不銹鋼管高速漏磁檢測中有兩種電磁感應現象:鋼管內部的感生渦流和磁化線圈中的感生電流。這兩種電磁感應場作用于鋼管之后,將改變鋼管的磁化狀態,從而會影響缺陷漏磁場的強度與分布。


1. 感生磁場對管體缺陷漏磁場的影響


  當不銹鋼管管體通過磁化線圈時,線圈內部基本無感生電流產生,因此對管體缺陷漏磁場的影響主要是由不銹鋼管中產生的感生渦流磁場造成的。根據圖5-2可知,鋼管進入區產生的感生渦流與磁化電流方向相反,在離開區兩者方向相同,在線圈中間位置基本沒有感生渦流產生,進一步可獲得的感生磁場空間分布如圖5-9所示。從圖中可以看出,感生渦流在進入區與離開區形成的磁場具有對稱性且方向相反。結合線圈產生的磁化場,形成如圖5-10所示的鋼管高速運動時管體處磁化場總體空間分布。從圖中可以看出,在鋼管進入區線圈磁化場H。與感生渦流磁場H11方向相反,在離開區Ho與H2J方向相同。從而經過磁場疊加后,離開區的磁場強度大于進入區的磁場強度,進一步造成離開區不銹鋼管磁化強度大于進入區鋼管磁化強度,最終導致位于離開區的同尺寸缺陷產生的漏磁場強度高于進入區。


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  當不銹鋼管在磁化線圈中間靜止不動時,磁化場以線圈為中心對稱分布,此時磁化場強度在線圈中部最大,往鋼管兩側逐漸降低。當鋼管低速運行時,感生渦流磁場強度較低,對線圈磁化場分布影響較小,此時感生渦流相對于磁化線圈對稱分布。當運行速度提高時,感生渦流磁場強度不斷增大,其疊加于線圈磁化場之后,使得整體磁化場最大值點由線圈中部逐漸移至離開區,同時感生渦流對稱點也會由磁化線圈中部處移至離開區內。


  采用圖5-3所示的模型仿真研究鋼管感生渦流分布與運動速度的關系,仿真速度分別為0.5m/s、5.0m/s、20m/s和50m/s時提取感生渦流分布云圖,如圖5-11所示。


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  從圖5-11中可以看出,當鋼管低速運行時,感生渦流場關于磁化線圈對稱分布,隨著檢測速度的不斷提高,感生渦流場對稱分布點逐漸向離開區偏移。


  采用圖5-3所示的模型對鋼管不同區域磁感應強度與運行速度進行仿真分析。當運行速度分別為0.1m/s、0.5m/s、1.0m/s、5.0m/s和30m/s時提取鋼管內部從-80~80mm范圍內的磁感應強度,如圖5-12所示。從圖中可以看出,當運行速度較低時,鋼管磁感應強度以線圈為中心對稱分布;隨著運行速度的不斷提高,磁感應強度逐漸減小,而且鋼管離開區磁感應強度大于進入區。從而,感生磁場會引起管體缺陷漏磁場差異:同一缺陷在不同運行速度下漏磁場強度不同,速度越高,強度越低;另外,當運行速度相同時,相同當量缺陷在進入區產生的漏磁場強度低于在離開區產生的漏磁場強度。


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  建立如圖5-13所示帶有缺陷的仿真模型,研究感生磁場對管體缺陷漏磁場的影響,其中,圓環缺陷的深度和寬度分別為6mm和4mm。鋼管從左側進入線圈并以恒速通過,當缺陷與線圈中心重合時,提取缺陷漏磁場軸向分量信號。漏磁場提取路徑以線圈為中心從-10~10mm的范圍內,且與鋼管表面之間的提離距離為0.5mm。分別取速度1m/s、10m/s、20m/s、30m/s和50m/s進行仿真,獲取缺陷漏磁場軸向分量,如圖5-14所示。



  從圖5-14中可以看出,隨著鋼管運行速度的不斷提高,缺陷漏磁場軸向分量中心幅值不斷降低,并且離開區的漏磁場強度大于進入區。究其原因,由于鋼管中存在不同方向的感生渦流,導致離開區磁場強度大于進入區磁場強度。并且,隨著檢測速度的不斷提高,磁化場對稱中心逐漸移至離開區內。



2. 感生磁場對管端缺陷漏磁場的影響


  不銹鋼管中產生的感生渦流磁場和磁化線圈中產生的感生電流磁場對管端磁化狀態的影響劇烈。不銹鋼管漏磁檢測實施過程中,磁敏感元件一般放置在磁化線圈內部并貼近鋼管表面,因此,在討論感生磁場對鋼管磁化狀態的影響時,主要分析位于磁化線圈內部的鋼管耦合區域。鋼管與軸向磁化場的耦合過程主要分成三個階段:管頭進入磁化線圈、管體通過磁化線圈和管尾離開磁化線圈。


  在管頭進入磁化線圈的過程中,產生磁場的電流源包括原始磁化電流Io、不銹鋼管中的感生渦流J和磁化線圈中的感生電流l1。當管頭進入磁化線圈時,一方面,僅存在鋼管進入區與原始磁化場耦合,鋼管內只產生與原始磁化電流1。方向相反的感生渦流J;另一方面,由于磁化線圈磁通總量不斷提高,線圈中會形成與原始磁化電流1。方向相反的感生電流I1,最終,可獲得鋼管管頭處磁場的總體分布,如圖5-15a所示。從圖中可以看出,感生渦流磁場1J和感生電流磁場H1均與原始磁化場Ho方向相反,此時,總磁化場H為


  隨著不銹鋼管的進一步深入磁化線圈,鋼管管體與軸向磁化場耦合。由于磁化線圈內部磁介質總量基本不變,磁化線圈磁通總量也基本保持不變,因此磁化線圈內部基本無感生電流產生。此時產生磁場的電流源主要包括原始磁化電流I6和鋼管中的感生渦流J。在進入區,鋼管中形成與原始磁化電流1。方向相反的感生渦流J1;在離開區,鋼管中形成與原始磁化電流16方向相同的感生渦流J2,最終,可獲得鋼管管體處磁場的總體分布,如圖5-15b所示。從圖中可以看出,進入區感生渦流磁場H與原始磁化場Ho方向相反,而離開區感生渦流磁場H2J與原始磁化場方向相同,此時,總磁化場H為


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  在管尾離開磁化線圈的過程中,產生磁場的電流源包括原始磁化電流Io、鋼管中的感生渦流J和磁化線圈中的感生電流I1。當管尾離開磁化線圈時,一方面,僅存在鋼管離開區與原始磁化場耦合,因此鋼管內部只存在與原始磁化電流Io方向相同的感生渦流J2;另一方面,由于磁化線圈內部磁通總量不斷降低,線圈中會形成與原始磁化電流I。方向相同的感生電流I1,最終,可獲得鋼管管尾處磁場的總體分布,如圖5-15c所示。從圖中可以看出,感生渦流磁場H2J和感生電流磁場H1均與原始磁化場H。方向相同,此時,總磁化場H為


  從不銹鋼管與磁化場動態耦合過程可以看出,由于在管頭、管體與管尾處產生不同強度和空間分布的磁化場,從而導致鋼管不同部位的磁化狀態存在差異。根據式(5-6)、式(5-7)和式(5-8)可得出,運動鋼管管尾處磁化場強度最強,管體次之,而管頭磁化場最弱。進一步地,相同當量缺陷將在鋼管管頭、管體和管尾處產生不同強度的漏磁場。


  研究感生磁場對鋼管管端磁化狀態的影響,仍采用圖5-3所示的模型。為分析鋼管中感生渦流和線圈感生電流對管端磁化狀態的影響,仿真環境分兩種:一是同時考慮鋼管中感生渦流和線圈感生電流的情況下,分析感生磁場對管端磁化狀態的影響;二是單獨分析線圈感生電流對管端磁化狀態的影響。當鋼管運動至如圖5-16所示的三處位置時,分別提取鋼管管頭、管體和管尾的磁感應強度,并繪制成與運行速度的關系曲線,如圖5-17所示。其中,B1scB2sc和B3sc分別為同時考慮鋼管感生渦流和線圈感生電流時鋼管管頭、管體和管尾的磁感應強度;B1cB2c和B3c分別為單獨考慮線圈感生電流時鋼管管頭、管體和管尾的磁感應強度。


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  從圖5-17中可以看出,當不銹鋼管低速運行時,鋼管管頭、管體和管尾的磁感應強度差別較小。隨著運行速度的不斷提高,規律曲線可分為兩部分:急劇變化區和緩慢變化區。在急劇變化區,當運行速度提高時,鋼管管頭磁感應強度急劇降低,管體磁感應強度緩慢減弱,管尾磁感應強度急劇增強;在緩慢變化區,鋼管管頭、管體和管尾磁感應強度變化緩慢并最終基本保持不變。


  從圖5-17中還可得出,鋼管感生渦流和磁化線圈感生電流對鋼管磁化狀態的綜合影響大于線圈感生電流的單獨作用,數值有限元仿真結果與圖5-15理論分析結論相同,鋼管高速運動時發生的電磁感應現象包含鋼管中產生的感生渦流和磁化線圈產生的感生電流,并且兩者產生的感生磁場對鋼管磁化狀態的影響貢獻相當,都不能被忽略。


  綜上所述,感生磁場引起端部缺陷漏磁場差異為:鋼管運行速度越高,管頭、管體和管尾處的鋼管磁感應強度差別越大,造成相同當量的缺陷在管尾處產生的漏磁場最強,管體次之,管頭最弱。





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