钢管漏磁探伤中孔洞缺陷的漏磁场分析

    钢管在石油、天然气、化工、冶金以及城市水暖供应等部门中广泛应用,而工业管道的工作条件非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部的潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故。因此,钢管质量可靠性检测是非常必要的。在无损探伤方法中,漏磁场检测以其高效、无污染、自动化及高可靠性等优点在铁磁性材料领域得到了广泛应用。

    在实际工程中,孔洞是铸造和焊接等过程中常见的缺陷。但实际上很少有人进行该方面的研究,因为孔洞缺陷难以人工制作。所以下面通过理论分析和三维有限元软件建模仿真等方法来研究孔洞这一缺陷类型,从仿真分析得到的漏磁场信号中,提取出漏磁信号峰值、峰峰值和波宽等特征量,并分析它们与孔洞半径的关系,为缺陷的定量分析提供了判定依据。

1　缺陷漏磁场的理论计算

    钢管缺陷漏磁检测(MFL)的原理是,钢管被直流线圈或永久磁铁磁化后,在其缺陷处磁力线发生弯曲,并有一部分磁力线泄漏出钢管表面,形成漏磁场,利用磁感应元件(霍尔元件等)在钢管表面作相对切割磁力线运动产生感应电流,通过对感应电流信号的提取来对缺陷进行定性和定量分析^[1,2]。

    漏磁场分布的计算有解析法和数值法两种。

 1.1　解析法

    用解方程的方法解出所求的量是解析法的实质,而确定可解的、反映客观规律的数学模型是关键。由于缺陷形状、大小和材质等方面的差异,漏磁场分布情况很复杂,为方便研究,一般将复杂漏磁场进行分类归纳,采用近似模型分析计算。1966年,Sheherbinin和Zastsepin最早给出漏磁场简单的解析方程,也就是磁偶极子模型。通常对工件的点状孔洞等缺陷用等效点偶极子模型来模拟^[3,4]。

    点磁荷m在空间某点P所产生的磁场强度为

式中r为空间中某一点P到点磁荷m的距离。相距为2a的两个点磁偶极子在空间任一点所产生的磁场分量为

    这个模型虽然较好地解决了漏磁场的空间分布问题,但磁偶极子模型是对复杂磁问题的简化,磁偶极子的分布是和材料磁的非线性、磁化强度和缺陷的形状密切相关的。

    为解决上述问题,数值法更有优势。

1.2　数值法

    漏磁场的本质是缺陷引起的电磁场,要从场的角度了解它的特性。数值计算方法是基于对整个磁场的分布,可以模拟任意形状大小的缺陷。电磁场的理论是以麦克斯韦方程为基础的。

    电流密度J在磁导率μ的介质中形成的稳定磁场H和磁感应强度B之间的关系由麦克斯韦方程组和相应的边界条件确定