基于复合励磁法的漏磁检测

王学增，戴 光，赵 天，任 毅

（1.中国石油大庆石化分公司，大庆 163000；2.东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318）

1 检测原理

在20世纪80年代末，俄罗斯学者拉谷洛夫最早在电机研究中提出了复合励磁方式。随后俄罗斯、美国与日本等国先后完成了基于混合励磁的电机研制［1－2］。复合励磁漏磁检测原理为：以直流电励磁源和永久磁铁励磁源相结合作为复合励磁励磁源，用以磁化被检测的工件；当被测工件上有裂纹或腐蚀等缺陷时，磁力线在缺陷处会发生畸变；用特定的传感器采集被测工件所产生的漏磁场；通过计算机汇编程序显示被测工件的完整性。串联复合励磁漏磁检测为直流电励磁磁路与永久磁铁励磁磁路相串联的漏磁检测。当被测试件表面或近表面没有缺陷时，磁力线大部分从试件内部通过；当被测试件表面存在缺陷时，其中一部分磁力线从试件内部通过，一部分在缺陷处溢出试件表面，形成漏磁场［3－4］。在磁化过程中，如果被测工件厚度小于等于8mm，由永久磁铁作为励磁结构的励磁源；如果被测工件厚度大于8mm，由永久磁铁和直流电磁铁所构成的复合励磁源作为励磁结构的励磁源，图1为复合励磁磁化过程框图。

图1 复合励磁磁化过程框图

以线圈缠绕在衔铁上的串联复合励磁漏磁检测模型为研究对象，应用ANSYS有限元分析软件对该模型进行仿真模拟。为了应用race命令建立线圈作为电磁激励载荷，采用8节点的solid96单元作为有限元分析的单元类型。采用映射网格将模型划分成规则的六面体若干份，可有效控制模型中各部分的网格精度，保证较高的计算精度［5］。采用race命令，在衔铁上建立跑道型线圈以作为直流电励磁的载荷，由于模型为单连通铁区，所以采用DSP法对模型进行求解计算，通过软件的计算求解，得出复合励磁磁感应强度云图。图2为复合励磁磁化结构云图和缺陷处漏磁场云图，由于race命令建立的线圈为虚拟载荷而并非实体建模，虽然电流载荷参数参与了计算，但在计算结果的云图上并不能显示出电流载荷。

图2 复合励磁磁化结构云图和缺陷处漏磁场云图

提取缺陷上方高度1mm，且与高度方向垂直的多个路径点，改变安匝数大小，拟合不同安匝数对水平和竖直方向的磁感应强度B的影响。图3为水平方向和竖直方向的磁感应强度分量拟合图。从图中可以清晰地看到，提高安匝数时，水平和竖直方向的磁感应强度都有一定程度的提高，由此验证了复合励磁思想在漏磁检测领域应用的可行性。

图3 磁感应强度水平、竖直方向的分量拟合图

2 串联复合励磁漏磁检测仪的结构设计

以行进方向与磁化方向为同一个方向，将线圈缠绕在衔铁上，与永久磁铁产生的磁场相互作用构成复合励磁励磁源［6］。整体磁化结构如图4所示，其中包括驱动手柄、数据采集单元、支撑护板和行走单元等。数据采集单元采用13通道高灵敏度的霍尔传感器，并将其水平排列，扫描宽度为130mm。传感器盒上方安装锥形弹簧，防止传感器盒碰到平板上的焊疤等障碍物时受到硬性破坏［7］。为防止提升螺栓与漆包线发生刮蹭，在衔铁和提升螺栓中添加尼龙套筒。设计数据采集卡选用PCI总线数据采集卡，动态采集缺陷漏磁场分量及传感器位移信息；在采集卡上可对信号进行预处理，滤除噪声信号，放大缺陷信号。触屏式计算机用于波形实时显示、数据返放及存储。

图4 复合励磁漏磁检测仪结构

3 试验结果和分析

使用直流电池和永久磁铁共同作为励磁源，添加200 W 滑动变阻器以调节直流电磁路的电流大小，在磁路中加入开关以控制直流电磁路的开关，采用最高支持16通道的工控机对漏磁信号进行数据的采集、返放等功能，利用之前设计的磁化结构，组建复合励磁漏磁检测系统，图5为复合励磁漏磁检测系统的实物照片。

图5 复合励磁漏磁检测系统

利用如图5所示的复合励磁漏磁检测系统进行试验。以6，8，10 mm 的Q235 钢板 为对象，在钢板表面预先制作深度为20%，40%，60%，80%板厚的缺陷，分别通入电流0，2，4，6，9A，对被测钢板进行磁化，让复合励磁漏磁检测仪在相同的4个缺陷上方通过，最后保存所采集的数据文件。返放所采集的数据文件，图6（a）为永久磁铁励磁作用下，不同深度缺陷处的漏磁信号波形，图6（b）为复合励磁作用下，不同深度缺陷处的漏磁信号波形。从图6 中可以明显看出，复合励磁作用下的缺陷漏磁场信号比永久磁铁励磁作用下的缺陷漏磁信号要强。

图6 永磁励磁和复合励磁漏磁信号波形

由于每次数据采集时的基线不一样，所以统一选取第一次数据采集的基线为标准，把刚采集的数据文件导入Origin数据拟合软件中，拟合上述几种情况下的峰值。图7 分别为6，8，10mm钢板上深度为80%板厚的缺陷的磁感应强度B峰值与基线的差值拟合曲线，从图7可以看出，在对6，8mm 钢板的试验中，随着通入电流的增加，峰值和基线之间的差值也在不断增加；而从对10 mm钢板的试验中可以看出，通入6，9A 电流时，峰值和基线的差值没有变化，证明10mm 的钢板没有被磁化饱和。

图7 不同厚度钢板缺陷处B 峰值与基线的差值拟合曲线

4 结论

（1）通入电流的大小会对缺陷处漏磁场的空间分布有影响，主要表现在其能改变缺陷漏磁信号的峰值与基线值的差值。当通入直流电的电流增大时，直流电励磁回路的安匝数增大，复合励磁整体磁路的励磁强度得到增强。

（2）缺陷的几何尺寸对缺陷处漏磁场的空间分布有影响，主要表现在缺陷的深度对缺陷处漏磁场的影响。随着缺陷深度的增加，缺陷处的磁力线的畸变程度增大，缺陷上方漏磁场有所增强。

（3）被测钢板的板厚对钢板的磁化饱和程度有影响，随着被测钢板板厚的增加，钢板的磁路变宽，钢板越不容易被磁化饱和，钢板的磁化饱和程度也就会降低。

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