不锈钢管高速漏磁检测中有两种电磁感应现象:钢管内部的感生涡流和磁化线圈中的感生电流。这两种电磁感应场作用于钢管之后,将改变钢管的磁化状态,从而会影响缺陷漏磁场的强度与分布。


1. 感生磁场对管体缺陷漏磁场的影响


  当不锈钢管管体通过磁化线圈时,线圈内部基本无感生电流产生,因此对管体缺陷漏磁场的影响主要是由不锈钢管中产生的感生涡流磁场造成的。根据图5-2可知,钢管进入区产生的感生涡流与磁化电流方向相反,在离开区两者方向相同,在线圈中间位置基本没有感生涡流产生,进一步可获得的感生磁场空间分布如图5-9所示。从图中可以看出,感生涡流在进入区与离开区形成的磁场具有对称性且方向相反。结合线圈产生的磁化场,形成如图5-10所示的钢管高速运动时管体处磁化场总体空间分布。从图中可以看出,在钢管进入区线圈磁化场H。与感生涡流磁场H11方向相反,在离开区Ho与H2J方向相同。从而经过磁场叠加后,离开区的磁场强度大于进入区的磁场强度,进一步造成离开区不锈钢管磁化强度大于进入区钢管磁化强度,最终导致位于离开区的同尺寸缺陷产生的漏磁场强度高于进入区。


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  当不锈钢管在磁化线圈中间静止不动时,磁化场以线圈为中心对称分布,此时磁化场强度在线圈中部最大,往钢管两侧逐渐降低。当钢管低速运行时,感生涡流磁场强度较低,对线圈磁化场分布影响较小,此时感生涡流相对于磁化线圈对称分布。当运行速度提高时,感生涡流磁场强度不断增大,其叠加于线圈磁化场之后,使得整体磁化场最大值点由线圈中部逐渐移至离开区,同时感生涡流对称点也会由磁化线圈中部处移至离开区内。


  采用图5-3所示的模型仿真研究钢管感生涡流分布与运动速度的关系,仿真速度分别为0.5m/s、5.0m/s、20m/s和50m/s时提取感生涡流分布云图,如图5-11所示。


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  从图5-11中可以看出,当钢管低速运行时,感生涡流场关于磁化线圈对称分布,随着检测速度的不断提高,感生涡流场对称分布点逐渐向离开区偏移。


  采用图5-3所示的模型对钢管不同区域磁感应强度与运行速度进行仿真分析。当运行速度分别为0.1m/s、0.5m/s、1.0m/s、5.0m/s和30m/s时提取钢管内部从-80~80mm范围内的磁感应强度,如图5-12所示。从图中可以看出,当运行速度较低时,钢管磁感应强度以线圈为中心对称分布;随着运行速度的不断提高,磁感应强度逐渐减小,而且钢管离开区磁感应强度大于进入区。从而,感生磁场会引起管体缺陷漏磁场差异:同一缺陷在不同运行速度下漏磁场强度不同,速度越高,强度越低;另外,当运行速度相同时,相同当量缺陷在进入区产生的漏磁场强度低于在离开区产生的漏磁场强度。


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  建立如图5-13所示带有缺陷的仿真模型,研究感生磁场对管体缺陷漏磁场的影响,其中,圆环缺陷的深度和宽度分别为6mm和4mm。钢管从左侧进入线圈并以恒速通过,当缺陷与线圈中心重合时,提取缺陷漏磁场轴向分量信号。漏磁场提取路径以线圈为中心从-10~10mm的范围内,且与钢管表面之间的提离距离为0.5mm。分别取速度1m/s、10m/s、20m/s、30m/s和50m/s进行仿真,获取缺陷漏磁场轴向分量,如图5-14所示。



  从图5-14中可以看出,随着钢管运行速度的不断提高,缺陷漏磁场轴向分量中心幅值不断降低,并且离开区的漏磁场强度大于进入区。究其原因,由于钢管中存在不同方向的感生涡流,导致离开区磁场强度大于进入区磁场强度。并且,随着检测速度的不断提高,磁化场对称中心逐渐移至离开区内。



2. 感生磁场对管端缺陷漏磁场的影响


  不锈钢管中产生的感生涡流磁场和磁化线圈中产生的感生电流磁场对管端磁化状态的影响剧烈。不锈钢管漏磁检测实施过程中,磁敏感元件一般放置在磁化线圈内部并贴近钢管表面,因此,在讨论感生磁场对钢管磁化状态的影响时,主要分析位于磁化线圈内部的钢管耦合区域。钢管与轴向磁化场的耦合过程主要分成三个阶段:管头进入磁化线圈、管体通过磁化线圈和管尾离开磁化线圈。


  在管头进入磁化线圈的过程中,产生磁场的电流源包括原始磁化电流Io、不锈钢管中的感生涡流J和磁化线圈中的感生电流l1。当管头进入磁化线圈时,一方面,仅存在钢管进入区与原始磁化场耦合,钢管内只产生与原始磁化电流1。方向相反的感生涡流J;另一方面,由于磁化线圈磁通总量不断提高,线圈中会形成与原始磁化电流1。方向相反的感生电流I1,最终,可获得钢管管头处磁场的总体分布,如图5-15a所示。从图中可以看出,感生涡流磁场1J和感生电流磁场H1均与原始磁化场Ho方向相反,此时,总磁化场H为


  随着不锈钢管的进一步深入磁化线圈,钢管管体与轴向磁化场耦合。由于磁化线圈内部磁介质总量基本不变,磁化线圈磁通总量也基本保持不变,因此磁化线圈内部基本无感生电流产生。此时产生磁场的电流源主要包括原始磁化电流I6和钢管中的感生涡流J。在进入区,钢管中形成与原始磁化电流1。方向相反的感生涡流J1;在离开区,钢管中形成与原始磁化电流16方向相同的感生涡流J2,最终,可获得钢管管体处磁场的总体分布,如图5-15b所示。从图中可以看出,进入区感生涡流磁场H与原始磁化场Ho方向相反,而离开区感生涡流磁场H2J与原始磁化场方向相同,此时,总磁化场H为


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  在管尾离开磁化线圈的过程中,产生磁场的电流源包括原始磁化电流Io、钢管中的感生涡流J和磁化线圈中的感生电流I1。当管尾离开磁化线圈时,一方面,仅存在钢管离开区与原始磁化场耦合,因此钢管内部只存在与原始磁化电流Io方向相同的感生涡流J2;另一方面,由于磁化线圈内部磁通总量不断降低,线圈中会形成与原始磁化电流I。方向相同的感生电流I1,最终,可获得钢管管尾处磁场的总体分布,如图5-15c所示。从图中可以看出,感生涡流磁场H2J和感生电流磁场H1均与原始磁化场H。方向相同,此时,总磁化场H为


  从不锈钢管与磁化场动态耦合过程可以看出,由于在管头、管体与管尾处产生不同强度和空间分布的磁化场,从而导致钢管不同部位的磁化状态存在差异。根据式(5-6)、式(5-7)和式(5-8)可得出,运动钢管管尾处磁化场强度最强,管体次之,而管头磁化场最弱。进一步地,相同当量缺陷将在钢管管头、管体和管尾处产生不同强度的漏磁场。


  研究感生磁场对钢管管端磁化状态的影响,仍采用图5-3所示的模型。为分析钢管中感生涡流和线圈感生电流对管端磁化状态的影响,仿真环境分两种:一是同时考虑钢管中感生涡流和线圈感生电流的情况下,分析感生磁场对管端磁化状态的影响;二是单独分析线圈感生电流对管端磁化状态的影响。当钢管运动至如图5-16所示的三处位置时,分别提取钢管管头、管体和管尾的磁感应强度,并绘制成与运行速度的关系曲线,如图5-17所示。其中,B1scB2sc和B3sc分别为同时考虑钢管感生涡流和线圈感生电流时钢管管头、管体和管尾的磁感应强度;B1cB2c和B3c分别为单独考虑线圈感生电流时钢管管头、管体和管尾的磁感应强度。


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  从图5-17中可以看出,当不锈钢管低速运行时,钢管管头、管体和管尾的磁感应强度差别较小。随着运行速度的不断提高,规律曲线可分为两部分:急剧变化区和缓慢变化区。在急剧变化区,当运行速度提高时,钢管管头磁感应强度急剧降低,管体磁感应强度缓慢减弱,管尾磁感应强度急剧增强;在缓慢变化区,钢管管头、管体和管尾磁感应强度变化缓慢并最终基本保持不变。


  从图5-17中还可得出,钢管感生涡流和磁化线圈感生电流对钢管磁化状态的综合影响大于线圈感生电流的单独作用,数值有限元仿真结果与图5-15理论分析结论相同,钢管高速运动时发生的电磁感应现象包含钢管中产生的感生涡流和磁化线圈产生的感生电流,并且两者产生的感生磁场对钢管磁化状态的影响贡献相当,都不能被忽略。


  综上所述,感生磁场引起端部缺陷漏磁场差异为:钢管运行速度越高,管头、管体和管尾处的钢管磁感应强度差别越大,造成相同当量的缺陷在管尾处产生的漏磁场最强,管体次之,管头最弱。





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