磁轭夹角可变的旋转磁场探伤仪.pdf

无损检测2023年第45卷第8 期79仪器研制DOI:10.11973/wsjc202308015磁轭夹角可变的旋转磁场探伤仪王延东,孔建彪?,黎明,任伟彬?,杨继胜,刘正存”,王宁3（1.济宁市特种设备检验研究院，济宁2 7 2 0 0 0;2.菏泽市产品检验检测研究院，菏泽2 7 40 0 0；3.济宁鲁科检测器材有限公司，济宁2 7 2 0 0 0)摘要：将旋转磁场探伤仪的底部关节活动距离转换为磁轭夹角变化，设计了一种磁轭夹角可变的旋转磁场探伤仪并进行验证试验。首先通过理论计算获得旋转磁场的磁场分布及其变化规律，并通过仿真确定磁场变化轨迹以及磁场强度变化程度，以确认理论计算是否正确。然后制作灵敏度试块，测试仪器提升力、有效磁化范围以及缺陷检出灵敏度，确定调节电流相位方法的有效性。试验结果表明,该方法对长度不小于 9 mm 的自然缺陷可以做到1 0 0%检出。关键词：旋转磁场；磁场分布；仿真；磁粉检测中图分类号：TG115.28文献标志码：A文章编号：1 0 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 8-0 0 7 9-0 6Rotating magnetic field flaw detector with variable yoke angleWANG yandong,KONG Jianbiao,LI Ming,REN Weibin,YANG Jisheng,LIU Zhengcun,WANG Ning?(1.Jining Special Equipment Inspection and Research Institute,Jining 272000,China;2.Heze Product Inspection and Testing Institute,Heze 274000,China;3.Jining Luke Testing Equipment Co.,Ltd.,Jining 272000,China)Abstract:A rotating magnetic field detector with variable angle of the magnetic yoke was designed by convertingthe movement distance of the bottom joint of the rotating magnetic field detector into a change in the angle of themagnetic yoke,and the validation tests were conducted.Firstly,the magnetic field distribution and its variationpattern of the rotating magnetic field were obtained through theoretical calculation,and the trajectory and degree ofmagnetic field intensity variation were determined through simulation to confirm whether the theoretical calculationwas correct.Then a sensitivity test block was manufactured to test the instruments lifting force,effectivemagnetization range,and defect detection sensitivity,and determine the effectiveness of the current phaseadjustment method.The experimental results showed that this method can achieve 100%detection of naturaldefects with a length of no less than 9 mm.Key words:rotating magnetic field;magnetic field distribution;simulation;magnetic particle inspection磁粉检测在锅炉、压力容器、管道等设备的焊缝表面检测中应用十分广泛，为了提高检测效率，检出多个方向的缺陷，经常选用旋转磁场探伤仪进行检测。但受旋转磁场探伤仪尺寸的影响，对于公称尺寸不大于3 0 0 mm的小管径对接焊缝，仪器与管道表面易出现耦合不良，因此检测效果较差。收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 6作者简介：王延东（1 96 9一），男，本科，高级工程师，主要从事特种设备安全的相关工作通信作者：刘正存，1 3 453 541 3 2 标准NB/T47013.4承压设备无损检测第4部分：磁粉检测中，对交叉磁轭装置规定，应使用标准试片对交叉磁轭法进行综合性能（系统灵敏度）验证，两磁轭间夹角为90。标准JB/T6870一2 0 0 5携带式旋转磁场探伤仪技术条件对旋转磁场探伤仪的灵敏度、提升力及磁化范围提出了相关要求，但对两对磁轭间角度则未作规定。为解决小径管磁粉检测效果较差的问题，笔者参考相关行业标准，设计了一种底部关节可在一定程度上进行活动的旋转磁场探伤仪，将底部关节活动距离转化为磁轭夹角变化，并通过仿真及模拟试块检测试验对其检测效无损检测2023年第45卷第8 期80磁轭夹角可变的旋转磁场探伤仪王延东，等：果进行验证。试验结果表明，该方法对长度不小于9mm的自然缺陷可以做到1 0 0%检出。1旋转磁场的产生及分布1.1获得旋转磁场的方法通过多种方法均可获得旋转磁场，目前旋转磁场探伤仪大多数都使用十字交叉式磁轭及两相电源来获得旋转磁场（见图1），使用三相交流电源的任意两相（A和B)，调压后分开给两磁轭供电，电源Ua供给线圈L1和L2，电源Ub供给L3和L4。受Ua同Ub之间相位差的影响，两磁轭产生的正弦交流磁场叠加，会形成椭圆形旋转磁场。L1L490P1L2L3图1十字交叉式磁轭结构示意设两磁轭产生的正弦交流磁场分别为HA和HB,HA与HB夹角为，且两磁场幅值相等,两交流磁场间的相位差为，则有HA=Hmsin ot(1)Hg=Hmsin(wt-p)(2)式中：t为时间；w为角频率。取wt=0/2,wt=/2，w t=（0 十g）)/2，分别代式（1），（2）中，得到图1 中合成磁场P的轨迹方程，即H2Hmsin(0/2)sin(p/2)JH(3)2Hmcos(0/2)cos(g/2)2=1由式（3)可得，旋转磁场的轨迹由磁场强度H、两磁场间夹角以及两磁场间的相位差共同决定。上文已假设两磁场幅值相等，故当cos(0/2)cos(/2)=sin(0/2)sin(/2),即+9=180时，P点旋转磁场轨迹为圆，其余时刻为椭圆1。当然，在P点以外，交叉磁轭形成的旋转磁场形貌就开始出现差异（见图2），当=90，=90 时，在P点处形成了圆形旋转磁场，但P点外其他位置磁场轨迹则为椭圆型，椭圆度也不一致。在点A,B,C,D处,甚至只存在单相磁场1。这表明单独规定交叉磁轭形成圆形磁场或椭圆形磁场是不严谨的，采用有效磁化范围对其形成磁场的检测能力进行描述，可能更为恰当。AKPC0DB图2不同位置旋转磁场轨迹示意1.2旋转磁场的磁场强度对旋转磁场的磁场强度进行探讨时，由于不同位置旋转磁场轨迹不一致，影响因素多，计算困难，故只对中心点P处的磁场强度进行计算。设两磁轭上产生的磁场强度HA=HB：当十=180时，可形成圆形旋转磁场，则在P点产生的磁场强度H90max=H90min=HA；当0 十=1 50 时，形成椭圆形旋转磁场，在P点产生的最小磁场强度H60min=HA/20.7HA，最大磁感应强度H60max=HAV3/21.2HA。对于交叉电磁轭，将提升力视为磁轭磁极的平均吸力，该提升力F与磁通量的平方以及磁芯横截面积S成正比，即=2/SuoF(4)式中：o为真空磁导率。由于磁场强度H与存在正比关系，则提升力F与磁场强度H的关系为H2VoF/S(5)即提升力F受到磁场强度H影响，且磁场轨迹椭圆度越大，提升力F越小2 1.3关节活动距离与磁轭夹角对应关系探伤仪底部关节活动距离与磁轭夹角对应关系如图3 所示，设磁极间距为L，底部关节活动距离为，引人辅助角，可推导出磁轭夹角、磁极间距L和I之间的关系，即sin=sin(1802)=sin 2=2sin cos(6)L X(L-2)0=arcsin(7)L2L2+4/2-4/XL无损检测2023年第45卷第8 期81磁轭夹角可变的旋转磁场探伤仪王延东，等：根据仪器实际情况，设L为1 0 0 mm，l最大为1 6 mm，此时获得磁轭夹角最小为6 8.4,最大椭圆率为0.6 8。L.L图3探伤仪底部关节活动距离与磁轭夹角对应关系2仿真分析2.1几何模型的建立针对上述磁场分布问题，利用COMSOL软件进行仿真研究，以期获得更直观的数据显示3-41建立旋转磁场探伤仪的有限元三维模型并进行仿真分析，模型包括交叉磁轭、感应工件和求解域三部分（见图4）。被检工件尺寸为1 0 0 0 mm1000mm100mm(长宽X高）；磁芯为交叉U型，尺寸（宽X长高）为40 mm220mmX120mm，求解域设置为长方体，其尺寸为2 0 0 mmX200mmX100mm（长X宽X高）。感应线圈材料设置为铜，被测物材料设置为碳钢，求解域部分设置为空气5-6 y-a图4交叉磁轭检测的几何模型网格划分采用“细化”，划分的网格如图5所示，完整网格包含2 8 7 0 6 个域单元、43 3 6 个边界元和720个边单元。2.2物理场选择及参数设定在COMSOL软件中AC/DC（交流/直流）模块选用磁场（MF）作为物理场，并将求解器研究设置为瞬态。将空气求解域的所有外边界设置为磁绝缘，矢量磁势A为零。感应线圈选择多匝线圈，线-100-50050100之yl图5几何模型的网格划分示意圈匝数设置为1 0 0 0，激励方式为电流激励，选择电流流通方向的横截面为输入面门2.3求解及结果分析设置两U型磁轭之间夹角以及时间t为变量，根据1.3 节计算结果，选取的磁轭夹角为6090,选取时间为0 1 s,为方便计算，设T=元/2 一0,线圈电流设置为sin（4元t）A 及sin（4元t十T十元/2)。磁轭之间夹角逐渐增大时，保持二者相位差不变，P点磁场由圆形变化为椭圆形，进行参数化扫描，获得中心点P处磁场的变化轨迹（见图6），当=90时，P点磁场轨迹近似圆形；=60时，P点磁场轨迹近似椭圆，与理论推算一致。(a)90y(b)60图6P点磁场变化轨迹示意同时计算P点处磁场强度H的变化，其结果如图7 所示。由图7 可得，磁场强度H峰值下降，整体有效值也随之下降，最大下降幅度为2 5%。无损检测2023年第45卷第8 期82磁轭夹角可变的旋转磁场探伤仪王延东，等：3800T-03 400T-50T-103000T-150Gr-u.V)/2600T-20T-252200T-3018800400100060020000.20.40.60.81.01.2时间/s图7减小不变时，P点磁场强度H的变化曲线在磁轭上选取M,N两点，均距P点3 0 mm，M,N,P点位置如图8 所示，减小，保证十9=180时，计算并对比三点磁场强度H,其结果如图9所示。由图9可得，P点外，交叉磁轭形成的旋转磁场轨迹及变化规律差异较大，=90时，M,N点磁场强度接近相等，但较P点处的提高1 0%；=60时，M,N点相较P点处的磁场强度分别提高20%和2 5%。M.P图8仿真试验中M,N,P点位置示意磁轭夹角逐渐减小时，调整两磁轭电流相位差，保持0 十9=1 8 0，P点磁场保持圆形，进行参数化扫描，获得中心点P处磁场强度H的变化，其变化曲线如图1 0 所示。由图1 0 可得，磁场强度H变化率不超过3%。仿真结果表明，交叉磁轭所形成的旋转磁场会随磁轭夹角变化而变化，中心点P磁场轨迹由圆变为椭圆，磁场强度H也随之降低，旋转磁场中各点磁场强度及轨迹不一致。采用相位补偿，可以保证P点处磁场强度H基本保持不变。3探伤仪性能试验3.1检测装置及试块制备所用仪器为济宁鲁科检测器材有限公司生产的旋转磁场探伤仪，根据1.1 节“获得旋转磁场的方法”中研究结果进行相位补偿，设磁极间距为T-0,点P4000T=0点M3500一T=0点NG-u.V)/S430002500200015001000500000.20.40.60.81.01.2时间/s(a)0=903400-T=0,点P3000一T=0,点M一T=0,点N2600220018001400100060020000.20.40.60.81.01.2时间/s(b)0=60图9M,N,P点磁场强度对比T-003.500T-50T-103000T-15一-T=202500T=25-T=30200015001000500000.20.40.60.81.01.2时间/s图1 00减小，保证0 十9=1 8 0 时，P点磁场强度H的变化曲线100mm，可活动最大距离为1 6 mm。分别制作DN100/125/150/200（直径分别为1 1 4，1 40，1 6 9，219mm）的碳钢管作为试验试块，用以验证仪器提升力、有效磁化范围以及自然缺陷的检测能力。3.2提升力测试制作不同管径的碳钢管，并在其中灌人金属铅，取重力加速度g=9.8Nkg-1，使每个试块质量均为12.04kg，即1 1 8 N，提升力试块规格如表1 所示。将探伤仪放置于不同管径工件之上，同时调整磁轭之间角度，使仪器与工件紧密贴合。在工件上放置码，直至工件脱离探伤仪，获得不同角度下仪器提升力，其结果如表2 所示，因仪器采用相位变化无损检测2023年第45卷第8 期83磁轭夹角可变的旋转磁场探伤仪延东，等：补偿磁轭夹角变化，故仪器提升力最大下降程度约为3%。表1提升力试块规格提升力试块编号材料直径/mm长度/mm提升力试块-145钢114300提升力试块-245钢140300提升力试块-345钢168300提升力试块-445钢219300表2提升力试验结果提升力试验结果/N试块编号直径/mm试验1试验2试验3平均值试块-1114123122122122.3试块-2140123122123122.6试块-3168125124124124.3试块-4219126125125125.3提升力试块126126126126.03.3有效磁化范围测试将探伤仪放置于不同管径工件上，同时调整磁轭之间角度，使仪器与工件紧密贴合。将未分割的A115/100型灵敏度试片黏贴于工件上，有效磁化范围试验现场如图1 1 所示。(a)DN100(b)DN200(c)平板试块图1 1有效磁化范围试验现场启动探伤仪并进行磁化探伤，测量完整显示出缺陷的灵敏度试片之间距离，获得不同角度下仪器有效磁化范围，其结果如表3 所示，有效磁化范围相对于平板状态，最大下降程度约为7%。表3有效磁化范围试验结果mm磁化范围（长宽）试块编号直径试验1试验2试验3试块-111495X9595X9595X95试块-214095X9595X9595X95试块-316895X9595X.9595X95试块-421995X9595X9595X95提升力试块102X102102102102X1023.4缺陷检测能力测试3.4.1人工缺陷检测能力测试选用DN100X6mm（壁厚）,DN200X10 mm（壁厚)的钢管，试块长度为3 0 0 mm，在试块周向0 及1 8 0 位置加工刻槽，刻槽宽度分别为0.1 1 mm，分别模拟裂纹及条孔缺陷。人工缺陷试块结构如图1 2 所示，刻槽延伸方向为试块轴向，长度为1 50 mm，高度方向为自试块内表面向外表面。DN100试块刻槽深度为3 6 mm，DN200试块刻槽深度为7 1 0 mm，埋藏缺陷最大深度为 3 mm87531506300图1 2人工缺陷试块结构示意将探伤仪放置于工件缺陷处，调整磁轭之间角度，使仪器与工件紧密贴合，进行磁粉检测，记录试块上显示的缺陷长度，计算获得缺陷的埋藏深度，人工缺陷检测结果如表4所示，可见磁轭夹角为6 0 时较90 时检测深度降低约2%。表4人工缺陷检测结果mm模拟裂纹模拟条孔试块磁轭显示计算探测显示计算探测类型夹角长度深度长度深度0=60651.26400.80人工缺陷试块10=90651.26380.760=60661.32400.80人工缺陷试块20=90681.36410.823.4.2自然缺陷检验能力测试选用DN100/125/150/200的碳钢管，在钢管上制作对接焊缝并制造自然缺陷，自然缺陷试块结构如图1 3 所示。无损检测2023年第45卷第8 期84磁轭夹角可变的旋转磁场探伤仪王延东，等：10点+008130(a)缺陷示例一10点+230008(b)缺陷示例二图1 3自然缺陷试块结构示意将探伤仪放置于工件上，调整磁轭角度并进行磁粉检测，检测结果如图1 4及表5所示，可见长度图1 4$114mm小径管纵向缺陷检测结果表5自然缺陷检测结果自然缺陷磁轭夹角试块类型管径/mm缺陷缺陷长0=600=90类型度/mm纵向缺陷17发现发现自然缺陷试块1114横向缺陷发现发现纵向缺陷23发现发现自然缺陷试块2114横向缺陷发现发现纵向缺陷9发现 发现自然缺陷试块3168横向缺陷发现发现纵向缺陷16发现 发现自然缺陷试块4168横向缺陷发现发现纵向缺陷11发现发现自然缺陷试块5219横向缺陷发现发现纵向缺陷20发现发现自然缺陷试块6219横向缺陷/发现发现不小于9mm的自然缺陷均可以做到1 0 0%检出。4结论（1）旋转磁场的轨迹由磁场强度Hm，磁轭夹角以及两磁场间的相位差共同决定，十=180时，P点磁场轨迹为圆形，其他时刻为椭圆形，除P点外，各处磁场分布不均匀，变化规律也不相同。（2）在磁轭夹角增大，不变时，P点磁场强度H逐渐降低；0 增大，保证0 十9=1 8 0 时，P点磁场强度H基本保持不变。（3）将旋转磁场探伤仪底部关节活动距离转化为磁轭夹角的变化，通过调节电流相位差，可以保证探伤仪的提升力降低不高于3%，有效磁化范围降低不高于7%，缺陷检出灵敏度降低不超过3%。参考文献：1马德志，申献辉，宋晓峰，等.磁粉探伤中旋转磁场的研究与应用.无损检测，2 0 0 6，2 8（5）：2 6 6-2 6 9.2姚力.交叉磁轭的磁化规范与提升力指标关系讨论.无损探伤，2 0 0 6,3 0（3)：8-1 1.3李伟，陈国明.交流电磁场缺陷检测系统建模与仿真J.系统仿真学报，2 0 0 9，2 1（2 0）：6 3 44-6 3 46，6 3 51.4胡祥超，罗飞路，何赞泽，等.脉冲交变磁场测量技术缺陷识别与定量评估J.机械工程学报，2 0 1 1，47（4)：17-22.5陈定光，郭少宏，邓波，等.基于交流电磁场检测的旋转磁场建模与仿真J.中国特种设备安全，2 0 2 0，3 6（8）：15-19.6LI W,YUAN X A,CHEN G M,et al.Detection ofcracks in metallic objects by arbitrary scanningdirection using a double U-shaped orthogonal ACFMprobeJJ.Materials Transactions,2016,57(5):608-612.7韩宁，张志杰，尹武良.旋转磁场阵列式传感器设计及管道缺陷的仿真研究J.仪表技术与传感器，2 0 1 9(12):17-22.8王玉雄，谭云华，吴志波，等.反差增强剂厚度对磁粉检测缺陷检出率的影响J.无损检测，2 0 2 0，42（4）：42-45.