一種用于鐵磁性管道內壁裂紋檢測的低頻交流漏磁檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鐵磁管道裂紋檢測方法，特別是基于低頻交流漏磁技術的鐵磁性 管道內壁裂紋檢測方法。該方法適用于鐵磁性管道內壁裂紋檢測，屬于無損檢測領域。
【背景技術】
[0002] 管道運輸作為當今五大運輸方式之一，在石油、化工、天然氣等領域正發揮著無法 替代的作用。以鐵磁材料為基體的承壓管道因管壁較厚、使用周期較長，內壁極易出現腐 蝕、盲孔和裂紋等缺陷。其中裂紋是對鐵磁性承壓管道機械性能影響最大的一種缺陷。作 為管道安全運行的重大隱患，裂紋的嚴重程度是指導維修決策制定的主要指標，因此迫切 需要發展一種有效的承壓厚壁管道內壁裂紋檢測方法，作為承壓管道運行可靠性的重要技 術保障。
[0003] 可以基于多種檢測原理對管道內壁裂紋進行檢測，如聲學、光學、電磁等。由于承 壓管道的基體多為鐵磁性材料，因此基于電磁原理的檢測技術在鐵磁性承壓管道無損檢測 中具有特殊優勢，國內外學者發展了多種基于電磁原理的鐵磁性管道無損檢測技術。例 如，基于電磁超聲原理，國內學者進行了厚壁管中單一模態電磁聲傳感器研制，利用激勵 出的單一縱向或扭轉模態導波對承壓管道中的裂紋缺陷進行了檢測。由于管道中超聲導 波傳播極其復雜，特別是其多模態和頻散特性，使得單模態電磁傳感器的研制及信號分析 的難度極大，限制了該方法在工業管道中的實際應用；電渦流技術也是一種常用的承壓管 道電磁無損檢測技術，該技術可以很好實現管道表面及近表面微裂紋檢測。但受電渦流 的趨膚效應影響，該方法無法用于厚壁管內壁裂紋檢測；此外，漏磁法也是也是一種常用 的承壓管道電磁無損檢測技術。根據勵磁方式的不同，漏磁檢測分為直流漏磁法和交流 漏磁法。利用直流漏磁法檢測時，其均勻飽和磁化區深度較大，可以很方便地實現管道內 壁裂紋檢測。但利用直流漏磁法對管道進行大范圍檢測時，其檢測結果受掃描速度的大小 及平穩性影響大，只有在平穩低速的條件才能獲得穩定可靠的檢測結果[基于漏磁原理 的鋼軌裂紋高速檢測[D].南京航空航天大學，2012.]。交流漏磁法避免了速度效應的影 響，在檢測時可手動靈活操作。交流漏磁技術一般通過對檢測到的交流漏磁信號進行解調 [李路明，黃松嶺，施克仁.漏磁檢測的交直流磁化問題[J].清華大學學報（自然科學 版）.2002 (02) : 154-156]和濾波處理[周小兵，康宜華，丁紅霞.交流漏磁檢測系統設計 及實驗研究[J].無損探傷.2006(04) :16-17]，利用提取出漏磁信號的幅值畸變信息表征 裂紋缺陷。同時，常規交流漏磁法采用千赫茲的激勵頻率，受趨膚效應的限制，無法實現厚 壁管道內壁裂紋檢測。
[0004] 針對上述檢測方法存在的不足，提出一種基于低頻交流漏磁技術的鐵磁性承壓管 道內壁裂紋漏磁檢測方法，用于實現鐵磁管道內壁裂紋檢測。本方法采用低頻交流勵磁，受 趨膚效應影響小，可用于厚壁管道內裂紋檢測。在缺陷表征方法方面，本方法通過對交流漏 磁檢測信號進行分析處理，可同時利用漏磁信號的相位和幅值信息用于裂紋缺陷的表征。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種鐵磁管道內壁裂紋漏磁檢測方法，特別是基于低頻交 流漏磁技術的檢測方法。在趨膚效應影響較小的條件下，該方法采用管道外壁的低頻交流 勵磁，利用內壁裂紋引起的外部漏磁信號相位和幅值的變化，計算勵磁信號與漏磁檢測信 號相位差和幅值比，從而實現鐵磁管道內壁裂紋的表征和定位。
[0006] 本發明提出的一種用于鐵磁性管道內壁裂紋檢測的低頻交流漏磁檢測方法，其基 本原理在于：
[0007] 本文提出的低頻交流漏磁技術，在低頻交流勵磁的條件下，根據磁化特性曲線，利 用外部交變磁化場對鐵磁性管道進行近飽和磁化。依據標準滲透深度公式可知，勵磁頻率 低于IOOHz時，管壁中磁回路的滲透深度大于10_。當被測管道內壁無裂紋時，磁力線均 勻、連續地通過（如圖1所示）；當被測管道內壁存在裂紋時，磁路中的磁阻增大，缺陷附近 的磁場產生泄漏，磁力線發生彎曲，部分磁力線從試件泄漏到空氣中，產生漏磁場（如圖2 所示）。
[0008] 采用交變電流勵磁，磁化場為固定頻率的交流信號。根據交流信號傳播時的波形 變化規律，當介質形狀發生變化時，交流信號在不同形狀的介質中傳播，其相位和幅值均會 發生變化。因此，交流漏磁檢測信號的頻率與磁化信號相同，但信號的相位和幅值在管道存 在裂紋時，均會發生明顯變化。若用磁感應強度B表示漏磁場強度，則交流漏磁信號與勵磁 信號的相位差和磁感應強度比均可用于裂紋的表征。
[0009] 當低頻交流勵磁信號與交流漏磁檢測信號為兩同頻正弦信號時，利用相關法可計 算兩列信號的相位差信息。當延時τ =〇時，互相關函數值與兩信號相位差的余弦值成正 比。若兩個同頻信號表示為
[0010] X (t) = Asin (ω t+Θ D+Nx (t) (1)
[0011] y (t) = Bsin (ω t+Θ 2)+Ny (t) (2)
[0012] 式中，x(t)，y(t)表示兩同頻信號，A，B為信號幅值，Nx(t)，N y(t)是環境中的噪聲 信號。則兩個信號的互相關函數為
[0013]
(3)
[0014] 其中，Rxy(〇表示延時為τ時的互相關函數，T為周期。取τ = 〇,由于信號與 噪聲相關的可能性很小，且兩個噪聲之間相關的可能性更小，因此
[0017] 其中，A爐為相位差值，而信號的幅值和在延時τ =〇時的自相關函數值有：
[0015]
[0016]
I：，可以得知，利用相關法測量相位差的計算表達式為：
[0018]
[0019] 其中，τ =〇時的自相關函數艮(〇)、&(〇)和互相關函數Rxy(O)分別為：
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 式中，N為采樣點數，χ[η]和y [η]分別為兩同頻信號。記錄不同檢測位置的相位 差信息，即可得到相位差隨檢測位置變化的裂紋表征曲線。此外，通過直接法可計算低頻交 流勵磁信號與交流漏磁檢測信號的磁感應強度比，得到該比值隨檢測位置變化的裂紋表征 曲線，從而實現兩種應用漏磁信號表征裂紋信息的方式。
[0024] 本發明的技術方案如下：
[0025] 本發明所采用的裝置參見圖3，包括函數發生器1、功率放大器2、數字示波器3、穩 壓穩流電源4和低頻交流漏磁傳感器5。首先，將函數發生器1的輸出端口分為兩路，一路 連入數字示波器3的第一通道，用于顯示低頻正弦激勵信號，另一路與功率放大器2的輸入 端口相連用于磁化被測鐵磁管道。接著，將功率放大器2的輸出端接入低頻交流漏磁傳感 器5的輸入端，其輸出端連入數字示波器2的第二通道，用于顯示傳感器檢測的同頻交流漏 磁信號。最后，將穩壓穩流電源4的正負極分別連入低頻交流漏磁傳感器5的兩供電輸入 端，用于傳感器內部磁敏元件的供電。
[0026] 本發明提出的一種用于鐵磁性管道內壁裂紋檢測的低頻交流漏磁檢測方法是通 過以下步驟實現的：
[0027] 1)被測試件選取一塊常用于制造管道的鋼板，厚度在10mm-15mm之間，單側表面 存在不同深度的裂紋缺陷，裂紋的最大深度均小于板厚；
[0028] 2)調整傳感器內部磁敏元件的信號拾取方向，當其檢測方向與被測鋼板表面的切 向平行時，檢測結果為鋼板表面的切向磁感應強度Bx，該方向的磁感應強度對缺陷深度較 為敏感。當其檢測方向與被測鋼板表面的法向平行時，檢測結果為鋼板表面的法向磁感應 強度Bz，該方向的磁感應強度對缺陷寬度較為敏感；
[0029] 3)將低頻交流漏磁傳感器置于被測鋼板表面，使其與裂紋分處鋼板兩側。調節函 數發生器，輸出一固定電壓和頻率的正弦信號用于勵磁。手動控制傳感器與鋼板表面保持 一定的提離距離，可避免其移動檢測時受表面吸附力的影響；
[0030] 4)手動控制低頻交流漏磁傳感器的移動檢測方向，使該方向與被測裂紋的長度方 向垂直。啟動功率放大器，每當傳感器被置于一個位置點，數字示波器會同時顯示傳感器在 該點的激勵信號和同頻漏磁檢測信號，同時保存兩信號；
[0031] 5)選擇垂直于裂紋長度方向的某一段直線距離，使傳感器在選定的直線距離內單 向移動檢測。檢測步長可變，檢測速度取決于數字示波器的信號保存速度，可手動靈活控 制。重復步驟（4)，記錄移動中所有位置點的激勵信號和交流漏磁檢測信號；
[0032] 6)由計算機對采集到的所有位置點的激