漏磁探傷原理

漏磁探傷原理第一節(jié)磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)一、磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)載流導(dǎo)體的周圍存在著磁場(chǎng)，磁化后的物體如磁鐵棒的周圍也存在著磁場(chǎng)，雖然磁鐵棒磁場(chǎng)和載流導(dǎo)體周圍磁場(chǎng)的產(chǎn)生不一樣，但都認(rèn)為磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的。在歷史上很長(zhǎng)一段時(shí)間里，磁學(xué)和電學(xué)的研究一直彼此獨(dú)立地發(fā)展著。人們?cè)J(rèn)為磁與電是兩類截然分開(kāi)的現(xiàn)象，直至19世紀(jì)，一系列重要的發(fā)現(xiàn)才打破了這個(gè)界限，使人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到電與磁之間有著不可分割的聯(lián)系。一個(gè)電子圍繞原子核在軌道上旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)微小的電流環(huán)。由于電流環(huán)的存在，就有磁場(chǎng)。而所有物質(zhì)的原子周圍都有電子旋轉(zhuǎn)，所以我們可以想象所有的物質(zhì)都有磁效應(yīng)。這種效應(yīng)對(duì)大多數(shù)物質(zhì)是很微弱的，但有一些物質(zhì)，包括鐵、鎳、鈷等，具有很強(qiáng)的磁效應(yīng)。電子除沿軌道的運(yùn)動(dòng)外，還存在本省的自轉(zhuǎn)，這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)，而電子自轉(zhuǎn)的效應(yīng)是主要的。這種電子或電荷的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)一個(gè)非常小的電流環(huán)，這個(gè)小電流環(huán)在效果上就是一個(gè)微小的磁鐵。顯然每一個(gè)原子電流環(huán)的磁矩都很小，但是一根磁鐵棒里的億萬(wàn)個(gè)原子電流環(huán)所呈現(xiàn)的總效應(yīng)就能在磁鐵棒的周圍形成一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)。所有磁化物體都有一個(gè)北極（N極）和一個(gè)南極（S極），它們不能獨(dú)立地存在。磁極不能孤立存在，而電荷卻可以。這是磁場(chǎng)和電場(chǎng)的重要區(qū)別之一。二、相對(duì)磁導(dǎo)率和磁性物質(zhì)磁導(dǎo)率標(biāo)示材料被磁化的難易程度，它的符號(hào)口表示，單位為H/m。為了比較各種材料的導(dǎo)磁能力，把任何一種材料的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率的比值，叫做這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，用比表示。按照物質(zhì)的磁性質(zhì)，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(zhì)：置于磁場(chǎng)中，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度將減小，相對(duì)于磁導(dǎo)率片略小于1。銅、鉛等為抗磁性物質(zhì)。（2） 順磁性物質(zhì)：置于磁場(chǎng)中，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度將增加，相對(duì)磁導(dǎo)率比略大于1。鋁、錳等為順磁性物質(zhì)。（3） 抗磁性物質(zhì)：置于磁場(chǎng)中，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇增加，相對(duì)磁導(dǎo)率口r》1,可達(dá)幾千甚至幾十萬(wàn)。鐵、鎳、鉆及它們與其他金屬元素組成的合金為鐵磁性物質(zhì)。三、磁學(xué)基本物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱磁通密度，表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)性質(zhì)的基本物理量。其方向與該點(diǎn)的磁感應(yīng)線方向一致，大小用通過(guò)垂直于磁場(chǎng)方向的單位截面積上的磁感應(yīng)線數(shù)目來(lái)表示。國(guó)際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度單位是特斯拉（T）。1T=1Wb/m2磁通量①磁通量表示在磁場(chǎng)中穿過(guò)某一截面積A的磁感應(yīng)線數(shù)。在均勻磁場(chǎng)中，由于各點(diǎn)B的大小與方向相同，如取截面A與磁場(chǎng)方向垂直，則①=B?A。國(guó)際單位制中，磁通量的單位為韋伯（Wb）。磁場(chǎng)強(qiáng)度H因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)內(nèi)的介質(zhì)有關(guān)，為了排除磁介質(zhì)的影響，引入磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量H,它的大小僅與產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流大小及載流導(dǎo)體的分布形狀有關(guān)。磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有如下關(guān)系：H=B/口。在國(guó)際單位制中，磁場(chǎng)強(qiáng)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(zhì)中，電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)“自發(fā)地”排列起來(lái)，形成約為10-9m3的自發(fā)磁化區(qū)，在區(qū)域稱之為磁疇。無(wú)外磁化場(chǎng)作用時(shí)，磁疇呈無(wú)規(guī)則的排列，所以在宏觀上不顯示磁性。在施加外磁場(chǎng)后，在磁化場(chǎng)力矩作用下，各磁疇在一定程度上沿著磁場(chǎng)方向排列起來(lái)，這種過(guò)程稱為鐵磁性物質(zhì)的磁化。b.有外磁化場(chǎng)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(lái)表征，它反映了材料磁化程度隨外磁場(chǎng)變化的規(guī)律以及鐵磁性材料所具有的高磁導(dǎo)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(chǎng)H之前，材料是沒(méi)有磁化過(guò)的，外磁場(chǎng)H=0,B=0。當(dāng)H增大時(shí)，B起先增大得快，然后較慢，到后來(lái)變成幾乎不增加了，這一狀態(tài)叫做磁飽和，飽和點(diǎn)b處的B值叫做飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm。由b點(diǎn)處減小外磁場(chǎng)時(shí)，材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不沿原來(lái)ba0下降變化，而沿bc變化。即使外磁場(chǎng)為零，仍剩余一個(gè)0c的磁感應(yīng)強(qiáng)度，這個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度叫做剩磁Br。當(dāng)反方向增加磁場(chǎng)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿cd變化，至H值為0d時(shí)，B值為零，這時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力Hc。進(jìn)一步反向增大磁場(chǎng)，沿de變化，磁感應(yīng)強(qiáng)度在負(fù)方向飽和。如果這時(shí)沿反方向減小磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的曲線就沿ef變化。當(dāng)進(jìn)一步沿正向增大磁場(chǎng)時(shí)，便出現(xiàn)館b，這個(gè)封閉的曲線bcdefgb不管以后進(jìn)行多少次反復(fù)都不會(huì)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(diǎn)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(chǎng)中充磁后取出，它能保留較強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)還包括此類鋼在淬火后進(jìn)行450度以上回火溫度者。這類鋼較第一類磁導(dǎo)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(jìn)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(chǎng)進(jìn)行磁化。同時(shí)，此類材料剩磁也較大，退磁比較困難。第二節(jié)漏磁檢測(cè)一、漏磁檢測(cè)發(fā)展國(guó)外對(duì)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(chǎng)這種測(cè)定方法以來(lái)，有70年的歷史。但是直到1947年Hastings設(shè)計(jì)了一套漏磁檢測(cè)系統(tǒng)后，漏磁檢測(cè)才得到了普遍承認(rèn)。1965年，日本株式會(huì)社和住友金屬株式會(huì)社設(shè)計(jì)出記錄式磁探傷機(jī)械裝置。對(duì)于缺陷漏磁場(chǎng)的計(jì)算始于1966年，Sheherb-inin和Zatsepin提出了磁偶極子法，對(duì)磁場(chǎng)與缺陷的相互作用理論發(fā)展起到了推動(dòng)作用。該理論指出:鐵磁材料磁化時(shí)，缺陷周圍產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，可以把缺陷兩側(cè)表面看作兩個(gè)磁極,用等效的磁偶極子來(lái)模擬，而各種表面缺陷可用三種磁偶極子模型來(lái)模擬，并做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。之后，蘇、日、美、德、英等國(guó)相繼對(duì)這一領(lǐng)域開(kāi)展研究，形成了兩大學(xué)派，主要為研究磁偶極子法和有限元法兩大學(xué)派。Shcherbinnin和Poshagin用磁偶極子模型計(jì)算了有限長(zhǎng)表面開(kāi)口裂紋的磁場(chǎng)分布。1975年，Hwang和Lord采用有限元方法對(duì)漏磁場(chǎng)進(jìn)行分析，首次把材料內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)和磁導(dǎo)率與漏磁場(chǎng)幅值聯(lián)系起來(lái)。并且分析了矩形槽深度、寬度、角度對(duì)漏磁場(chǎng)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(diǎn)磁矢方程，然后使用有限元分析技術(shù)，求出漏磁場(chǎng)的分布。Atherton把管壁坑狀缺陷漏磁場(chǎng)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果聯(lián)系起來(lái)，得到了較為一致的結(jié)論1986年，Edwards和Palae在漏磁場(chǎng)的計(jì)算方面，把解析法向前推進(jìn)了一步，對(duì)無(wú)限長(zhǎng)表面開(kāi)口裂紋進(jìn)行了分析，得出了二維表達(dá)式；并且推出了有限長(zhǎng)開(kāi)口裂紋的三維表達(dá)式，從中得出當(dāng)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于缺陷深寬比時(shí)，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度與缺陷深度呈近似線性關(guān)系的結(jié)論。從他們的表達(dá)式中，也從側(cè)面驗(yàn)證了Hwang、Lord的有限元計(jì)算的正確性。在技術(shù)應(yīng)用方面，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家處于領(lǐng)先地位，漏磁最早是應(yīng)用到管道的缺陷檢測(cè)上的。Zuschlug于1933年首先提出應(yīng)用磁敏傳感器量漏磁場(chǎng)的思想，但直至1947年Hastings設(shè)計(jì)了第一套漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，漏磁檢測(cè)才開(kāi)始受到普遍的承認(rèn)。20世紀(jì)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(guó)TubecopeVetco國(guó)際公司采用漏磁檢測(cè)裝置Linafog首次進(jìn)行了管內(nèi)檢測(cè),發(fā)了Wellcheck井口探測(cè)系統(tǒng),能可靠地探測(cè)到管材內(nèi)外徑上的腐蝕坑、橫向傷痕和其它類型的缺陷。1973年，英國(guó)天然氣公司采用漏磁法對(duì)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(jìn)行了在役檢測(cè)，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(guò)漏磁探傷部分來(lái)檢測(cè)管體的橫向和縱向缺陷，壁厚測(cè)量結(jié)合超聲技術(shù)進(jìn)行，提供完整的現(xiàn)場(chǎng)探傷，即使在惡劣的施工環(huán)境中也可以提供可靠，準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。二、漏磁檢測(cè)原理及其特點(diǎn)漏磁法檢測(cè)從磁粉檢測(cè)中演變而來(lái)的，是建立在鐵磁材料的高磁導(dǎo)率這一特性之上。其基本原理是：被測(cè)材料在外加磁場(chǎng)作用下被磁化，當(dāng)材料中無(wú)缺陷時(shí)，磁力線絕大部分通過(guò)被測(cè)材料，磁力線均勻分布，無(wú)磁力線穿出或進(jìn)入被測(cè)材料表面；當(dāng)材料內(nèi)部有缺陷時(shí)，缺陷切割磁力線，由于缺陷的磁導(dǎo)率小，磁阻很大，使磁力線在被測(cè)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(cè)材料中通過(guò)，使這部分被測(cè)材料趨于飽和，不能接受更多的磁力線。此時(shí)，有一部分磁力線就會(huì)泄漏出材料表面，當(dāng)越過(guò)缺陷后進(jìn)入被測(cè)材料中，因而形成缺陷漏磁場(chǎng)。用磁敏元件檢測(cè)被磁化材料表面逸出的漏磁場(chǎng)，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(chǎng)不同：表面上缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)大；缺陷在表面下時(shí)，形成的漏磁場(chǎng)將顯著變小。b.管體有缺陷時(shí)鋼管中的磁場(chǎng)漏磁檢測(cè)法的主要特點(diǎn)：（I）對(duì)各種損傷均具有較高的檢測(cè)速度；（2）對(duì)鐵磁性材料表面、近表面、內(nèi)部裂紋以及銹蝕等均可獲得滿意的檢測(cè)效果；（3）探頭裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低且操作簡(jiǎn)單；（4）由于磁性的變化易于非接觸測(cè)量和實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè),磁場(chǎng)信號(hào)不受被測(cè)材料表面污染狀態(tài)的影響，進(jìn)行檢測(cè)時(shí)被測(cè)材料表面就不需清洗，因此將大大提高檢測(cè)的效率，減小工作量；（5）可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化檢測(cè)，非常適合在流水線上進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和生產(chǎn)過(guò)程控制。三、影響漏磁場(chǎng)的因素真實(shí)的缺陷具有比模擬缺陷復(fù)雜得多的幾何形狀，況且它們千差萬(wàn)別地存在于不同的工件中，要計(jì)算其漏磁場(chǎng)是很難的。在檢測(cè)中，要使它們的漏磁場(chǎng)達(dá)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(chǎng)強(qiáng)弱的各種因素。影響缺陷翻磁場(chǎng)的因素主要來(lái)自列三個(gè)方面。磁化場(chǎng)對(duì)漏磁場(chǎng)的影響（1） 當(dāng)磁化程度較低時(shí)，漏磁場(chǎng)偏小，且增加緩慢；（2） 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和值的80%左右時(shí)，漏磁場(chǎng)不僅幅值較大，而且隨著磁化場(chǎng)的增加會(huì)迅速增大；（3） 漏磁場(chǎng)及其分量與鋼管表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小成正比；（4） 漏磁場(chǎng)及其分量與磁化場(chǎng)方向和缺陷側(cè)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(duì)漏磁場(chǎng)的影響（1） 缺陷與磁化場(chǎng)方向垂直時(shí)，漏磁場(chǎng)最強(qiáng)；（2） 缺陷與磁化場(chǎng)方向平行時(shí)，漏磁場(chǎng)兒乎為零；（3） 缺陷在工件表面的漏磁場(chǎng)最人，隨著離開(kāi)表面中心水平距離的增加漏磁場(chǎng)迅速減小；（4） 缺陷深度較小時(shí)，隨著深度的增加漏磁場(chǎng)增加較快，當(dāng)深度增大到一定值后漏磁場(chǎng)增加緩慢；（5） 缺陷信號(hào)的幅值與缺陷寬度對(duì)應(yīng)，缺陷長(zhǎng)度對(duì)漏磁信號(hào)幾乎沒(méi)有影響；（6） 缺陷寬度相同時(shí)，隨深度的增加，漏磁場(chǎng)隨之增大。工件材質(zhì)及工況對(duì)漏磁場(chǎng)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(qiáng)度、相同的缺陷對(duì)不同的磁性材料，缺陷漏磁場(chǎng)不一樣，土要表現(xiàn)為以下二點(diǎn)：I *■八\\?（1）對(duì)于幾何形狀不同的被測(cè)物體，如果表面的磁性場(chǎng)相同而被測(cè)物體磁性不同，則缺陷處的漏磁場(chǎng)不同，磁導(dǎo)率低的材料漏磁場(chǎng)?。唬?）被測(cè)材料相同，如果熱處理狀態(tài)不同，則磁導(dǎo)率不一樣，缺陷處的漏磁場(chǎng)也不同；（3）當(dāng)工件表面有覆蓋層（涂層、鍍層）時(shí)，隨著覆蓋層厚度的增加，漏磁場(chǎng)將減弱。四、影響漏磁檢測(cè)信號(hào)的因素在進(jìn)行漏磁檢測(cè)時(shí)，影響信噪比與下列因素有關(guān)：第一個(gè)是磁路設(shè)計(jì)必須能使被測(cè)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(cè)試表面之間的距離）增大迅速下降，所以支架的設(shè)計(jì)必須使探頭在被掃查物體表面上掃查時(shí)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(qiáng)度可以根據(jù)材料的厚度以及不同的提離值來(lái)進(jìn)行調(diào)整。第二個(gè)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(yīng)器，線圈感應(yīng)器通過(guò)切割磁力線來(lái)產(chǎn)生信號(hào)電壓，它是漏磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)器對(duì)掃描速度敏