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基于ACFM技术的交变电磁场检测设备研发与应用_毕业论文范文

本站原创   发布时间:2018-12-26   [点击量:637]  


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1.1交变电磁场检测技术简介及研究意义

    交变电磁场检测技术(Alternating current field measurement,简称ACFM)是一种在涡流检测和漏磁检测基础上发展起来的新兴的无损检测技术[1],该检测技技术主要应用于金属构件特别是铁磁性构件的表面及近表面裂纹、焊缝等缺陷的无损探伤。具有非接触测量、受工件表面影响小的特点[2]。具有不需要祸合剂、不需要显影剂、操作简单等特点,己经愈来愈多的应用在水下、航空、航天、石油管道、压力容器等特种设备的无损检测中[3]

    在对海底石油管道、平台构件以及高空中的游乐设施、大型承压设备进行无损检测时,被检设备自身的位置、环境等因素使得对这些构件进行检测变得相当困难,且误判、漏判的概率较大。交流场检测技术由于不需要祸合剂、不需要显影剂而使得操作极为简单,使用一定的机械装置即可代替人工进行检测。

    交流场检测技术的原理是:通过向一激励线圈中通入交流电,通过U型铁氧体磁芯将磁通引入被测金属,交变测磁场在被检测的金属表面感应出交变电流。该感应电流在待测金属中的未焊透、裂纹、疲劳损伤等缺陷受到扰动而改变流向,从而形成感应磁场。通过检测并分析工件待测金属表面由缺陷引起的磁场扰动,可判定缺陷的长度、深度等信息,从而实现对缺陷的评定[4-5]。

    目前我国经济处于高速发展时期,经济的发展对能源的需求继续攀升。海上油田、陆上石油管道以及天然气管道的数量在急剧攀升[6],无损检测的行业需求也随之上升;同时,上世纪八九十年代所兴建的也己经到了疲劳阶段,达到了事故发生高峰期。

    对于金属表面探伤一一特别是水下金属构件的表面探伤,一直是行业内比较棘手的问题。金属表面多带有喷漆,且表面较内部凹凸不平,易对超声波回波造成干扰;使用磁粉检测需对表面进行处理,程序复杂,更不能用于水下检测。因此,发展一种对待检试件表面处理要求低、可用于水下检测特别是深水检测的无损检测方法,成为无损检测界的新一代目标。

    ACFM检测技术的主要原理为电磁感应原理,对待测构件表面的喷漆、凹凸等状况几乎没有反应,因此只需对待测试件表面进行简单处理甚至不处理即可,对于水下检测,ACFM检测仪器通过潜水员或深水机器人控制移动即可完成检测,相比于常规检测方法而言,具有操作简单,精度高等优点。

1.2交变电磁场检测技术的国内外研究现状

    ACFM技术是由交流电压降测量法(ACPD)发展而来的[7-8]。由于多数待检金属表面存在喷漆、氧化等情况,而ACPD测量法需要检测探头同金属有良好的电接触。为克服这一缺陷,通过电磁感应原理将交变电磁场通入金属内,在待测金属表面及近表面感应出交变电流,因此无需直接接触即可检测。该方法结合了ACPD检测技术无需校准和涡流检测技术无需接触的优点[f}l。该技术最早由英国的伦敦大学的研究人员提出,随后英国的TSC公司研制了相应的仪器并应用于实际检测[9]。位于中国天津的中海油田服务股份有限公司购买了该产品,在实际应用中发现该产品并不能较好的判断缺陷的位置、深度等信息,且存在较高的误判、漏判几率。

    目前,TSC公司己经研制出基于ACFM检测技术的裂纹检测仪器,如:UP 19便携型金属裂纹检测仪、U31D水下式金属裂纹检测仪、ACFM步行式信息收集器等。美国材料实验协会(ASTM)制订了标准编号为E2261- 07的ACFM焊缝检测标准规范。国外的ACFM检测仪器在北海、墨西哥湾、波斯湾、和美国西海岸都有应用[10]。除此之外,Dariush Mirshekar-Syahkal, Mostafavi[12-15]于1997年提出施加交流信号于单矩形线圈上的励磁方法,将检测线圈放置于激励线圈的下方,使得试件表面的电磁场更加均匀,检测灵敏度得到了更进一步的提高。

2002年A.Raine[16]设计了复合矩形线圈作为激励线圈,实现了自差分、较小提离效应等优点,且提高了检测速度与精度。

    国内研究相对于国外研究起步较晚,1989年中国船舶科学研究中心的周敏健、翁振平于全国第六届实验力学学术会议上发表了“交流电场方法裂纹检测原理及应用”的文章,阐述了交流电场法检测技术的原理、应用等[l7];1998年北京工业大学的陈建忠,史耀武[18]开始对该项检测技术进行初步研究,随后中国石油大学(华东)的陈国明教授对基于ANSYS软件建立U型交流电磁场检测(ACFM)激励探头的参数化仿真模型,并进行试验验证,在此基础上采用仿真方法分析了U型激励探头结构尺寸对均匀感应电流分布的影响[19]。2009年11月陈国明教授等人又提出了使用正交双U型线圈产生匀强旋转磁场,消除缺陷方向对检测灵敏度的影响[20]。2013年,南昌航空大学开发出多款基于磁阻传感器的ACFM检测仪器,检测灵敏度也达到较高的水平。近年来,国防科技大学、中国石油大学(华东)、南昌航空大学相继研发出相应的检测仪器,对检测时金属表面的交变电磁场进行可视化处理。然而目前的检测仪器存在精度差、剩磁干扰大的缺点,使得检测结果仍然难以达到令人满意的结果。

1.3课题的研究内容及思路

   1.3.1研究内容

   本文根据法拉第电磁感应定理以及麦克斯韦方程组对ACFM技术进行了理论分析与数学建模。依据理论分析及数学模型组建了专用于ACFM技术的实验平台,通过该实验平台探索了不同材料的最佳激励频率,研究了待检试件表面各点各方向上感应磁场的磁感应强度、相位同缺陷的大小、深度的关系。

    检测不同的金属材质需要不同频率的激励,目前的检测仪器不具备更改激励频率和激励电压的功能。本文设计的正弦信号激励电路由直接数字式频率合成器、低通滤波器、程控放大、功率放大等部分组成,克服了以往ACFM检测仪激励源频率、电压不可调的缺点。经过试验验证,该电路产生的激励频率、电压稳定可调,输出电流大,信噪比高。满足了交变电磁场检测系统对激励源的要求。

    为提高抵抗待检金属剩磁的能力,满足处理不同频率信号、以及绘制蝶形图的要求,该电路使用双线圈拾取感应磁场信号,克服了磁阻传感器量程小、易受乘」磁干扰的缺点。该仪器使用开关电容滤波器对线圈采集到的感应磁场信号进行带通滤波,具有处理不同频率信号的能力。使用加法器对垂直于待检试件表面的感应磁场信号进行相位调整,使缺陷两端该方向上的感应磁场相位相同,解决了因相位不同带来的蝶形图绘制不正确的问题。

    该电路可检测不同材质的金属,具有检测精度高,工作稳定可靠,抗干扰能力强的特点。

 1.3.2研究思路

1.理论分析ACFM技术的检测机理

   依据麦克斯韦电磁场理论、电磁感应原理、固体金属电子传输理论等电磁学理论基本知识,分析金属表面及近表面裂纹对交流电磁场的扰动并建立相应的数学模型。

     2.搭建简易试验平台。设计一套可用于测量金属表面各方向上每一点磁场大小的仪器,采集金属表面各处磁场大小。

     3.构建交变磁场缺陷定量评定的综合参数系统。对不同材料、不同缺陷长度、不同缺陷深度的试件在不同的提离高度、不同的激励频率的情况下进行多次测试,探索在检测不同材质金属时,矩形激励线圈所需的最佳激励频率;探索同种金属在不同提离高度、不同激励频率时,缺陷两端及底部磁场的大小并推断提离高度、激励频率、缺陷长度及缺陷深度四者之间的关系。收集相应的数据并建立裂纹缺陷与交变磁场特征分布之间的关系模型,依据大量的试验数据和理论数学模型,构建扰动磁场缺陷定量评定的综合参数系统。

      4.简化试验平台,制作便携式仪器。 根据实验结果对上述实验平台进行完善化、集约化,提高仪器检测精度及可靠性,减小仪器体积大小以便做成适宜手持的便携式仪器。

1.4研究创新与不足

1.4.1研究创新

以往的研究中,感应磁场检测传感器多使用AMR、TMR等输出幅值大、信噪比高的集成传感器,受剩磁干扰且传感器量程有限,为避免了上述问题,本文研究使用直径为1 mm的锰锌铁氧体作为检测线圈的骨架,绕制了袖珍型的检测线圈,避免了待测试间表面剩磁带来的干扰,增大了检测的量程,使用加法器对B z—路信号进行相位调整,有效避免了缺陷两端相位相反造成显示界面上出现两个峰值的现象。

1.4.2研究不足

一是对于缺陷的深度的判断仍然存在待提升的空间,特别是对于埋深比较深的缺陷。不同的检测对象、不同的探头、不同的提离高度等外部因素都会导致深度的计算公式不一样,这就给检测带来比较大的挑战,因此有必要探索一种使用范围广、精度高的缺陷深度计算方法;二是实际检测的对象,具有各种形状,特别是圆形和K型较多,有必要开发带有弧度的探头和前角有45℃倾角的三角探头,这都将成为今后深入研究的方向和内容。


1.5构建交变电磁场检测技术的数学模型


   该模型通过对待测金属时间表面的交变电磁场而建立,能够对缺陷周围各处的磁场大小进行准确的推断出缺陷的深度和长度以及缺陷周围各处的磁场大小。

设激励电流在待检金属表面上方空气中产生的磁场为,缺陷在空气中产生的感应磁

20181226195746260

20181226195755556


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