一种基于表层磁导率差动测量的厚壁钢管内裂纹检测方法与流程

本发明涉及一种电磁无损检测技术，尤其涉及一种基于表层磁导率差动测量的厚壁钢管内裂纹检测方法。

背景技术：

对管道内裂纹的定量检测非常重要，但是对厚壁钢管的内裂纹检测具有一定的难度和局限性。常用的超声检测方法一般需要合适的耦合方式，并且对厚度与直径之比超过0.2的钢管在原理上就无法探伤。漏磁检测作为一种常用的钢管检测手段，探伤速度快。但对厚壁钢管的内壁裂纹采用漏磁检测方法探伤时，钢管中内壁裂纹产生的漏磁场，受到外层管壁对漏磁场扩散的屏蔽，最后能够透过管外壁到空气中的漏磁场非常微弱，在外层强磁化场的影响下，无法得到有效的检测信号。所以，漏磁检测方法一般对12mm厚度以下的钢管探伤比较有效，内壁的探伤能力能够满足探伤标准的要求。随壁厚的增大和内壁探伤要求的提升，内壁上的裂纹在管外壁通过测量漏磁场进行探测越来越困难,甚至探测不了内壁上的微小裂纹。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于表层磁导率差动测量的厚壁钢管内裂纹检测方法，特别是对厚壁钢管内壁微小裂纹实施高精度检测，系统结构简单，可实现非接触的快速自动化检测。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于表层磁导率差动测量的厚壁钢管内裂纹检测方法，包括以下步骤：

第1步，采用磁化器将被检钢管磁化至饱和，在钢管内部或内壁裂纹周围产生最大的局部磁感应强度畸变；

第2步，检测探头包括一个涡流激励线圈和两个检测线圈，将一个涡流激励线圈和两个检测线圈的中心线沿法向分别布置于钢管的外表面，涡流激励线圈在钢管表层产生涡流，两个检测线圈沿磁化场方向空间错开布置且采用差动输出，探测钢管表层磁导率在磁化方向上的差动变化；

第3步，钢管相对于磁化器和检测探头运动，输出信号发生变化，通过输出信号分析钢管内部有无裂纹和裂纹大小。

进一步，所述磁化器采用外穿过式直流磁化线圈或者永磁体磁化器，激发均匀静态磁化场。

进一步，所述钢管内壁裂纹产生的磁场畸变扩散和传播到钢管表层，并引起外层管壁内磁导率的波动。

进一步，裂纹附近磁感线扰动在上方区域形成磁导率畸变区域，两个所述检测线圈分别位于钢管表层磁导率畸变区和非畸变区上方，沿磁化方向差动输出。

进一步，所述钢管沿磁化器轴线匀速直线运动。

进一步，两个涡流检测线圈在空间上的间距随被测钢管的壁厚变动。

进一步，所述检测探头以阵列形式绕钢管布置一周，并沿钢管磁化方向进行扫查，多通道同时检测钢管外壁裂纹。

进一步，所述涡流激励线圈的交变磁场穿过空气间隙直接作用于钢管外壁，激励频率为1kHZ-100kHZ。

进一步，涡流激励线圈与钢管表面的提离值为0-5mm。

本发明方法原理是基于差动测量裂纹导致的由钢管内部扩散到钢管表层的磁导率分布畸变，铁磁性钢管中，内部磁场B随着施加直流磁化场H的增加而增大，材料中磁导率μ＝B/H逐渐增大到最大值后呈现下降趋势。当存在内部裂纹时，磁力线向钢管外壁方向产生扰动，引起畸变磁场，使得裂纹上方邻近区域产生较大范围的磁导率畸变，并扩散到内壁裂纹对应的钢管外壁表层，呈现与无裂纹处不同的磁导率特性，因此，内壁裂纹产生的磁场畸变引起的是外层管壁内磁导率的波动。

检测时，所述外穿过式直流线圈或者永磁体磁化器激发均匀静态磁化场，调整直流电流源输出大小，控制对有效磁化区内的钢管的轴向磁化程度，在体表内形成饱和磁化区域。裂纹附近磁感线扰动在上方区域形成磁导率畸变区域。正弦信号源对涡流激励线圈施加激励，激励线圈轴线沿钢管径向，与钢管表面的提离值一般在0-5mm间，在钢管表层磁导率畸变区域产生涡流场。检测探头的交变磁场穿过空气间隙直接作用于管外壁探测磁导率的变化，当钢管相对检测探头运动时，空间错开的两个涡流检测线圈CA和CB分别位于钢管表层磁导率畸变区和非畸变区上方，进行沿磁化方向的差动输出，测量该畸变的感应磁场，输出信号的变化实现有无内部裂纹及其大小的判断，其空间上的间隔距离随管壁厚变动。

单个涡流激励线圈与两个检测线圈共同组成一组检测探头。检测探头在钢管外壁沿轴线扫查，经过钢管表层磁导率畸变区域时，获取到磁导率畸变引起的涡流感应磁场变化。检测探头输出电信号，经过信号调理放大模块、相敏检波模块后与计算机连接，实现对裂纹的实施判别。

实现上述钢管内裂纹检测方法的装置，它包括直流电流源、外穿过式磁化器、正弦信号源、涡流激励线圈、检测线圈CA、检测线圈CB、相敏检波及信号调理放大模块。所述检测探头由激励线圈、检测线圈CA、检测线圈CB组成。

钢管实施饱和磁化后，内壁或内部裂纹在局部区域产生磁场畸变并传递到钢管表层；钢管表层受到畸变磁场影响后，局部区域的磁导率发生畸变；当涡流激励线圈和检测线圈中心线沿法向分别布置于钢管的外表面后，沿磁化方向在空间错开的两个涡流检测线圈采用差动输出，探测钢管表层磁导率在空间上的差异。内部出现裂纹时，表层磁导率在空间上存在变异，涡流检测线圈输出变动的信号；内部无裂纹时，表层磁导率在空间上一致，涡流检测线圈输出的信号微弱。本发明基于内壁裂纹产生的磁场畸变引起的外层管壁内磁导率的波动，这一波动在钢管体内传递到管外壁而非管外层空气中，进一步，检测探头的交变磁场穿过空气间隙直接作用于钢管外壁探测磁导率的变化，消除了测量提离影响，实现了大埋深裂纹的探测，信噪比和灵敏度高。

基于上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明不直接测量内壁裂纹导致的扩散到表面空气中的弱畸变磁场，采取测量同样由工件内部畸变磁场引起的工件表层磁导率畸变量，再利用差动涡流检测线圈来获取由磁导率畸变引起的交流感应场畸变，弥补现有漏磁检测方法对厚壁钢管检测的不足。多通道同时检测钢管内壁裂纹，从而实现高速高精的内壁裂纹检测。由于直接测量工件表层的磁导率畸变，实现了提离距离的对厚壁钢管内壁微小裂纹实施高精度检测，具有系统结构简单、通用性和互换性强的优点，并可实现非接触的快速自动化检测，实现了大埋深裂纹的探测，信噪比和灵敏度高。

附图说明

图1为钢管未被磁化时的内壁裂纹检测示意；

图2为无内壁裂纹时被磁化钢管内部磁力线分布均匀示意图；

图3为有内壁裂纹时被磁化钢管内部磁力线分布示意图；

图4为内壁裂纹上方磁导率分布云图；

图5为涡流激励线圈在钢管表层产生涡流示意图；

图6为两个检测线圈空间错开并差动输出信号示意图；

图7为差动检测探头结构示意图；

图8为本发明方法的总体具体实施方式示意图；

图9为内壁裂纹实际检测信号示意图；

图10为本发明的整体示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，钢管1未被磁化时，其内部磁导率均匀分布，涡流检测探头2沿钢管1外壁扫查，钢管1表面感应出涡流，由于涡流的集肤效应，涡流主要分布在图1所示的区域3。即使钢管内壁存在内壁裂纹4，由于壁厚远远大于三倍的涡流集肤深度。涡流未能到达内壁裂纹4位置，所以检测探头2输出无变化，即无法检出钢管内壁裂纹。

为了能够使检测探头2在钢管1外壁检测出上述厚壁钢管1的内裂纹，其实施轴向磁化。如图2所示，当钢管1内部不存在裂纹时，钢管1内部分布有均匀磁感线5。钢管内部磁场B随着施加直流磁化场H的增加而增大，材料中磁导率μ＝B/H逐渐增大到极大值后呈现下降趋势。

如图3所示，当钢管1存在内壁裂纹4时，裂纹周围磁感线向钢管1外壁方向产生扰动，引起畸变磁场，使得裂纹上方区域产生较大范围的磁导率畸变磁感线5”，并扩散到钢管内壁裂纹4对应的外壁表层，呈现与无裂纹处磁感线5’不同的磁导率特性，因此内壁裂纹4产生的磁场畸变引起的是外层管壁内磁导率的波动。

图4为钢管施加饱和磁化时内壁裂纹周围的磁导率分布示意图，畸变磁感线5”位于磁导率畸变区域8，直接由内壁裂纹4附近扩散到钢管1表层，该区域的相对磁导率与其周围的磁导率存在显著差异，需采用一定的探头连接方式探测出该差异。

因此具体实施步骤可分为：

第1步，采用外穿过式直流磁化线圈7产生轴向磁化场，作用于有效磁化区内的被检钢管1并将其磁化至饱和，在钢管1内壁裂纹周围产生最大的局部磁感应强度畸变区域5”，并扩散到钢管1表层。

第2步，涡流激励线圈6的中心线沿钢管径向布置在钢管表面，如图5所示，激励频率在1kHZ-100kHZ之间选择，在钢管表层产生涡流，与此同时，检测线圈CA和检测线圈CB，即图6、图7中的9和10，其中心线沿钢管径向布置于钢管表面，沿钢管轴向空间错开布置，当钢管相对检测探头2运动时，检测线圈9和10分别位于钢管表层磁导率畸变区和非畸变区上方，两个涡流检测线圈采用差动输出，探测钢管表层磁导率在磁化方向上的差动变化，涡流激励线圈6和检测线圈9、10共同构成检测探头2，与钢管表面的提离值一般在0-5mm间。当检测线圈9、10分别经过磁导率畸变区上方和无磁导率畸变区上方时，检测探头2产生最大的信号输出。

第3步，钢管1相对于外穿过式磁化线圈7和检测探头2沿轴向匀速直线运动，钢管1不同区域经过检测探头2下方时，检测探头2两端感应电动势变化，分析处理后的信号显示钢管1内部有无裂纹和裂纹大小。实验中得到12mm板厚下的1mm深，1mm宽度背面裂纹检测信号，如图9所示。

如图8所示为本方法的实施装置，装置包括检测探头2、外穿过式磁化线圈7、放大滤波模块11、相敏检波模块12、通过A/D采集模块13、计算机14、交流激励源15、直流电源16。

如图10所示，外穿过式磁化线圈7对钢管待检区域实施饱和磁化，交流激励源15提供可调节的正弦激励施加到检测探头2上。检测探头2位于外穿过式磁化线圈7和钢管1外壁之间，保持相对位置恒定，钢管1经过检测探头2下方时，检测探头2获得的信号经过放大滤波模块11、相敏检波模块12，通过A/D采集模块13后，提供给计算机14提取信号特征并用波形图的形式显示，得到待检测钢管内部的裂纹信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。