在分析不銹鋼管漏磁檢測端部效應及其消除機理的基礎上,提出了利用漏磁檢測技術對不銹鋼管端部進行自動探傷的方法———端部移接法,即采用導磁構件來收集不銹鋼管端部泄漏磁場,并對端部磁路加以引導,借用另外的導磁構件與不銹鋼管端部對接后形成新的端部,使得原端部變為管體,從而減小不銹鋼管端部盲區。設計了磁路引導裝置和探頭,介紹了基于漏磁的管端自動探傷機的結構組成、原理和管端自動檢測流程。該檢測方法及裝備可以將不銹鋼管端部的檢測盲區控制在30 mm以內。

不銹鋼管端部產生缺陷的可能性比管體大,端部缺陷嚴重地影響著不銹鋼管的使用,許多生產事故都與端部缺陷有關,依據相關標準需要進行無損探傷?,F有的不銹鋼管端部缺陷檢測方法通常有磁粉、滲透、渦流、超聲波、漏磁等。傳統的磁粉和滲透檢測不銹鋼管端部的方法存在著檢測效率低下、受探傷人員人為因素影響較大的問題;渦流檢測因其檢測原理決定不能檢測不銹鋼管內表面缺陷;自動化超聲波檢測不銹鋼管端部必須借助耦合劑。漏磁檢測技術因其對鐵磁體具有強的磁穿透力并且不受非磁性污垢影響的探傷特性而被廣泛應用于不銹鋼管的全方位傷(包括內外傷)檢測中,通常采用連續一次性掃描的檢測工藝,探傷效率高。為了在不銹鋼管探傷生產中進一步將探傷方法與設備統一通用化,對不銹鋼管管端也采用漏磁檢測方法與裝備是個較好的選擇。而對于不銹鋼管管端的漏磁探傷,目前至少存在著探傷在50 mm以上的探傷盲區。主要原因在于端部效應,在不銹鋼管端部的泄漏磁場較強,不能保證端部區域進行有效的飽和磁化,使端部缺陷處的漏磁場減弱,不能被磁敏感元件有效拾取,從而導致漏檢。因此,有必要進一步分析并研究出縮小不銹鋼管端部檢測盲區的方法與裝置。

1不銹鋼管漏磁檢測端部效應及其消除機理

1.1不銹鋼管漏磁檢測端部效應

在電磁檢測中,由于工件的幾何形狀(端部邊緣)急劇改變而引起的鄰邊磁場和渦流干擾,將掩蓋一定范圍內缺陷的檢出,這種現象稱之為端部效應,該效應與端部是同時存在的。在不銹鋼管漏磁無損探傷中,當檢測到不銹鋼管端部時會產生端部效應,在端部相當一段長度內造成檢測盲區。在檢測時,當不銹鋼管的端部(頭和尾)進入或離開磁化線圈時,通電線圈逐漸變成帶鐵心線圈或還原為中空狀,此時磁化場在不銹鋼管端部不能有效地恒穩聚集,導致端部空間泄漏磁場相對較強;另一方面,由于端部磁場的發散變動,導致端部管壁內磁通量變化,使得缺陷處漏磁場減弱。采用ANSYS有限元分析其端部磁場的分布如圖1所示,此時缺陷處漏磁場被端部的泄漏靜磁場所淹沒,缺陷難以被檢測并識別出來,形成端部檢測盲區。

1.2端部盲區的消除

不銹鋼管因有端部而不可避免地存在端部效應,但端部檢測盲區卻可以減小或消除。不銹鋼管端部效應的存在,主要是由于不銹鋼管在端部發生形狀連續性突變,造成其磁化場在端部的發散形成端部泄漏靜磁場。對此,可采用導磁構件來收集端部泄漏磁場,對端部磁路加以引導,借用另外的導磁構件與不銹鋼管端部對接后形成新的端部,使得原端部變為管體,稱這種減小端部盲區的方法為端部移接法。端部移接法中對接的導磁構件可以為管狀對接,可以為板狀對接,也可以既加對接管也加對接板來進行對接。結合加對接管和對接板對接法,采用連接有對接板的對接管來實現其對接,這樣在減少對接管對接長度的同時,又能讓檢測探靴到達端部并對端部進行全面掃描檢測,更重要的是能夠很好地對端部磁路加以引導,減少端部泄漏靜磁場。

2所示為管板對接端部移接法的ANSYS有限元分布端部磁場示意。不銹鋼管對接了管板狀導磁構件后,減少了磁化場在原端部的泄漏,引導了在端部處不銹鋼管管壁內的磁路走向,從而使得不銹鋼管端部很好地達到磁飽和狀態。通過將加管板對接時與無管板對接時不銹鋼管端部磁幅值的對比觀察,可以明顯看出不銹鋼管端部泄漏靜磁場值減小,且離端部最近的缺陷漏磁信號幅值增大,缺陷容易識別。

2不銹鋼管端部漏磁探傷方案及試驗

依據不銹鋼管漏磁檢測端部效應及其盲區消除機理分析,設計了如圖4所示的不銹鋼管軸向磁化外加管板對接的檢測方案,利用磁路引導裝置對端部發散磁場進行有效的匯聚,以減少或克服端部效應的影響。檢測過程中,不銹鋼管端部在與磁路引導裝置完成對接后,保持不動,軸向磁化線圈通直流電,對不銹鋼管端部進行穩恒磁化,磁路引導裝置在磁力的作用下與不銹鋼管端頭緊密貼合,從而防止間隙較大導致不銹鋼管端部泄漏磁場較大,影響端頭的磁化強度。內外壁探頭分別拾取不銹鋼管端頭內外壁缺陷的漏磁場,檢測時與軸向磁化線圈一起直線推進,完成要求的探傷范圍。

5所示為不銹鋼管管端漏磁檢測試驗裝置。探頭為貼片式線圈;試驗樣管外徑73 mm,距端部30mm、200 mm處均鉆有Φ1.6 mm的通孔;磁場激勵裝置為軸向磁化線圈;磁路引導裝置為與檢測樣管規格相同的引導管;試驗系統包括放大器、濾波器、A/D轉換器和計算機(帶不銹鋼管探傷軟件)等。

信號采集流程:檢測的通孔信號經貼片式線圈拾取后,由放大電路放大,進入信號調理電路,經計算機實現數字信號處理。

不銹鋼管與對接管對接后保持靜止,對軸向磁化線圈通直流電,對不銹鋼管端部進行磁化。在磁化場的作用下,對接管吸附住不銹鋼管端頭,從而有效地克服不銹鋼管與引導管之間的空隙,以減少端部效應的影響。軸向磁化線圈帶動探頭沿軸向掃查端部的缺陷,掃查行程要越過管端至引導管,探頭軸向掃查管端,檢測信號如圖6所示。從圖6可以看出,不銹鋼管端頭與引導管接縫處的信號最為強烈,可作為區分不銹鋼管端頭的檢測信號。對比距管端200 mm30 mm處的標樣缺陷,可知距離管端越近,磁場發散越強烈,端部效應越明顯,磁化強度越弱,導致缺陷信號越小。

3樣機設計

3.1探頭的研制

由于采取不銹鋼管端頭靜止,探頭和軸向磁化線圈一起沿不銹鋼管軸向往復運動的掃查方式,因此內外探頭應布滿整個圓周方向,實現對內外表面缺陷的檢測。

考慮到霍爾元件對于靜電場的檢測靈敏度高,若用在端部探傷時,很容易拾取不銹鋼管與磁路引導裝置接縫處的泄漏靜磁場,從而掩蓋了動態掃描時突變的端部缺陷漏磁場信號。因此采用貼片式線圈,用于拾取突變的端部缺陷漏磁場信號。

3.2磁路引導裝置的研制

為了克服端部效應對檢測信號的影響,一般在不銹鋼管端頭加與不銹鋼管規格、材料完全相同的引導管,為提高不銹鋼管端頭的磁化效果,可以使用磁導率高于被檢不銹鋼管的引導管。也可以利用平板引導不銹鋼管端頭的發散磁場,或者將引導管和平板結合在一起,此種檢測方法可以縮短引導管的長度,但是平板擋住了內探頭的移動空間,為此對這種結構做了改進,改進后的不銹鋼管端部磁場分布如圖2所示。

3.3樣機的組成

利用漏磁探傷方法可以設計出不銹鋼管端部自動探傷機,包括拾取端部缺陷的探頭、用于調節探頭高度的探頭升降裝置、支撐整個檢測裝置的前進小車、放大電路板、數據采集卡和工控機等。整個管端檢測系統還包括驅動不銹鋼管直線前進的對輥輪、使小車沿直線運動的軌道、控制探傷機進行自動化檢測的控制柜等。

3.4探傷的流程

1不銹鋼管翻料到對輥輪上,小車直線前進,當磁路引導裝置與不銹鋼管端頭接觸時小車停止。

2)軸向磁化線圈通直流電,在磁場作用下消除端頭與磁路引導裝置的間隙。

3)內外探頭與軸向磁化線圈一同從磁路引導裝置向不銹鋼管端頭推進,完成要求區域的檢測。

4)探頭和磁化線圈退出檢測區域,回至原點,小車后退至初始位置,不銹鋼管翻料到料架上,進行下一根不銹鋼管的檢測。

4結論

1)端部漏磁檢測試驗驗證了端頭加磁路引導裝置,不銹鋼管靜止、探頭軸向推進的檢測方案的可行性。

2)利用漏磁檢測不銹鋼管端部缺陷,設計了引導不銹鋼管端頭磁場的磁路引導裝置,可以較大程度上減少不銹鋼管端部的檢測盲區。

3)利用漏磁研制的管端探傷系統可以實現自動檢測,提高探傷效率。