在分析不锈钢管漏磁检测端部效应及其消除机理的基础上,提出了利用漏磁检测技术对不锈钢管端部进行自动探伤的方法———端部移接法,即采用导磁构件来收集不锈钢管端部泄漏磁场,并对端部磁路加以引导,借用另外的导磁构件与不锈钢管端部对接后形成新的端部,使得原端部变为管体,从而减小不锈钢管端部盲区。设计了磁路引导装置和探头,介绍了基于漏磁的管端自动探伤机的结构组成、原理和管端自动检测流程。该检测方法及装备可以将不锈钢管端部的检测盲区控制在30 mm以内。

不锈钢管端部产生缺陷的可能性比管体大,端部缺陷严重地影响着不锈钢管的使用,许多生产事故都与端部缺陷有关,依据相关标准需要进行无损探伤。现有的不锈钢管端部缺陷检测方法通常有磁粉、渗透、涡流、超声波、漏磁等。传统的磁粉和渗透检测不锈钢管端部的方法存在着检测效率低下、受探伤人员人为因素影响较大的问题;涡流检测因其检测原理决定不能检测不锈钢管内表面缺陷;自动化超声波检测不锈钢管端部必须借助耦合剂。漏磁检测技术因其对铁磁体具有强的磁穿透力并且不受非磁性污垢影响的探伤特性而被广泛应用于不锈钢管的全方位伤(包括内外伤)检测中,通常采用连续一次性扫描的检测工艺,探伤效率高。为了在不锈钢管探伤生产中进一步将探伤方法与设备统一通用化,对不锈钢管管端也采用漏磁检测方法与装备是个较好的选择。而对于不锈钢管管端的漏磁探伤,目前至少存在着探伤在50 mm以上的探伤盲区。主要原因在于端部效应,在不锈钢管端部的泄漏磁场较强,不能保证端部区域进行有效的饱和磁化,使端部缺陷处的漏磁场减弱,不能被磁敏感元件有效拾取,从而导致漏检。因此,有必要进一步分析并研究出缩小不锈钢管端部检测盲区的方法与装置。

1不锈钢管漏磁检测端部效应及其消除机理

1.1不锈钢管漏磁检测端部效应

在电磁检测中,由于工件的几何形状(端部边缘)急剧改变而引起的邻边磁场和涡流干扰,将掩盖一定范围内缺陷的检出,这种现象称之为端部效应,该效应与端部是同时存在的。在不锈钢管漏磁无损探伤中,当检测到不锈钢管端部时会产生端部效应,在端部相当一段长度内造成检测盲区。在检测时,当不锈钢管的端部(头和尾)进入或离开磁化线圈时,通电线圈逐渐变成带铁心线圈或还原为中空状,此时磁化场在不锈钢管端部不能有效地恒稳聚集,导致端部空间泄漏磁场相对较强;另一方面,由于端部磁场的发散变动,导致端部管壁内磁通量变化,使得缺陷处漏磁场减弱。采用ANSYS有限元分析其端部磁场的分布如图1所示,此时缺陷处漏磁场被端部的泄漏静磁场所淹没,缺陷难以被检测并识别出来,形成端部检测盲区。

1.2端部盲区的消除

不锈钢管因有端部而不可避免地存在端部效应,但端部检测盲区却可以减小或消除。不锈钢管端部效应的存在,主要是由于不锈钢管在端部发生形状连续性突变,造成其磁化场在端部的发散形成端部泄漏静磁场。对此,可采用导磁构件来收集端部泄漏磁场,对端部磁路加以引导,借用另外的导磁构件与不锈钢管端部对接后形成新的端部,使得原端部变为管体,称这种减小端部盲区的方法为端部移接法。端部移接法中对接的导磁构件可以为管状对接,可以为板状对接,也可以既加对接管也加对接板来进行对接。结合加对接管和对接板对接法,采用连接有对接板的对接管来实现其对接,这样在减少对接管对接长度的同时,又能让检测探靴到达端部并对端部进行全面扫描检测,更重要的是能够很好地对端部磁路加以引导,减少端部泄漏静磁场。

2所示为管板对接端部移接法的ANSYS有限元分布端部磁场示意。不锈钢管对接了管板状导磁构件后,减少了磁化场在原端部的泄漏,引导了在端部处不锈钢管管壁内的磁路走向,从而使得不锈钢管端部很好地达到磁饱和状态。通过将加管板对接时与无管板对接时不锈钢管端部磁幅值的对比观察,可以明显看出不锈钢管端部泄漏静磁场值减小,且离端部最近的缺陷漏磁信号幅值增大,缺陷容易识别。

2不锈钢管端部漏磁探伤方案及试验

依据不锈钢管漏磁检测端部效应及其盲区消除机理分析,设计了如图4所示的不锈钢管轴向磁化外加管板对接的检测方案,利用磁路引导装置对端部发散磁场进行有效的汇聚,以减少或克服端部效应的影响。检测过程中,不锈钢管端部在与磁路引导装置完成对接后,保持不动,轴向磁化线圈通直流电,对不锈钢管端部进行稳恒磁化,磁路引导装置在磁力的作用下与不锈钢管端头紧密贴合,从而防止间隙较大导致不锈钢管端部泄漏磁场较大,影响端头的磁化强度。内外壁探头分别拾取不锈钢管端头内外壁缺陷的漏磁场,检测时与轴向磁化线圈一起直线推进,完成要求的探伤范围。

5所示为不锈钢管管端漏磁检测试验装置。探头为贴片式线圈;试验样管外径73 mm,距端部30mm200 mm处均钻有Φ1.6 mm的通孔;磁场激励装置为轴向磁化线圈;磁路引导装置为与检测样管规格相同的引导管;试验系统包括放大器、滤波器、A/D转换器和计算机(带不锈钢管探伤软件)等。

信号采集流程:检测的通孔信号经贴片式线圈拾取后,由放大电路放大,进入信号调理电路,经计算机实现数字信号处理。

不锈钢管与对接管对接后保持静止,对轴向磁化线圈通直流电,对不锈钢管端部进行磁化。在磁化场的作用下,对接管吸附住不锈钢管端头,从而有效地克服不锈钢管与引导管之间的空隙,以减少端部效应的影响。轴向磁化线圈带动探头沿轴向扫查端部的缺陷,扫查行程要越过管端至引导管,探头轴向扫查管端,检测信号如图6所示。从图6可以看出,不锈钢管端头与引导管接缝处的信号最为强烈,可作为区分不锈钢管端头的检测信号。对比距管端200 mm30 mm处的标样缺陷,可知距离管端越近,磁场发散越强烈,端部效应越明显,磁化强度越弱,导致缺陷信号越小。

3样机设计

3.1探头的研制

由于采取不锈钢管端头静止,探头和轴向磁化线圈一起沿不锈钢管轴向往复运动的扫查方式,因此内外探头应布满整个圆周方向,实现对内外表面缺陷的检测。

考虑到霍尔元件对于静电场的检测灵敏度高,若用在端部探伤时,很容易拾取不锈钢管与磁路引导装置接缝处的泄漏静磁场,从而掩盖了动态扫描时突变的端部缺陷漏磁场信号。因此采用贴片式线圈,用于拾取突变的端部缺陷漏磁场信号。

3.2磁路引导装置的研制

为了克服端部效应对检测信号的影响,一般在不锈钢管端头加与不锈钢管规格、材料完全相同的引导管,为提高不锈钢管端头的磁化效果,可以使用磁导率高于被检不锈钢管的引导管。也可以利用平板引导不锈钢管端头的发散磁场,或者将引导管和平板结合在一起,此种检测方法可以缩短引导管的长度,但是平板挡住了内探头的移动空间,为此对这种结构做了改进,改进后的不锈钢管端部磁场分布如图2所示。

3.3样机的组成

利用漏磁探伤方法可以设计出不锈钢管端部自动探伤机,包括拾取端部缺陷的探头、用于调节探头高度的探头升降装置、支撑整个检测装置的前进小车、放大电路板、数据采集卡和工控机等。整个管端检测系统还包括驱动不锈钢管直线前进的对辊轮、使小车沿直线运动的轨道、控制探伤机进行自动化检测的控制柜等。

3.4探伤的流程

1不锈钢管翻料到对辊轮上,小车直线前进,当磁路引导装置与不锈钢管端头接触时小车停止。

2)轴向磁化线圈通直流电,在磁场作用下消除端头与磁路引导装置的间隙。

3)内外探头与轴向磁化线圈一同从磁路引导装置向不锈钢管端头推进,完成要求区域的检测。

4)探头和磁化线圈退出检测区域,回至原点,小车后退至初始位置,不锈钢管翻料到料架上,进行下一根不锈钢管的检测。

4结论

1)端部漏磁检测试验验证了端头加磁路引导装置,不锈钢管静止、探头轴向推进的检测方案的可行性。

2)利用漏磁检测不锈钢管端部缺陷,设计了引导不锈钢管端头磁场的磁路引导装置,可以较大程度上减少不锈钢管端部的检测盲区。

3)利用漏磁研制的管端探伤系统可以实现自动检测,提高探伤效率。