基于分量磁通的表面缺陷无损检测技术研究

    随着我国经济不断发展,压力容器、采油平台、油气管线和建筑中钢结构使用得越来越多。由于制造偏差、残余应力和冶金因素影响,服役过程中环境介质腐蚀和疲劳载荷冲击,均会造成结构裂纹萌生和扩展,并导致最终失效。尤其是焊接部位的表面和近表面缺陷则是最严重的。通过无损检测对缺陷进行定位和定量极其重要^[1~^4]。

    常规检测技术,如磁粉、着色渗透、射线和超声波等缺陷检测技术,都各有优点。钢结构大多选用碳钢材料,具有良好的电磁特性,因而采用电磁方法进行无损检测最为适当。和传统方法相比,电磁方法具有快速、实时、灵活等特点。另外,由于电场和磁场本身的特性,用户无需借助磁粉和颜料等有形物质,便可用非接触方法对结构进行检测。检测对象无需进行表面清理(如除锈和除漆等),也不需用标准试块进行标定。从传统的涡流检测,到近年国际上一些新推出的电磁检测仪器,其原理基本上都可以归结为分量磁通技术,只是实现形式或考虑分量维数有所不同。如英国Technical Software Con2sultants(TSC) Ltd.开发的基于ACFM交流磁场技术(来源于最初的交流电位差检测技术)的检测系统TSC Inspection Systems,它拾取缺陷附近磁场两个方向上的扰动分量,以是否形成蝴蝶图案而判定缺陷性质。根据测量对象和材质不同,可以选用不同的探头或激励频率。另外TSC还成功地将该测量系统应用到残余应力和非铁磁性材料的测量。俄罗斯国际动力诊断公司推出的金属磁记忆检测系统虽然不需要施加外加激励,但是测量的物理量仍然是分量磁通。美国巴特罗实验室研发成功的基于漏磁和远场涡流技术用于大型油气管道缺陷检测的漏磁和远场涡流技术用于大型油气管道缺陷检测的漏磁和远场涡流技术用于大型油气管道缺陷检测的管道机器人,其核心技术也是分量磁通检测。另外还有德国ROSEN检测技术公司开发的油管自动检验装置。国内在该领域也有一定的进展,如西安交通大学、华中科技大学、石油大学、合肥工业大学、石家庄军械工程学院、沈阳工业大学和郑州机械研究所等单位相继对电磁检测技术进行了一些研究,开发了一些检测仪器。但是,和国外产品相比,检测质量和可靠性方面尚存在明显差距。

    电磁理论应用到无损检测技术中,核心问题有两个,即物理建模和传感器研制。对典型缺陷、不同形状金属构件的空间电磁场进行物理建模、计算和分析,并结合试验结果,便可建立起相应的模型库,为新型无损检测仪器研制提供理论基础。

    下面介绍基于分量磁通无损测量表面缺陷的技术和仪器,并给出了工程实例应用。