Page 99 - 无损检测2023年第二期

李 睿, 等:

油气管道裂纹涡流检测探头的研制

大 [ 9 ] 。涡流检测技术具有高分辨率、 响应快、 不与管 式中: B 为复合磁感应强度; B 1 为交变一次磁感应
道直接接触、 无需耦合剂的优点, 目前已作为漏磁技 强度; B 2 为涡流场的磁感应强度; B 3 为磁化磁场的
术的补充, 应用于管道内外壁缺陷的判别中 [ 10-12 ] 。 磁感应强度。其中交变一次磁感应强度B 1 可由毕
近年来国内外众多学者在涡流检测探头的性能 奥 - 萨伐尔定律确定, 即
提升方面进行了大量的研究。周德强等 [ 13 ] 研究了
B 1= zI μ 0 ( 2 )
脉冲涡流矩形传感器尺寸参数对铝板检测灵敏度的 2 r 2+ h 2
2
影响规律, 得到了矩阵探头的最佳长宽高比值。黄 式中: z 为线圈匝数; 为真空磁导率; h 为线圈高
μ 0
松龄等 [ 14 ] 针对线圈探头的内外径之差、 厚度和等效
度; I 为线圈中通过的实际电流; r 2 为线圈内径。
半径对检测分辨率的影响进行了数值模拟和试验, 可
被测试件表面由涡流激发的磁感应强度B 2
优化了线圈的几何参数, 提高了变形探头的分辨率。 表示为
赵宏达等 [ 15 ] 探讨了不同尺寸参数的柔性探头对缺 ∞
,
μ 0 J c χ( λ 0 r 1 λ 0 r 2 ) - λ d - λ ( d + h )
0
0
陷检出效果的影响。 B 2= 2∫ 2 [ e -e ] ·
0
文章介绍了铁磁性管道裂纹涡流检测机理, 研 - λ y λ 0
()
(
(
)
R ( λ 0 e 0 [ J 1 λ 0 x ) x 0+J 0 λ 0 x ) ] d λ 0 3
制了一套涡流裂纹检测探头, 并搭建了涡流裂纹检 y 0
测试验系统, 获取了环形线圈的结构参数对探头裂 式中: χ 为磁化率; J c 为等效单匝线圈电流密度; λ 0
( ) 为第一类一阶 Bessel函数; R
为积分变量; J 1 λ 0
纹检测能力的影响规律, 最后通过管道自然裂纹验
) 为与被测试件磁导率、 电导率相关的物理量。
( λ 0
证了探头的检测能力。
当试件不含裂纹时磁化磁场的磁感应强度 B 3
1 理论分析 可表示为
( ) ( 4 )
1.1 裂纹涡流检测原理 B 3= μ 0 H 1+ χ H w 为被测试
铁磁性管道涡流检测原理如图1所示, 当激励 式中: H 1 为激励线圈产生的磁场强度; H w
作用下产生的磁化磁场。
件无裂纹时在外磁场 H 1
时, 会激发出交变一次磁
线圈通入交变激励电流I 1
可
的 当试件含裂纹时磁化磁场的磁感应强度B 3c
表示为
场 H 1 , 其方向垂直于试件表面。在交变磁场 H 1
, 进而衍生出
作用下, 试件表面产生感生涡电流I 2
[ )] ( 5 )
B 3c= μ 0 H 1+ χ( H w-H c
,
涡流磁场 H 2 ; 同时试件被磁化, 产生磁化磁场 H 3
表示裂纹存在导致的磁化磁场减小值。
式中: H c
方向一致。当被测试件为非铁磁
该磁场方向与 H 1
由上述分析可知, 当探头对含有裂纹的试件进
的合
不为0 , 导致空间中磁
性材料时, 涡流检测探头获取的是 H 1 与 H 2
。当被测试件为铁磁性 行扫查, 经过裂纹区域时 H c
减小, 空间的复合磁场强
磁场, 此时不存在磁场 H 3
化磁场的磁感应强度 B 3
、 的
材料时, 涡流检测探头获取的是 H 1 H 2 与 H 3
度B 随之减小。
合磁场。
处放置磁性芯片, 当被测试件为 1.2 涡流趋肤效应
在检测点 A 1
当激励线圈通入交变激励信号时, 试件不同深
铁磁性材料时, 磁性芯片在空间中检测到的复合磁
度处的涡流密度分布不均, 涡流场集中在试件表面,
、 、 的矢量和, 可表示为
感应强度B 是B 1 B 2 B 3
这种现象称为趋肤效应。
( 1 )
涡流趋肤效应的渗透深度可表示为
B= B 1+B 2+B 3
1
δ= ( 6 )
π μ f σ
式中: δ 为涡流的渗透深度; 为被测试件的磁导
μ
率; 为交变信号的激励频率; σ 为被测试件的电
f
导率。
由式( 6 ) 可得, 渗透深度δ 与激励频率 、 被测
f
试件电导率 σ 以及磁导率 μ 成反比, 通常认为试件
表面到涡流密度衰减至表面涡流密度1 / e 位置的距
图1 铁磁性材料涡流检测原理
离为趋肤深度。由此可知, 受激励信号频率以及被
1
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2023年 第45卷 第2期
无损检测