漏磁探伤原理

漏磁探伤原理第一节磁学基础知识一、磁现象和磁场载流导体的周围存在着磁场，磁化后的物体如磁铁棒的周围也存在着磁场，虽然磁铁棒磁场和载流导体周围磁场的产生不一样，但都认为磁场是由电流产生的。在历史上很长一段时间里，磁学和电学的研究一直彼此独立地发展着。人们曾认为磁与电是两类截然分开的现象，直至19世纪，一系列重要的发现才打破了这个界限，使人们开始认识到电与磁之间有着不可分割的联系。一个电子围绕原子核在轨道上旋转，形成一个微小的电流环。由于电流环的存在，就有磁场。而所有物质的原子周围都有电子旋转，所以我们可以想象所有的物质都有磁效应。这种效应对大多数物质是很微弱的，但有一些物质，包括铁、镍、钴等，具有很强的磁效应。电子除沿轨道的运动外，还存在本省的自转，这两种运动都能产生磁效应，而电子自转的效应是主要的。这种电子或电荷的运动相当一个非常小的电流环，这个小电流环在效果上就是一个微小的磁铁。显然每一个原子电流环的磁矩都很小，但是一根磁铁棒里的亿万个原子电流环所呈现的总效应就能在磁铁棒的周围形成一个强大的磁场。所有磁化物体都有一个北极（N极）和一个南极（S极），它们不能独立地存在。磁极不能孤立存在，而电荷却可以。这是磁场和电场的重要区别之一。二、相对磁导率和磁性物质磁导率标示材料被磁化的难易程度，它的符号μ表示，单位为H/m。为了比较各种材料的导磁能力，把任何一种材料的磁导率与真空磁导率的比值，叫做这种材料的相对磁导率，用μr表示。按照物质的磁性质，一般材料可分为抗磁性、顺磁性和铁磁性三类。（1）抗磁性物质：置于磁场中，其内部的磁感应强度将减小，相对于磁导率μr略小于1。铜、铅等为抗磁性物质。（2）顺磁性物质：置于磁场中，其内部的磁感应强度将增加，相对磁导率μr略大于1。铝、锰等为顺磁性物质。（3）抗磁性物质：置于磁场中，其内部的磁感应强度急剧增加，相对磁导率μr》1，可达几千甚至几十万。铁、镍、钴及它们与其他金属元素组成的合金为铁磁性物质。三、磁学基本物理量1.磁感应强度B磁感应强度又称磁通密度，表示磁场内某点性质的基本物理量。其方向与该点的磁感应线方向一致，大小用通过垂直于磁场方向的单位截面积上的磁感应线数目来表示。国际单位制中，磁感应强度单位是特斯拉（T）。1T=1Wb/m22.磁通量Φ磁通量表示在磁场中穿过某一截面积A的磁感应线数。在均匀磁场中，由于各点B的大小与方向相同，如取截面A与磁场方向垂直，则Φ=B·A。国际单位制中，磁通量的单位为韦伯（Wb）。3.磁场强度H因为磁感应强度B与磁场内的介质有关，为了排除磁介质的影响，引入磁场强度矢量H，它的大小仅与产生该磁场的电流大小及载流导体的分布形状有关。磁场强度H和磁感应强度B有如下关系：H=B/μ。在国际单位制中，磁场强度的单位为A/m。四、磁化与磁化曲线1.磁化通常在未磁化的铁磁性物质中，电子自旋磁矩可以在小范围内“自发地”排列起来，形成约为10-9m3的自发磁化区，在区域称之为磁畴。无外磁化场作用时，磁畴呈无规则的排列，所以在宏观上不显示磁性。在施加外磁场后，在磁化场力矩作用下，各磁畴在一定程度上沿着磁场方向排列起来，这种过程称为铁磁性物质的磁化。a.无外磁化场作用的磁畴分布b.有外磁化场作用的磁畴分布2.磁化曲线铁磁性材料的磁化特性通常用磁化曲线（B—H曲线）来表征，它反映了材料磁化程度随外磁场变化的规律以及铁磁性材料所具有的高磁导率、磁饱和性和磁滞性。起始磁化曲线和磁滞回线图中，0ab为曲线为起始磁化曲线。在施加外磁场H之前，材料是没有磁化过的，外磁场H=0，B=0。当H增大时，B起先增大得快，然后较慢，到后来变成几乎不增加了，这一状态叫做磁饱和，饱和点b处的B值叫做饱和磁感应强度Bm。由b点处减小外磁场时，材料中的磁感应强度不沿原来ba0下降变化，而沿bc变化。即使外磁场为零，仍剩余一个0c的磁感应强度，这个磁感应强度叫做剩磁Br。当反方向增加磁场时，磁感应强度沿cd变化，至H值为0d时，B值为零，这时的磁场强度称为矫顽力Hc。进一步反向增大磁场，沿de变化，磁感应强度在负方向饱和。如果这时沿反方向减小磁场，磁感应强度的曲线就沿ef变化。当进一步沿正向增大磁场时，便出现fgb，这个封闭的曲线bcdefgb不管以后进行多少次反复都不会发生变化。可以看出，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞，因此该曲线也称作磁滞回线。五、铁磁材料的磁性分类铁磁性材料品种繁多，磁性各异。按照材料的磁性，大致可分为硬磁材料、软磁材料和介于二者之间的常用钢铁材料。1.硬磁材料硬磁材料的特点是磁滞回线较宽，具有较大的矫顽力和磁能积，剩磁也较大，磁滞现象比较显著。若将硬磁材料放在外加磁场中充磁后取出，它能保留较强的磁性，而且不易消除。因此常用它制造永久磁铁。最早的硬磁材料为淬火后的高碳钢，或加有钨、铬等元素的碳钢。2.软磁材料软磁材料的磁滞回线狭窄，具有较小的矫顽力，磁导率高，剩磁也较小，故其磁滞现象不很显著。常用的软磁材料有电工纯铁、坡莫合金等。3.常用钢铁材料工业上常用的钢铁材料范围很广，它们的磁性差别很大，有的接近于硬磁材料，而有的又相似于软磁材料。然后更多的是介于软硬磁材料之间，既半硬磁状态。根据工业上常用钢材的成分状态所引起的磁特性参数变化的规律，大致可分为四类：第一类，磁性较软。它们包括供货状态下含碳低于0.4%的碳素钢，含碳低于0.3%的低合金钢，以及退火状态下的高碳钢。这类钢磁导率高，矫顽力低，剩磁较小，容易被磁化，剩磁也不大。第二类，磁性中软，它们包括供货状态下含碳大于0.4%的碳素钢及同种状态下的低中合金钢、工具钢及部分高合金钢，同时还包括此类钢在淬火后进行450度以上回火温度者。这类钢较第一类磁导率有所下降，矫顽力有所提高，磁性有所降低。但总的还是容易被磁化，剩磁也不大。第三类，磁性中硬。此类材料包括淬火后并进行300~400度回火的中碳钢、低中合金钢、高合金工具钢的供货状态，半马氏体和马氏体钢的正火和正火加高高温回火状态，以及大部分冷拉材料。它们的磁性较前两类为“硬”，磁化有所困难，剩磁也较高。第四类，磁性较硬。包括合金钢淬火后回火温度低于300度的材料，以及工具钢马氏体不锈钢热处理后硬度较大的材料。这类钢由于磁性较硬，磁化困难，需要较大的外加磁场进行磁化。同时，此类材料剩磁也较大，退磁比较困难。第二节漏磁检测一、漏磁检测发展国外对漏磁探伤的理论研究较早，1933年Zschlug初次提出用磁粉显示磁化刚体上由缺陷产生的漏磁场这种测定方法以来，有70年的历史。但是直到1947年Hastings设计了一套漏磁检测系统后，漏磁检测才得到了普遍承认。1965年，日本株式会社和住友金属株式会社设计出记录式磁探伤机械装置。对于缺陷漏磁场的计算始于1966年，Sheherb-inin和Zatsepin提出了磁偶极子法，对磁场与缺陷的相互作用理论发展起到了推动作用。该理论指出:铁磁材料磁化时，缺陷周围产生漏磁场，可以把缺陷两侧表面看作两个磁极,用等效的磁偶极子来模拟，而各种表面缺陷可用三种磁偶极子模型来模拟，并做了实验验证。之后，苏、日、美、德、英等国相继对这一领域开展研究，形成了两大学派，主要为研究磁偶极子法和有限元法两大学派。Shcherbinnin和Poshagin用磁偶极子模型计算了有限长表面开口裂纹的磁场分布。1975年，Hwang和Lord采用有限元方法对漏磁场进行分析，首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。并且分析了矩形槽深度、宽度、角度对漏磁场的影响。有限元方法是从麦克斯韦方程组出发，列出任一点磁矢方程，然后使用有限元分析技术，求出漏磁场的分布。Atherton把管壁坑状缺陷漏磁场的计算和实验测量结果联系起来，得到了较为一致的结论。1986年，Edwards和Palae在漏磁场的计算方面，把解析法向前推进了一步，对无限长表面开口裂纹进行了分析，得出了二维表达式；并且推出了有限长开口裂纹的三维表达式，从中得出当材料的相对磁导率远大于缺陷深宽比时，漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论。从他们的表达式中，也从侧面验证了Hwang、Lord的有限元计算的正确性。在技术应用方面，美国、英国、德国、日本等国家处于领先地位，漏磁最早是应用到管道的缺陷检测上的。Zuschlug于1933年首先提出应用磁敏传感器量漏磁场的思想，但直至1947年Hastings设计了第一套漏磁检测系统，漏磁检测才开始受到普遍的承认。20世纪50年代，西德Forster(霍斯特公司)研制出产品化的漏磁探伤装置。1965年，美国TubecopeVetco国际公司采用漏磁检测装置Linafog首次进行了管内检测,发了Wellcheck井口探测系统,能可靠地探测到管材内外径上的腐蚀坑、横向伤痕和其它类型的缺陷。1973年，英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为600mm的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测，首次引入了定量分析方法。ICO公司的EMI漏磁探伤系统通过漏磁探伤部分来检测管体的横向和纵向缺陷，壁厚测量结合超声技术进行，提供完整的现场探伤，即使在恶劣的施工环境中也可以提供可靠，准确的测量结果。二、漏磁检测原理及其特点漏磁法检测从磁粉检测中演变而来的，是建立在铁磁材料的高磁导率这一特性之上。其基本原理是：被测材料在外加磁场作用下被磁化，当材料中无缺陷时，磁力线绝大部分通过被测材料，磁力线均匀分布，无磁力线穿出或进入被测材料表面；当材料内部有缺陷时，缺陷切割磁力线，由于缺陷的磁导率小，磁阻很大，使磁力线在被测材料中改变路径。大部分改变路径的磁通将优先从磁阻较小的缺陷底部的被测材料中通过，使这部分被测材料趋于饱和，不能接受更多的磁力线。此时，有一部分磁力线就会泄漏出材料表面，当越过缺陷后进入被测材料中，因而形成缺陷漏磁场。用磁敏元件检测被磁化材料表面逸出的漏磁场，就可判断缺陷是否存在。同样尺寸的缺陷，位于表面上和表面下形成的漏磁场不同：表面上缺陷产生的漏磁场大；缺陷在表面下时，形成的漏磁场将显著变小。a.管体无缺陷时b.管体有缺陷时钢管中的磁场漏磁检测法的主要特点：(l)对各种损伤均具有较高的检测速度；(2)对铁磁性材料表面、近表面、内部裂纹以及锈蚀等均可获得满意的检测效果；(3)探头装置结构简单、易于实现、成本低且操作简单；(4)由于磁性的变化易于非接触测量和实现在线实时检测,磁场信号不受被测材料表面污染状态的影响，进行检测时被测材料表面就不需清洗，因此将大大提高检测的效率，减小工作量；(5)可以实现全自动化检测，非常适合在流水线上进行质量检测和生产过程控制。三、影响漏磁场的因素真实的缺陷具有比模拟缺陷复杂得多的几何形状，况且它们千差万别地存在于不同的工件中，要计算其漏磁场是很难的。在检测中，要使它们的漏磁场达到足以形成明确显示的程度是很有意义的，这里，必须考虑影响缺陷漏磁场强弱的各种因素。影响缺陷翻磁场的因素主要来自列三个方面。1.磁化场对漏磁场的影响（1）当磁化程度较低时，漏磁场偏小，且增加缓慢；（2）当磁感应强度达到饱和值的80%左右时，漏磁场不仅幅值较大，而且随着磁化场的增加会迅速增大；（3）漏磁场及其分量与钢管表面的磁感应强度大小成正比；（4）漏磁场及其分量与磁化场方向和缺陷侧壁外法向矢量之间的夹角余弦成正比。2.缺陷方向、大小和位置对漏磁场的影响（1）缺陷与磁化场方向垂直时，漏磁场最强；（2）缺陷与磁化场方向平行时，漏磁场儿乎为零；（3）缺陷在工件表面的漏磁场最人，随着离开表面中心水平距离的增加漏磁场迅速减小；（4）缺陷深度较小时，随着深度的增加漏磁场增加较快，当深度增大到一定值后漏磁场增加缓慢；（5）缺陷信号的幅值与缺陷宽度对应，缺陷长度对漏磁信号几乎没有影响；（6）缺陷宽度相同时，随深度的增加，漏磁场随之增大。3.工件材质及工况对漏磁场的影响钢材的磁特性是随其合金成分(尤其是含碳量)、热处理状态而变化的，相同的磁化强度、相同的缺陷对不同的磁性材料，缺陷漏磁场不一样，土要表现为以下二点：（1）对于几何形状不同的被测物体，如果表面的磁性场相同而被测物