化場對漏磁場的影響（1） 當磁化程度較低時，漏磁場偏小，且增加緩慢；（2） 當磁感應強度達到飽和值的80%左右時，漏磁場不僅幅值較大，而且隨著磁化場的增加會迅速增大；（3） 漏磁場及其分量與鋼管表面的磁感應強度大小成正比；（4） 漏磁場及其分量與磁化場方向和缺陷側壁外法向矢量之間的夾角余弦成正比。缺陷方向、大小和位置對漏磁場的影響（1） 缺陷與磁化場方向垂直時，漏磁場最強；（2） 缺陷與磁化場方向平行時，漏磁場兒乎為零；（3） 缺陷在工件表面的漏磁場最人，隨著離開表面中心水平距離的增加漏磁場迅速減?。唬?） 缺陷深度較小時，隨著深度的增加漏磁場增加較快，當深度增大到一定值后漏磁場增加緩慢；（5） 缺陷信號的幅值與缺陷寬度對應，缺陷長度對漏磁信號幾乎沒有影響；（6） 缺陷寬度相同時，隨深度的增加，漏磁場隨之增大。工件材質及工況對漏磁場的影響鋼材的磁特性是隨其合金成分（尤其是含碳量）、熱處理狀態(tài)而變化的，相同的磁化強度、相同的缺陷對不同的磁性材料，缺陷漏磁場不一樣，土要表現(xiàn)為以下二點：I *■八\\?（1）對于幾何形狀不同的被測物體，如果表面的磁性場相同而被測物體磁性不同，則缺陷處的漏磁場不同，磁導率低的材料漏磁場??；（2）被測材料相同，如果熱處理狀態(tài)不同，則磁導率不一樣，缺陷處的漏磁場也不同；（3）當工件表面有覆蓋層（涂層、鍍層）時，隨著覆蓋層厚度的增加，漏磁場將減弱。四、影響漏磁檢測信號的因素在進行漏磁檢測時，影響信噪比與下列因素有關：第一個是磁路設計必須能使被測材料得到近飽和磁化。以便增大漏磁，提高信噪比。由于漏磁量隨提離值（探頭和測試表面之間的距離）增大迅速下降，所以支架的設計必須使探頭在被掃查物體表面上掃查時提離值保持恒定，一般小于2毫米。磁化方式常選用直流電磁化，其好處是磁化強度可以根據(jù)材料的厚度以及不同的提離值來進行調整。第二個是傳感器類型的選擇和布局。通常使用的傳感器有兩種：一類是線圈（coil）感應器，線圈感應器通過切割磁力線來產(chǎn)生信號電壓，它是漏磁場磁場強度和探頭掃描的速度以及線圈匝數(shù)的函數(shù)。因此線圈感應器對掃描速度敏