基于PECT-EMAT复合检测方法的铁磁性材料的复合缺陷检测.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)国家自然科学基金资助项目(.)新疆维吾尔自治区科技援疆资助项目(.)通信作者:王恪典教授:.引用格式:李鹏赵瑞祥段志荣等.基于 复合检测方法的铁磁性材料的复合缺陷检测.应用力学学报():.():.文章编号:()基于 复合检测方法的铁磁性材料的复合缺陷检测李鹏赵瑞祥段志荣解社娟王恪典(.新疆大学机械工程学院 乌鲁木齐.西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术研究中心 西安.新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 乌鲁木齐)摘 要:铁磁性材料在现代能源工业设备关键结构上广泛应用 一些关键部位由于生产、使用时产生的拉应力状态及环境影响易萌生表面应力腐蚀裂纹同时在弯管或焊缝处经长期冲蚀也可能出现内部局部减薄缺陷对工业设备结构的安全可靠性构成了严重的威胁 本研究提出并开发了基于脉冲涡流电磁超声复合电磁无损检测方法来检测铁磁性试件的表面裂纹和底部减薄缺陷 并开发了基于频谱滤波的信号分离方法成功提取出复合检测中的脉冲涡流信号和电磁超声信号实验结果表明其中脉冲涡流信号可以有效检测试件的表面裂纹电磁超声信号可以很好地定量试件底部减薄缺陷的残余厚度 由此可见本研究开发的新型方法可以同时检测试件上下表面两种类型的缺陷具有明显的优势关键词:复合检测铁磁性材料复合缺陷中图分类号:.文献标志码:./.(.):.第 期李鹏 等:基于 复合检测方法的铁磁性材料的复合缺陷检测 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:随着现代能源工业生产的发展促使社会对工业设备的需求大幅增加设备的规模也发生了较大的变化不断向大型化、高参数、长周期方向发展作为石油和天然气的储运载体的设备、石油化工行业生产设备其中一些关键部位由于生产、使用时产生的拉应力状态及环境影响易萌生表面应力腐蚀裂纹同时在弯管或焊缝处经长期冲蚀也可能出现内部局部减薄缺陷对工业设备结构的安全可靠性构成了严重的威胁 如何高效地检测这些缺陷是无损检测行业面临的挑战 对于工业设备结构件表面裂纹和底部减薄这两种类型的缺陷传统检测方法一般使用两种或多种独立的检测技术分别检测表面裂纹和底部减薄缺陷比如利用涡流或脉冲涡流技术对表面裂纹敏感这一优势来检测表面裂纹利用压电或电磁超声技术来检测底部减薄缺陷 这样容易造成设备的繁杂和操作的复杂度降低了检测效率国内外对脉冲涡流和电磁超声复合检测的研究采用的是有两个线圈的组合探头如英国的 等通过两个一激一收的电磁超声探头以及一个放置在电磁超声探头之间的脉冲涡流探头实现了对表面缺陷的检测 周正干等针对同时含有内外部缺陷的两栖装甲钢试件采用了电磁超声与脉冲涡流系统性组合的方式进行了检测虽然可以有效检出内外部缺陷但是两种方法需要分开独立检测检测效率较低 另外由于铁磁性材料具备非常优越的机械物理特性因此其材料被广泛应用于航天、航空、石油和化工等多种生产制造业中 对非铁磁性材料常见的裂纹、腐蚀减薄等缺陷的检测方法已做了相关研究最近田明明等对铝和不锈钢板等非铁磁性材料的复合缺陷进行了脉冲涡流和电磁超声的复合检测方法研究但是对铁磁性材料复合缺陷的开展基于脉冲涡流和电磁超声信号同步解析的复合检测方法研究还很少基于以上背景本研究根据理论分析提出了脉冲涡流电磁超声复合电磁无损检测方法并开发了相应的复合检测实验系统以检测铁磁性试件的表面裂纹和底部减薄缺陷通过实验方法验证该复合检测方法的可行性和有效性 该方法具有明显的优势使用同一套设备 电磁超声换能器即可同时检测出铁磁性材料 低碳钢板试件的表面裂纹和底部减薄缺陷在工程实际中具有深远的应用前景 基于频谱滤波的脉冲涡流电磁超声复合信号分离方法 传统电磁超声信号本身包含脉冲涡流部分如果能够将检出信号中的脉冲涡流成分、超声涡流成分有效地分离抽取出来即可实现复合检测的目的和效果 因此如何通过合理有效的方法分离提取出复合信号中的两种有效检测信号是本研究的关键 鉴于脉冲涡流及超声涡流这两种检测信号具有不同频域的特征因此本研究基于复合检测一体化方法提出了频谱滤波的信号分离方法 另外由于电磁超声方法检测铁磁性材料时被测试件内激发的超声机理除了洛伦兹力外还有磁致伸缩力因此本研究对铁磁性管道的复合检测方法机理也开展了进一步的研究.基于铁磁性材料的电磁超声检测原理电磁超声检测机理是通过电磁感应定律与机械应力场的耦合实现电能、磁能以及机械能之间的相互转换从而在试件内激发出超声波最终通过电磁超声探头接收超声回波信号实现电磁超声测厚或探伤的目的 与非铁磁性材料中只有洛伦兹力激发电磁超声的原理不同由于铁磁性材料具有较 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报高的相对磁导率因此其换能机理不仅包括洛伦兹力还包括磁致伸缩力以及磁化力其中磁化力最小一般可忽略不计 磁致伸缩机理主要取决于材料的磁致伸缩系数而磁致伸缩系数具有非线性特征因此磁致伸缩换能机理相对较为复杂 为了减弱磁致伸缩机理对电磁超声检测信号的影响可提供较高的偏置磁场通过局部磁饱和的形式减弱磁致伸缩机理对电磁超声检测信号的影响.基于铁磁性材料的脉冲涡流电磁超声复合方法基本原理 研究表明电磁超声检测系统中发出的检测信号中本身包含有脉冲涡流信号成分和超声涡流信号成分 其中由.节可知在铁磁性材料的电磁超声检测信号中超声涡流信号不仅包括由洛伦兹力机理贡献的超声信号还包括由磁致伸缩力贡献的超声信号 本研究通过对上述 种信号的激发及接收机理过程进行研究开发出一套基于铁磁性材料的脉冲涡流电磁超声复合检测方法 如图 所示为检测铁磁性材料的复合检测方法模型图 根据法拉第电磁感应定律通入交流电的线圈会在导电试件的表面激发出一个涡流场这个涡流场被称作为脉冲涡流 同时位于激励线圈上方的永磁铁提供较强的偏置恒定磁场 而导电试件表面的脉冲涡流在恒定强磁场的作用下会产生洛伦兹力和磁致伸缩应变其耦合后的总力会引起导体内带电粒子的振动从而激发出超声波图 脉冲涡流电磁超声复合检测方法探头.因为永磁体位于线圈的正上方且永磁体直径大约为线圈直径的.倍因此由永磁体下方穿出的磁力线垂直于线圈下方激发的表面涡流 故而由洛伦兹力激发的电磁超声波主要为横向剪切超声波简称为横波 如图 所示因为铁磁性试件在偏置强磁场的作用下被磁化导致试件局部磁饱和使得探头激发的超声波中由磁致伸缩机理产生的超声波能量被减弱由洛伦兹力激发的超声波在总超声波能量中起主导作用 当超声波在铁磁性试件内传播并反弹回到试件表面时振动的试件表面在外置恒定磁场的作用下产生新的涡流这个涡流被称之为超声涡流图 基于铁磁性材料的复合检测方法原理图.电磁超声探头的检出线圈会同时捕捉到两种涡流信号的复合信号计算式为 ()()第 期李鹏 等:基于 复合检测方法的铁磁性材料的复合缺陷检测 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 ()式中:为试样内部脉冲涡流的检出电压信号为超声涡流引发的感应线圈的电压信号 为洛伦兹力激发的电磁超声信号 为磁致伸缩力激发的电磁超声信号 为线圈中某点导体的电动势为由脉冲涡流和超声涡流引起的复合检出电压信号.频谱滤波的理论基础由.节所述基于铁磁性试件的脉冲涡流电磁超声复合检出信号中包含脉冲涡流信号以及超声涡流信号 在基于脉冲涡流电磁超声复合检测方法对非铁磁性材料进行检测时其检出的复合信号可利用频谱滤波的方法将复合信号中两种不同涡流成分检出 而针对于铁磁性材料的复合方法检测中尽管超声涡流成分不仅存在洛伦兹力超声信号还包括磁致伸缩力的电磁超声信号但是针对于检测结果的信号特征而言无论是非铁磁性材料的复合检出信号还是铁磁性材料的复合检出信号其信号处理方法的原理相同并无本质区别 故本研究也将基于频谱滤波的方法对铁磁性材料的复合检出信号进行处理和分析首先给出带通滤波分离提取脉冲涡流和超声涡流信号的理论基础 带通滤波方法需要对信号进行傅里叶分解即()()()()()()式中:为周期的一半不同谐波成分的幅值可以由 表示 如设置滤波频带为 则可使用下式进行滤波处理 ()()式中:是高通滤波频率 为低通滤波频率再对通过滤波操作后得到的各频率成分进行傅里叶级数叠加就可以得到含有不同谐波成分的时域信号接下来主要讨论 和 的选择首先针对于图 的复合检测模型进行数值建模 被测试件为 低碳钢材质的铁磁性板材长宽高尺寸为 永磁体为标准 型号的圆柱体剩余磁通密度大小约为.螺旋型线圈的外径为 线径为.共有 匝 线圈中通入激励电流为半个正弦激励脉冲信号 ()频率为 激励信号如图所示 然后通过数值计算后获得脉冲涡流电磁超声复合检测信号如图 所示 最后通过频谱滤波的方法对复合检测信号进行滤波分离最终获得脉冲涡流信号和超声涡流信号图 激励电流波形.图 复合信号波形图.)超声涡流信号成分的提取在上述频谱分析的基础上为了消除脉冲涡流信号的干扰超声滤波器的高通滤波频率应不小于 此外假定线性超声系统因为激励信号的频率在 因此响应信号的频率范围应为 左右 于是将复合信号进行 带通滤波和 带通滤波结果如图 所示因此根据以上的超声电压信号滤波结果从信噪比的角度看 带通滤波的结果更为合适 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 复合信号 带通滤波.图 复合信号 带通滤波.)脉冲涡流信号成分的提取根据上述频谱分析的结果脉冲涡流信号的频谱大多集中在 以下的低频区间所以对信号进行 低通滤波和 低通滤波结果显示如图 和图 所示从频谱分析的观点出发我们可以发现 低通滤波的结果丢失了大量的细节而 低通滤波的结果更接近真实 但是由于在铁磁性材料中由于检出信号的信噪比较大在保证信号正确的前提下选用较小的低通滤波参数可以帮助提高脉冲涡流信号的信噪比 因此相较于非铁磁性材料而言针对铁磁性材料的滤波参数应选择 的低通滤波而不是 的低通滤波综上针对于铁磁性材料的脉冲涡流电磁超声复合检测信号使用 的低通滤波分离出脉冲涡流信号使用 的带通分离出超声涡流信号 这有区别于非铁磁性材料的脉冲涡流电磁超声复合检测方法的信号分离参数并且由于铁磁性材料的复合检出信号相较于非铁磁性材料而言信噪比较差因此使用硬件滤波的方式可获得更好的分离信号图 复合信号 低通滤波结果.图 复合信号 低通滤波结果.样品制备和实验系统的搭建.缺陷试样制备本研究的研究对象为铁磁性材料如图 所示的低碳钢板试件其共制作有 种类型的人工缺陷:表面裂纹、底部减薄缺陷、复合缺陷(在同一位置同时存在表面裂纹和底部减薄缺陷)低碳钢试件的材料属性如表 所示各类缺陷的具体尺寸如表 所示图 碳钢试件.第 期李鹏 等:基于 复合检测方法的铁磁性材料的复合缺陷检测 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 碳钢试件的材料属性.密度/()弹性模量/切变模量/泊松比真空磁导率/()相对磁导率 电导率/().表 缺陷类型及尺寸.缺陷类型表面裂纹尺寸 底部全局减薄残余厚度/表面裂纹 .底部减薄缺陷.复合缺陷 .实验系统的搭建本研究分别设计制作了具有不同大小表面背部减薄组合缺陷的厚壁碳钢平板试件进行了复合检测实验基于频谱滤波分析方法的硬件滤波器滤波和软件滤波器滤波成功地从复合检测信号中分离出脉冲涡流信号和超声涡流信号有效地实现了厚壁结构表面和背部组合缺陷的同步检测.实验系统实验系统如图 所示包括电磁超声信号发生/接收器()、滤波器()、示波器、探头以及基于 的系统控制软件 装置内部的信号发生器可以发出一个可控的脉冲信号并通过其内置的功率放大器进行放大放大后的信号通过探头中的线圈并检测缺陷获得缺陷信号的检出信号经过双工器与原始激励信号分离同时检出信号经过滤波器在通过不同频段的滤波之后被示波器捕获分离后的脉冲涡流信号及电磁超声信号连接线系统操作软件双工器探头前置放大器信号选择器滤波器示波器图 脉冲涡流电磁超声复合检测方法实验系统.试验探头设计该复合方法使用的探头如图 所示由圆柱形永磁体和螺旋型线圈组成 检测试验时永磁体放置在线圈上面以提供静态磁场永磁体直径为 高为 线圈如图 所示为自激自检线圈通入脉冲激励信号后提供动态磁场并在碳钢试件上表面产生脉冲涡流同时可作为检测信号的接收线圈 线圈直径为 线径为.匝数为 匝 线圈中通入的激励信号如图 所示其中心频率为 波形为一个周期的正弦波图 复合检测探头.图 自激自检线圈.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 激励信号.结果分析与讨论.复合检测信号中脉冲涡流信号的提取与分析在实际实验中由于 低碳钢为铁磁性材料电导率相对较低根据脉冲涡流检测原理在低频激励情况下脉冲涡流的渗透深度要大因此可通过降低滤波频率来提取脉冲涡流信号 对复合检出电压信号通过 低通的硬件滤波可分离出复合信号中的信噪比较高的脉冲涡流信号如图 所示提取脉冲涡流信号的峰值作为特征量以表征裂纹的深度如图 和表 所示 结果表明复合信号中的脉冲涡流信号可以很好地检出不同深度的表面裂纹随着裂纹深度的增加其信号峰值也相应的增加 同时分离出的脉冲涡流信号对于组合缺陷的表面裂纹也可以有效检出但相应位置处的底部减薄缺陷对表面裂纹的检出具有一定的影响图 脉冲涡流信号.图 脉冲涡流信号峰值.表 脉冲涡流信号的特征量提取.表面裂纹深度脉冲涡流信号峰值/.复合检测信号中电磁超声信号的提取与分析对复合检出电压信号通过 带通硬件滤波可分离出复合信号中的电磁超声信号成分如图 所示 从图 发现电磁超声信号的一次回波基本被表面杂波湮没因此提取二次回波和三次回波之间的时间间隔作为表征试件残余厚度的特征量如表 和图 所示 结果表明复合信号中的电磁超声信号可以很好地检出不同厚度的底部减薄缺陷随着试件底部减薄的增加(残余厚度相应的减小)电磁超声信号二次回波和三次回波之间的时间间隔相应的变小 同时分离出的电磁超声信号对于组合缺陷的底部减薄缺陷也可以有效检出相应位置处的表面裂纹对电磁超声信号的回波时间间隔基本没有影响根据超声波在固体介质中的传播原理碳钢试件的残余厚度可以通过回波时间间隔来计算即()第 期李鹏 等:基于 复合检测方法的铁磁性材料的复合缺陷检测 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 电磁超声信号.表 电磁超声信号的特征量提取.缺陷尺寸一次回波时间/二次回波时间/回波时间间隔/.以 厚作为原始碳钢板的厚度所测得的回波时间间隔作为标准计算超声波在碳钢试件中的传播速度结果如表 所示表 超声波在碳钢中的横波波速理论值与测量值的比较.理论值/()测量值/()相对误差/.结果表明超声波在碳钢中的传播速度测量值与理论值基本接近 再以此测量速度来计算试件减薄处的残余厚度结果如表 和图 所示 结果表明碳钢试件的参与厚度测量值与实际值之间的误差在以内即超声信号的回波时间间隔可以很好地定量碳钢试件底部减薄缺陷的残余厚度同时对于复合缺陷处的底部减薄缺陷也可以很好地定量其残余厚度表 底部全局减薄残余厚度实际值与测量值的比较.实际值测量值/相对误差/.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 回波时间间隔.图 残余厚度测量值.结 论本研究基于脉冲涡流电磁超声信号同步解析的复合电磁检测方法检测铁磁性试件的表面裂纹和底部减薄缺陷并通过实验加以验证结论如下)复合信号中分离的脉冲涡流信号可以很好地检出不同深度的表面裂纹同时分离出的脉冲涡流信号对于表面裂纹和底部同时存在的复合缺陷的表面裂纹也可以有效检出但相应位置处的底部减薄缺陷对表面裂纹的检出具有一定的影响)复合信号中分离的电磁超声信号可以很好地定量碳钢试件底部减薄缺陷的残余厚度同时对于复合缺陷处的底部减薄缺陷也可以很好地定量其残余厚度本研究验证了基于脉冲涡流电磁超声同步解析的复合检测方法对同时检测碳钢试件的表面裂纹和底部减薄缺陷的可行性且具有很好的检测能力利用同一套检测设备和检测探头能够同时检测出碳钢试件的表面裂纹和底部减薄缺陷简化了硬件上的庞杂程度可操作性及应用性强提高了复合缺陷的检测效率具有明显的优势参考文献:于亚男罗云王景人等.特种设备全生命周期风险辨识与数据库的开发.安全():.():().():.():.():./.:.孙峥.基于电磁超声与脉冲涡流的管道内检测技术研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.唐华溢.涡流与电磁超声复合无损检测技术研究.杭州:浙江大学./.(/):.:.():.周正干黄凤英于芳芳.电磁超声和涡流组合检测方法.无损检测():.():().刘世伟.基于磁表征的铁磁性材料表面形态检测机理及其应用.武汉:华中科技大学.田明明解社娟肖盼等.基于脉冲涡流/电磁超声复合检测方法的复杂缺陷检测.无损检测():.():().贺振宜.基于磁致伸缩机理的电磁超声钢轨探伤仿真及优化研究.北京:北京交通大学.:.第 期李鹏 等:基于 复合检测方法的铁磁性材料的复合缺陷检测 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报:.韩笑.基于电磁超声的铁磁性材料机械特性参数检测的研究及实现.南京:南京航空航天大学.田明明解社娟韩捷等.基于小波分析的脉冲涡流/电磁超声复合无损检测方法.中国机械工程():./.():().:.():.:.徐平罗飞路张玉华等.基于脉冲涡流检测技术的缺陷定量检测研究.工业计量():.():().唐莺潘孟春罗飞路.阵列脉冲涡流腐蚀缺陷成像检测技术研究.计算机测量与控制():.():().(编辑 张璐)