钢管漏磁检测设备性能的改进

    漏磁检测方法( MFLT) 广泛应用于检测铁磁材料制成的各种管道、容器表面及其内部的缺陷^［1－5］. 抽油杆( 简称钢管) 是原油采集生产中重要的部件，需要定期检测和质量评价，以防止由于管壁损伤或潜在的缺陷的存在引起生产安全事故.

    目前，有源励磁方式以其励磁强度易于控制，对被检测工件的适应性强等特点，正逐渐取代传统的永恒磁铁励磁方式. 在钢管漏磁检测装置的设计开发中，励磁部分和探头的优化设计非常关键. 钢管材料磁导率具有非线性，通常励磁磁场使钢管处于饱和状态，因此缺陷漏磁场具有较强的非线性^［6－9］. 本文根据缺陷漏磁场的特点，采用有限元数值仿真方法，对励磁系统进行了优化设计，并探讨了磁路的状态、探头导磁板参数对探头检测性能的影响，提出了可行的解决方法，有效地提高了漏磁检测设备的检测性能.

    1 理论分析

    钢管漏磁检测装置结构和原理如文献^［10］所示，励磁线圈采用双线圈励磁方式，Hall 探头组件安装在两个线圈之间，沿圆周向均匀分布. 线圈通过直流励磁电流，在钢管壁内产生一轴向近似均匀的磁场，将钢管励磁到饱和状态. 若钢管壁内有缺陷，就会在缺陷附近空气中形成漏磁场. 检测时，钢管沿轴向匀速运动，当钢管壁内的缺陷通过霍尔探头时，霍尔探头就会拾取到缺陷漏磁通.

    近年来，以变分法为基础建立起来的有限元法，在各类电磁场问题的定量分析和优化设计中得到了广泛的应用. 由于磁场的方向同钢管运动的方向一致，当钢管的运动速度很低 ( 约0. 5 ms－1) 时，可近似按静磁场问题处理. 在励磁系统优化设计问题中，考虑求解问题的轴对称性，可以用 2D 静磁场模型求解.

    1) 计算线圈导体内部的电流密度:

式中: J 为励磁线圈的电流密度; I 为线圈的总电流安匝数; S 为线圈的有效载流面积.

    2) 电流密度 J 形成的磁场由 Maxwell 方程组决定:

式中: H( r，z) 为磁场强度; B( r，z) 为磁通密度; J为电流密度; μ 为材料磁导率. 对于非线性磁材料，μ 为 H 的函数，需要进行迭代求解.

    定义矢量磁势 A 满足:

▽ × A = B，▽·A = 0.       ( 4)

则:

▽²A = － μJ.       ( 5)

    根据式( 2) ～ 式( 5) 的约束关系，利用有限元法可求解漏磁检测模型中的 A 值，对于 2D 问题，A 只有周向分量，即每个节点只有一个自由度.

    2 励磁系统的优化设计

    2. 1 确定励磁线圈参数

    采用有限元方法进行优化设计. 有限元仿真模型的参数根据检测装置的具体要求来设定. 钢管的外半径为37 mm，壁 厚 6 mm，长 度 取1000 mm; Hall 探头采用 UGN3515，封装尺寸为4. 64 mm × 2. 16 mm × 1. 2 mm，其感应中心区域离外边缘约 1. 08 mm，提离值大约为 1. 5 mm，即漏磁信号的测量点位于 r = 38. 5 mm 处. 钢管材料的磁化特性采用文献［7］的数据.