馮 搏, 伍劍波, 邱公喆, 康宜華

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院, 武漢 430074；2.四川大學 機械工程學院, 成都 610065)

漏磁檢測是一種高效率、高可靠性的無損檢測方法，能對鐵磁性材料的內(nèi)、外缺陷進行全面檢測。在歐美國家，漏磁檢測技術(shù)自20世紀60年代開始被大量用在石油化工、能源和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，保障材料、構(gòu)件和產(chǎn)品的質(zhì)量與使用時的安全性[1-6]。我國漏磁檢測技術(shù)的起步則相對較晚，自20世紀80年代開始，在楊叔子院士的帶領(lǐng)下，我國也將漏磁檢測技術(shù)用于鋼絲繩斷絲檢測和鋼管裂紋檢測等領(lǐng)域[7-9]。此后，國內(nèi)外眾多學者對漏磁檢測技術(shù)進行了深入的研究，研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面：① 基于磁偶極子模型和有限元法的缺陷漏磁場理論分析與建模；② 漏磁場的激勵方法與漏磁信號的傳感方法；③ 缺陷尺寸、提離距離、磁化強度和檢測速度等參數(shù)對漏磁信號的影響規(guī)律；④ 漏磁信號的反演與定量評估。在上述研究的基礎(chǔ)上，漏磁檢測理論與應(yīng)用體系已基本建立。

隨著當代科技的迅速發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)的變革與應(yīng)用環(huán)境的變化對漏磁檢測提出了許多新的挑戰(zhàn)，在新需求的驅(qū)動下，漏磁檢測方法與技術(shù)都取得了一些新的研究成果。對此，針對需求驅(qū)動下的漏磁檢測發(fā)展進行綜述，主要對速度驅(qū)動下的漏磁檢測方法的發(fā)展進行總結(jié)。

1 高速度驅(qū)動下的需求與挑戰(zhàn)

GB/T 19830-2005標準規(guī)定鋼管在出廠前必須進行全面檢測。對于鐵磁性材料的檢測，漏磁檢測法具有效率高、能同時檢測內(nèi)外缺陷和無需耦合劑等優(yōu)勢，因此鋼管出廠前主要采用漏磁檢測法進行檢測。為了避免鋼管堆積，保證生產(chǎn)的鋼管能及時出廠，一般直接將漏磁檢測作為鋼管生產(chǎn)線中的最后一道工序，做到生產(chǎn)的同時進行在線檢測。隨著鋼管生產(chǎn)效率的提升，鋼管在生產(chǎn)線上的運行速度也逐漸增大，熱軋鋼管在經(jīng)過冷床后速度大于3 m·s-1，在定徑階段速度高達8～18 m·s-1。常規(guī)漏磁檢測方法的研究集中在低速和靜態(tài)階段，面對生產(chǎn)速度的提升，必須對高速漏磁檢測進行更多研究。

漏磁法也可用于鋼軌檢測[10]，通常將檢測設(shè)備固定在檢測車廂上，在列車的牽引下沿鐵路運動完成掃查。在“高鐵走出國門”的戰(zhàn)略部署下，國內(nèi)高鐵網(wǎng)絡(luò)里程數(shù)快速增加，高鐵技術(shù)也得到迅猛發(fā)展，目前已投入使用的高鐵運行時速高達80 m·s-1。在這樣的速度下進行檢測對漏磁法提出了新的挑戰(zhàn)。另外，漏磁法也被用于礦井提升鋼絲繩和電梯鋼絲繩的檢測[11-12]，目前高速鋼絲繩的運行速度高達820 m·s-1，也對漏磁檢測提出了新的速度需求。

新的檢測需求要求漏磁檢測速度不斷提升，在漏磁檢測中，當工件和直流磁化器的相對運動速度大于3 m·s-1時，即認為是高速漏磁檢測。在檢測速度提升的同時，更多復(fù)雜的電磁效應(yīng)也凸顯出來，制約著檢測速度的進一步提高。在前期的研究與實踐中發(fā)現(xiàn)，漏磁檢測速度的提升將導(dǎo)致檢測信號的畸變，嚴重影響信號的一致性，甚至導(dǎo)致漏檢。因此，需要對高速漏磁檢測時的電磁效應(yīng)與動態(tài)磁化機理進行深入分析，探究制約漏磁速度提升的根本原因，進而提出相應(yīng)的解決方法，突破現(xiàn)有漏磁檢測方法的速度瓶頸。

2 磁化滯后效應(yīng)對高速漏磁檢測的影響

2.1 高速漏磁檢測中的磁化滯后效應(yīng)

磁偶極子理論和漏磁試驗結(jié)果都表明，缺陷漏磁場的大小與試件的磁化強度呈正相關(guān)[13]，因此試件中磁場的建立是漏磁檢測的前提。磁化過程是一個暫態(tài)響應(yīng)的過程，根據(jù)楞次定律，鋼材外部磁場發(fā)生突變時，其內(nèi)部會形成渦流，并產(chǎn)生反向磁場阻礙內(nèi)部磁場的建立，磁化滯后效應(yīng)如圖1所示(圖中t為時間，H為磁場強度)，當激勵磁場在t0時刻發(fā)生突變時，試件中的磁場經(jīng)過一定的響應(yīng)時間以后才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，該效應(yīng)被稱為磁化滯后效應(yīng)。在高速檢測時，試件高速通過磁化器產(chǎn)生的磁場區(qū)域，其內(nèi)部磁場還未達到穩(wěn)定狀態(tài)就已離開檢測區(qū)域，導(dǎo)致漏磁檢測信號產(chǎn)生畸變。

圖1 磁化滯后效應(yīng)示意

為了得到磁化滯后效應(yīng)的具體響應(yīng)時間，針對鋼棒和鋼管建立了如圖2所示的理論計算模型。通過求解麥克斯韋方程，得到單匝線圈正弦激勵時鋼棒和鋼管內(nèi)的軸向磁場[14-15]，分別如式(1),(2)所示。

(1)

-[βI1(αRi)I0(βRi)-αI1(βRi)I0(αRi)]βK0(βr)}cos(αz)dα

(2)

圖2 鋼棒和鋼管磁場計算模型

對于方波激勵，可通過傅里葉變換將激勵信號分解為多個諧波信號的疊加，分別計算出磁場響應(yīng)，再通過傅里葉逆變換得到磁場的時域響應(yīng)。在圖3(a)所示的激勵下，由式(1)和(2)可以計算出鋼棒和鋼管內(nèi)的磁場響應(yīng)，分別如圖3(b)，(c)所示。由圖3可知，鋼棒與鋼管外表面的磁場都是先達到一個較高的值，再回到穩(wěn)定狀態(tài)，而內(nèi)表面磁場則是緩慢增大，經(jīng)過一定時間后達到穩(wěn)態(tài)。根據(jù)材料屬性的不同，這一過程大約需要幾十至幾百毫秒。楊理踐等[16]也對此進行了研究，通過有限元分析法對飽和磁場的建立過程進行了仿真，發(fā)現(xiàn)了鋼管內(nèi)壁磁場的變化明顯滯后于激勵磁場的變化，并分析了磁化強度和鋼管材料對磁化滯后時間的影響。由此可知，在高速漏磁檢測中，受磁化滯后效應(yīng)影響，試件內(nèi)部缺陷的信號幅值將減小，使缺陷變得難以檢測。

圖3 鋼棒和鋼管中磁場的時域響應(yīng)

2.2 高速漏磁檢測中的動生渦流效應(yīng)

漏磁檢測時，磁化器與被測試件之間發(fā)生相對運動，相對運動問題可分別從磁化器和試件2個參考系展開分析。當試件靜止不動，磁化器在靠近試件到離開的過程中，相當于給試件施加了一個類似圖3(a)所示的激勵 ，磁化滯后效應(yīng)使得試件的內(nèi)部缺陷難以被檢測到。目前，高速漏磁檢測的研究更多在磁化器參考系中進行，即磁化器靜止不動。試件在磁化器產(chǎn)生的磁場中運動時，產(chǎn)生動生渦流

J=σv×B

(3)

式中：J為電流密度;v為試件運動速度，B為空間磁感應(yīng)強度。

對于鋼管，利用柱坐標將式(3)寫為

Jθ=σvz×Br

(4)

通過有限元分析法可以得到鋼管運動時的渦流分布(見圖4)。在鋼管進入和離開線圈的區(qū)域，由于徑向磁場方向相反，渦流方向亦相反。根據(jù)式(4)，在線圈軸向中心位置，由于磁場幾乎沒有法向分量，因此不會產(chǎn)生渦流。但從圖4可以看出，在線圈軸向中心位置，鋼管中仍有渦流。這是由于渦流在端部產(chǎn)生后，會發(fā)生擴散，擴散規(guī)律遵守控制方程式(5),趨于在管體中均勻分布，最終各點的局部渦流密度趨于0。式(5)中，擴散系數(shù)1/μσ決定渦流耗散的速率，由于鋼材具有較大的磁導(dǎo)率，在高速檢測時，鋼管在較短時間內(nèi)從線圈端部運動到中間，渦流擴散過程還未結(jié)束，因此在中間區(qū)域的管壁內(nèi)也存在部分渦流。

(5)

圖4 鋼管中動生渦流的分布

圖6 線圈增長前后檢測信號一致性對比

在動生渦流的作用下，管壁內(nèi)的磁化狀態(tài)受到影響，鋼管在靜態(tài)時和10 m·s-1的運動速度下，管壁內(nèi)的磁場分布如圖5所示。由圖5可知，在鋼管運動時，其外表面磁場有所增強，而內(nèi)表面磁場則有所減弱。根據(jù)漏磁場與鋼管磁化強度的關(guān)系可知，動生渦流將導(dǎo)致外壁缺陷信號的增強和內(nèi)壁缺陷信號的減弱。

圖5 鋼管靜止和運動時的磁場分布

UDPA，SHIN，PARK等[17-19]也通過有限元仿真得到了動生渦流的分布，并發(fā)現(xiàn)信號基線漂移、信號畸變等現(xiàn)象。LI等[20]通過Ansoft仿真得到各深度的裂紋在不同檢測速度下的信號，DU等[21]通過Ansoft仿真發(fā)現(xiàn)了動生渦流集膚效應(yīng)并得到了渦流的擴散范圍和檢測速度之間的關(guān)系。PULLEN等[22]在進一步的研究中指出內(nèi)表面缺陷的漏磁場隨速度增大而減小，而外表面缺陷漏磁場的變化趨勢則相反，其信號隨速度的增大而增大，在對厚壁管進行檢測時該效應(yīng)更明顯，該漏磁場變化規(guī)律與圖5顯示的管壁磁場變化規(guī)律相符。

3 高速檢測中的無損檢測新技術(shù)

3.1 高速漏磁檢測中的補償方法

試件受有效磁場作用的時間由2個因素決定，分別為有效磁場的空間范圍和試件的運動速度。當檢測速度一定時，可通過增大磁場作用范圍的方法削弱磁化滯后效應(yīng)的影響，為驗證其可行性，將磁化線圈的軸向長度增大至1 m，并對比線圈增長前后的信號，結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出，用常規(guī)線圈進行檢測時，內(nèi)外缺陷的檢測信號在高速與低速時都出現(xiàn)了明顯的變化，而在線圈軸向長度增大后，在0.1 m·s-1和10 m·s-1的檢測速度下得到的漏磁信號幾乎一致[23]。

圖7 多級磁化器布置示意

增長線圈長度的方法雖然能有效保證信號的一致性，但線圈體積過大增加了檢測設(shè)備的成本和功耗。楊理踐等[24]同樣基于增長磁化時間的考慮，提出用多級磁化器增大有效磁場作用范圍的方法來抑制磁化滯后效應(yīng)的影響，多級磁化器布置如圖7所示。該研究通過畢奧-薩伐爾定律計算了線圈的磁場分布，對多級磁化器間距進行了優(yōu)化，并通過試驗得到磁化器級數(shù)與信號一致性的關(guān)系。

USAREK等[25]則從信號擬合的角度出發(fā)，提出一種高速漏磁檢測信號的補償方法。首先，通過試驗測得同一缺陷在不同檢測速度下的漏磁場法向分量，對結(jié)果進行最小二乘擬合后，發(fā)現(xiàn)漏磁信號幅值隨速度線性增大，擬合結(jié)果為

Bz(v)=0.446v+2.494

(6)

式中：Bz(v)為漏磁場大??；v為檢測速度。

在實際檢測中，對其他速度下測量的漏磁信號進行如式(7)所示的補償處理，歸一化為靜態(tài)測量信號。

Bz(v=0)=Bz-0.446v

(7)

式中：Bz為動態(tài)漏磁場測量值；Bz(v=0)為歸一化后的靜態(tài)測量信號。

3.2 動生渦流無損檢測新方法

在漏磁檢測中，動生渦流會對試件的磁化狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而干擾漏磁檢測信號，一般被認為是一種不利于檢測的因素。從另一個角度出發(fā)，動生渦流的產(chǎn)生為檢測提供了一種新的電磁場源。在常規(guī)渦流檢測中，一般通過給線圈通交變電流的方式在被測金屬試件中產(chǎn)生渦流，并通過缺陷對渦流及其磁場的擾動對缺陷進行判定。動生渦流產(chǎn)生后，缺陷同樣能對動生渦流及其磁場產(chǎn)生擾動，若能對此信號進行提取，把對檢測不利的動生渦流加以利用，形成一種基于動生渦流的高速電磁檢測新方法。

為了驗證動生渦流檢測方法的可行性，首先對非鐵磁性材料進行了測試，以避免漏磁信號對動生渦流檢測信號的干擾。通過2種方式(見圖8)進行了試驗[26]：① 采用固定的磁化線圈產(chǎn)生空間磁場，試件在輥輪帶動下高速通過磁化線圈，并通過置于線圈中的磁敏傳感器提取動生渦流檢測信號；② 固定試件，用永磁體和磁敏傳感器組成小型化探頭，在電機和傳送帶的作用下在試件上方進行高速掃查。

圖8 2種動生渦流檢測試驗裝置

圖9 不同速度下2 mm深缺陷的動生渦流檢測信號

用圖8(b)所示的裝置，在不同速度下對金屬板中2 mm深的缺陷進行檢測，結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，檢測速度越大檢測信號的幅值越大。因此，動生渦流法將尤其適用于高速檢測場合。

3.3 動生渦流熱成像檢測新方法

在進行動生渦流檢測試驗時，發(fā)現(xiàn)在動生渦流的焦耳熱效應(yīng)作用下，被測試件溫度會升高，尤其在進行高速檢測時，試件升溫速度愈加明顯。基于上述對動生渦流熱效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合熱成像方法高分辨率和缺陷可視化的優(yōu)勢，提出一種新的基于動生渦流激勵的熱成像無損檢測方法[27]。利用陣列磁場(電磁鐵激勵或永磁體激勵)在試件表面高速運動產(chǎn)生的動生渦流作為激勵，裂紋等缺陷會引起渦流傳導(dǎo)路徑的變化，并在試件表面形成可探測的畸變溫度場。與傳統(tǒng)的高頻大電流激勵線圈方式相比，一方面，與切割磁力線速度成正比的動生渦流激勵在更高的探傷速度下加熱效率更高，即可獲得更高的探傷靈敏度，因此該方法適用于高速檢測；另一方面，當磁鐵線速度為100 km·h-1時，動生渦流滲透深度為5 mm，遠大于傳統(tǒng)高頻激勵線圈產(chǎn)生渦流的滲透深度，因此試件內(nèi)/外缺陷均能夠在表面形成可探測的畸變溫度場，此時，該熱成像檢測方法適用于內(nèi)/外缺陷全覆蓋檢測，對實現(xiàn)鋼管及其他金屬構(gòu)件的高速無損檢測具有重要的理論意義和實用價值。

圖10 基于永磁體旋轉(zhuǎn)的動生渦流產(chǎn)生原理及其熱成像檢測裝置布置示意

動生渦流產(chǎn)生原理如圖10(a)所示，安裝在十字磁軛上的4個永磁體在鋼管內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律以及歐姆定律微分方程，鋼管中會產(chǎn)生動生渦流環(huán)路。當渦流行經(jīng)缺陷附近時，其分布會隨之發(fā)生變化，并在裂口兩端形成渦流密集分布區(qū)域。檢測裝置布置如圖10(b)所示，在變頻電機驅(qū)動下，陣列磁場旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)可調(diào)，紅外熱像儀用于拾取鋼管表面缺陷區(qū)域的溫度場變化。圖11所示為永磁體以轉(zhuǎn)速為1 500 r·min-1(永磁體線速度約為120 km·h-1)旋轉(zhuǎn)10圈后，鋼管縱向裂紋區(qū)域的溫度場熱圖。從圖11可以看出，動生渦流焦耳熱量集中在裂紋兩端，與非缺陷區(qū)域形成了明顯的溫度場差異，說明利用動生渦流作為激勵的熱成像檢測方法具有可行性。圖12所示為不同旋轉(zhuǎn)速度下裂紋端部與非缺陷區(qū)域溫度差隨時間變化的曲線。從圖12可以看出，旋轉(zhuǎn)速度越快，差值增加速度越快，因此更高的運行速度有利于缺陷檢測。圖13所示為永磁鐵以1 500 r·min-1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)10圈后，裂紋端部與非缺陷區(qū)域溫度差隨裂紋走向變化的曲線。從圖13可以看出,不同走向缺陷形成了有明顯差異的溫度場分布，其中縱向裂紋形成的畸變溫度場最為明顯，斜向裂紋次之，橫向裂紋最弱。因此，在進行鋼管動生渦流熱成像檢測時，為實現(xiàn)不同走向缺陷的全覆蓋檢測，需要設(shè)計多維外激勵磁場進行激勵。

圖11 鋼管縱向裂紋的溫度場分布(永磁體轉(zhuǎn)速為1 500 r·min-1)

圖12 不同轉(zhuǎn)速下裂紋端部與非缺陷區(qū)域溫度差隨時間變化的曲線

圖13 裂紋端部與非缺陷區(qū)域溫度差隨裂紋走向變化的曲線

4 結(jié)語

近年來，在高速檢測需求的驅(qū)動下，漏磁檢測領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的研究成果，尤其是磁化滯后效應(yīng)的研究，揭示了影響高速漏磁檢測信號一致性的深層原因。在此基礎(chǔ)上，通過理論建模與試驗得到的磁化滯后時間被用于設(shè)計高速檢測時的勵磁裝置，有效地減弱了磁化滯后效應(yīng)對高速漏磁檢測的影響。在動生渦流的相關(guān)研究中，通過有限元仿真，明晰了管壁內(nèi)的動生渦流分布及其對管道磁化以及漏磁場的影響。在對動生渦流研究的基礎(chǔ)上，一種基于動生渦流擾動磁場的電磁檢測新方法也在近年被提出。

隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步和新應(yīng)用對象的出現(xiàn)，漏磁檢測技術(shù)將面臨更高檢測速度的挑戰(zhàn)。未來，可在以下幾個方面開展高速漏磁檢測研究，以適應(yīng)新的高速檢測需求。① 從磁化角度出發(fā)，進一步優(yōu)化勵磁裝置，設(shè)計合適的空間恒磁場抑制磁化滯后效應(yīng)的影響。② 試件從進入磁化區(qū)到離開的過程中，內(nèi)部磁場一直處于動態(tài)變化中，從漏磁場拾取角度出發(fā)，探究傳感器排布對檢測效果的影響，并使用新型傳感器，提高弱磁信號獲取能力。③ 從信號處理角度出發(fā)，通過數(shù)據(jù)融合與機器學習等新算法對信號進行處理，保證不同速度時檢測信號的一致性。④ 從檢測原理出發(fā)，在漏磁檢測的基礎(chǔ)上探索新的檢測方法，例如在目前對動生渦流檢測方法的研究中，發(fā)現(xiàn)渦流強度以及缺陷產(chǎn)生的擾動磁場都隨檢測速度的增大而增大，在極限速度下漏磁檢測法可能失效，但從漏磁檢測衍生出的動生渦流檢測法以及熱成像法將有望成功應(yīng)用于各類高速檢測環(huán)境。