一种基于涡流磁导率测量的钢管外壁裂纹检测方法与流程

本发明涉及一种电磁无损检测新技术，特别是基于涡流磁导率测量的钢管外壁裂纹检测方法。

背景技术：

钢管内、外壁裂纹定量检测及有效区分非常重要。漏磁检测在实施内、外层管壁裂纹检测时，不易区分出内壁和外壁裂纹产生的漏磁场，检测信号混为一起处理，产生内裂纹和外壁裂纹探伤灵敏度不一致现象，从而带来外伤的误报和内伤的漏报。施加磁饱和器的涡流检测，又使得涡流探伤在拾取外壁裂纹信号的同时，内裂纹信号也被显示出来，造成与漏磁探伤相同的问题。因此，在饱和磁化下，对钢管的探伤，提出仅探测外壁裂纹而能有效屏蔽内部裂纹的方法十分必要，将有利于实现不同层面裂纹的区分和精确评价。

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涡流磁导率测量的钢管外壁裂纹检测方法，特别是实现钢管外壁裂纹的区分检测，同时对饱和磁化下内壁裂纹引起的表层磁导率变化不敏感。该方法区分度高，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：一种基于涡流磁导率测量的钢管外壁裂纹检测方法，包括以下步骤：

第1步，通过磁化器将被检钢管磁化至饱和，钢管外壁裂纹周围产生最大的局部磁感应强度畸变；

第2步，同轴设置的一个涡流激励线圈和两个检测线圈组成一组检测探头，涡流激励线圈位于两个检测线圈之间，涡流激励线圈中心线沿钢管径向一面正对钢管表面、另一面正对参考钢板；两个检测线圈采用同轴差动输出，探测钢管外壁裂纹产生的磁导率变化；

第3步，钢管相对于磁化器和检测线圈运动，涡流检测信号发生变动，通过输出信号分析钢管外表有无裂纹及裂纹大小。

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，涡流激励线圈的交变激励磁场穿过空气间隙直接作用于钢管外壁和参考钢板，激励频率在1kHZ-100kHZ之间。

进一步，空间错开的两个检测线圈，一个检测线圈CA中心线沿法向正对钢管表面、另一个检测线圈CB沿法向正对参考钢板表面。

进一步，参考钢板和检测探头一起放置在磁化器内与钢管共同磁化，参考钢板与钢管外壁的距离可随灵敏度要求变化。

进一步，钢管相对于检测探头沿磁化器轴线直线运动，检测探头与钢管表面的提离值在0-5mm之间，经过外壁裂纹上方时，获取到涡流感应磁场最大的信号变化。

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。

本发明方法原理是基于差动测量裂纹导致的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。当存在内壁裂纹时，磁感线向钢管外壁方向产生扰动，内壁裂纹产生的磁场畸变引起的是外层管壁内一定区域的磁导率缓变波动。而外壁裂纹引起磁感线向内壁方向扰动，在裂纹周围形成强烈的非饱和磁化区，裂纹本身的磁导率相当于空气的磁导率，与裂纹周围的非饱和区域形成显著的磁导率突变。当钢管相对于检测探头运动时，内壁裂纹引起的表层磁导率缓变区域不能使同轴放置的检测线圈产生差动检测信号，而外壁裂纹引起的磁导率突变区域能够引起检测探头的差动信号。

检测时，利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，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。外壁裂纹和内壁裂纹附近区域分别形成磁导率突变区域和磁导率缓变区域。所述正弦信号源对涡流激励线圈施加可调节激励。所述两个检测线圈在空间错开布置，并进行差动输出，测量该磁导率突变区的感应磁场变化，输出信号的变化实现有无外壁裂纹及其大小的判断。钢管沿磁化器轴线直线运动，经过外壁裂纹区域时，获取到涡流感应磁场变化。检测探头差动输出电信号，经过相敏检波及信号调理放大模块后与数据处理模块电信号连接，实现对裂纹的实时判别。

实现上述钢管外壁裂纹检测方法的装置，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、参考钢板、相敏检波及信号调理放大模块。

基于上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明能够在钢管饱和磁化下测量外壁裂纹引起的磁导率突变信号，同时避免得到内壁裂纹的检测信号，实现内外壁裂纹信号的分离。利用差动涡流检测线圈来获取检测信号，可靠性高，弥补现有检测方法中内外壁裂纹区分的不足。可多通道同时检测钢管外壁裂纹，从而实现高速高精的钢管外壁裂纹检测。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。

附图说明

图1为无外壁裂纹时钢管饱和磁化磁感线均匀分布图；

图2为钢管饱和磁化时的外壁裂纹检测示意图；

图3为有外壁裂纹钢管饱和磁化时磁导率分布云图；

图4为传统差动检测探头检测内壁裂纹示意图；

图5为检测探头结构及线圈位置关系示意图；

图6为外壁裂纹检测示意图；

图7为内壁裂纹引起的表层磁导率缓变区域检测示意图；

图8为本发明的实施装置示意图；

图9为外壁裂纹实际检测信号示意图；

图10为本发明方法的总体具体实施方式示意图。

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无外壁裂纹时，钢管1饱和磁化磁感线均匀分布。图2为钢管有外壁裂纹时饱和磁化的示意图，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2所示的裂纹区域4。当存在外壁裂纹3时，由于外壁裂纹3对磁感线的扰动，裂纹区域具有小范围的强烈非磁饱和区，与此同时，裂纹3区域相当于空气的相对磁导率。因此裂纹及其周围区域形成磁导率剧烈变化区，图3为有外壁裂纹钢管饱和磁化时的磁导率分布云图。

采用如图4所示的检测探头结构时，若钢管存在内壁裂纹3’，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4’，并扩散到钢管内壁裂纹对应的外壁表层，呈现与无裂纹处不同的磁导率特性，因此内壁裂纹产生磁场畸变引起的外层管壁内磁导率波动能够被检出。

因此要检测出钢管外壁裂纹而避免内壁裂纹引起的表层磁导率畸变带来检测信号，采用图5所示的检测探头结构，检测探头2由激励线圈5和检测线圈6、7组成，三者在同轴放置。因此检测探头的工作方式如图6所示，当钢管1存在外壁裂纹3时，检测线圈6和接受线圈7构成的差动输出能够产生异常从而检出外壁裂纹，但是对于图7所示的钢管内壁裂纹3’，表层磁导率在空间上虽存在变异，但差动涡流检测线圈得不到输出。

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10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，在钢管外壁裂纹周围产生最大的局部磁感应强度畸变区域4。

第2步，涡流激励线圈5的中心线沿钢管1径向布置在钢管表面，激励频率在1kHZ-100kHZ之间选择，交变激励磁场穿过空气间隙直接作用于钢管1外壁和参考钢板9；与此同时，检测线圈CA和检测线圈CB，即图5中的6和7，其中心线沿钢管径向布置于钢管表面，沿钢管径向空间错开布置，两个检测线圈6、7采用差动输出，探测钢管表层裂纹产生的磁导率变化，涡流激励线圈5和检测线圈6、7共同构成它比式涡流检测探头2，与钢管表面的提离值一般在0-5mm间。当检测探头经过外壁裂纹上方时，产生最大的信号变化。

第3步，钢管1相对于磁化器和检测探头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外壁有无裂纹和裂纹大小。实验中得到12mm厚度的钢板正面的0.5mm深度，0.5mm宽度的检测信号，如图9所示。而对于相同钢板背面相同尺寸和方向的裂纹，无信号输出。

如图8所示为本方法的实施装置，装置包括检测探头2、参考钢板9、外穿过式直流磁化线圈10、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。

发明方法的总体具体实施方式为如图10所示，磁化线圈10对钢管1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位于外穿过式直流磁化线圈10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1外壁的裂纹信息。

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。