磁粉檢測中交叉磁軛的靈敏度探討

楊文峰,陳君平,尹建鋒,齊曉平

(華北電力科學研究院有限責任公司,北京 100045)

磁粉檢測靈敏度,從定量方面來說,是指有效地檢出工件表面或近表面某一規定尺寸大小缺陷的能力。從定性方面來說,是指檢測最小缺陷的能力;可檢出的缺陷越小,檢測靈敏度越高[1]。磁粉檢測靈敏度的影響因素有很多,其中,設備性能的好壞是影響磁粉檢測靈敏度的關鍵之一。在電站鍋爐、壓力容器的制造及在役檢測中,采用交叉磁軛進行復合磁化的檢測方法被廣泛應用。為了保證檢測的靈敏度,標準要求交叉磁軛復合磁化檢測采用連續移動,而不采用步進式移動。筆者使用自行研制的CDXIY型便攜式磁粉探傷儀進行實際檢測后發現,交叉磁軛靈敏度與儀器采用的勵磁方式有一定的關系。若采用步進式進行交叉磁軛復合磁化檢測,也能夠有效地檢出缺陷。針對這一問題,分析了CDX-IY型便攜式磁粉探傷儀的勵磁方式,對交叉磁軛復合磁化的檢測靈敏度進行討論。

1 交叉磁軛的磁化過程

便攜式磁粉探傷儀通常采用平面交叉式交叉磁軛,如圖1所示。

CDX-IY型便攜式磁粉探傷儀,其鐵芯截面為20mm×20mm,兩相磁軛的幾何夾角α=90°,單相磁軛之間的間距L=113mm。其基本勵磁原理為：對磁軛1和磁軛2施加幅值相等,頻率為50Hz,電壓36 V的交流電,在磁軛2上接一電容,在電容的充電放電作用下,磁軛2與磁軛1的電流相位差為π/2,形成旋轉磁場。圖2為兩相磁軛產生的磁場波形圖。

圖1 平面交叉磁軛示意圖

圖2 兩相磁軛磁場波形圖

筆者認為,CDX-IY型便攜式磁粉探傷儀的磁化過程與普通旋轉磁場探傷儀不同。當磁軛1中的勵磁電流在一個周期T內變化時,由于電容的作用,會在磁軛2中產生一個比磁軛1滯后T/4個周期(即5ms)的交變磁場。當接通磁軛1的激磁電流電源時,即 ωt=π/2,H1=Hm,此時磁軛 2中的磁場強度H2=0;當斷開磁軛1的激磁電流電源時,即ωt=2π時,H1=0,H2=-Hm。以上分析說明,交叉磁軛的一個周期內,前T/4周期內,僅磁軛1中產生交變磁場,當磁軛1中的磁場強度達到最大值時,磁軛2中才開始產生磁場;相反,當磁軛1中的磁場由反向最大值趨于零時,磁軛2中的磁場強度則達到反向的最大值。通電開始的5ms內,僅磁軛1產生單相磁場,之后整個通電過程中為旋轉復合磁場,斷電后5ms僅磁軛2產生單相磁場。因此,對于交叉磁軛形成的復合磁場中,除了會形成旋轉磁場外,在通電開始和斷電結束的5ms時間,磁軛1和磁軛2分別作為單相磁軛,產生單相磁場,即整個磁化過程為單相磁軛與復合磁場的共同作用。

2 交叉磁軛的磁場分布

2.1 單相交流磁軛的磁場分布

式中Hi——磁場強度H的瞬時值;

HA——磁場強度的幅值;

ωt——激磁電流的相位角。

交流磁軛的磁場是不均勻的,不僅分布在兩個磁極內側,其外側也同樣存在著有效磁化磁場。只是范圍較小,而且磁場方向因位置的不同而各異。交流磁軛的有效磁化范圍取決于探傷設備的性能、磁化規范、探傷條件及工件的形狀,一般是以兩極間連線為長軸L,從兩極連線中心向兩側各L/4為短軸的橢圓形所包圍的面積[2]。

2.2 旋轉磁場的復合磁化

旋轉磁場的復合磁化,是利用兩相或多相磁場相互疊加而形成的合成磁場來對工件進行磁化。當1,2兩相磁軛的激磁電流產生的磁場H1和H2分別為：

磁極所在平面幾何中心點O處的合成磁場軌跡可用下式表示[2]：

式中Hm——H1與H2的峰值;

(2)鉆井施工中，鉆進時間占整個施工時間比例較大，絞車配置了15 kW交流變頻電機驅動的自動送鉆裝置，通過大減速比實現滿足鉆進要求的給進速度和提升力，采用小功率電機較大幅度降低能耗，綠色節能；同時小功率電機噪音較大功率電機低很多，為操作人員提供較為舒適的工作環境。

α——兩相磁軛的夾角;

φ——兩相磁軛激磁電流的相位差。

式(4)為一橢圓方程,橢圓形狀是由磁場幅值Hm、兩相交流磁場夾角α及其相位差φ三個參數確定的。旋轉磁場的兩相交變磁場具有一定的相位差,復合磁場就能夠形成旋轉磁場。旋轉磁場軌跡的形狀,取決于交叉角α和兩相交變磁場的相位差φ以及兩相交變磁場的幅值Hm。當H1=H2=Hm,φ=π/2,且 α=90°時 ,兩磁極在其平面幾何中心點O處的合成磁場軌跡為一圓形的旋轉磁場,使用工頻交流電供電,則每秒鐘旋轉50圈,20ms旋轉一圈。

3 交叉磁軛的靈敏度分析

交叉磁軛在磁化過程中既有單相磁軛的磁化過程,也有旋轉磁場的復合磁化過程。交叉磁軛的靈敏度是單向交流磁軛靈敏度和旋轉磁場靈敏度的共同作用。

3.1 單相交流磁軛的靈敏度

標準JB/T4730.4—2005中規定磁軛的磁極間距應控制在75～200mm之間,檢測的有效區域為兩極連線兩側各50mm的范圍內。因此可以認為,交流磁軛檢測的有效區域為長75～200mm,中心兩側寬為50mm的一個橢圓形區域[3]。在這個橢圓形區域內,磁力線分布是不均勻的,中心區域磁場強度較強,邊緣區域磁場強度較弱。實際探傷中,通過靈敏度試片測試,在邊緣區域磁場強度能保證靈敏度的前提下,則其邊緣所包圍的軌跡中,均為有效磁化范圍,在這一范圍內的靈敏度也就可以保證。

3.2 旋轉磁場的靈敏度

3.2.1 旋轉磁場幾何中心點靈敏度分析

交叉磁軛在不同位置所形成的旋轉磁場軌跡形狀不同,因此,當 φ=π/2,且 α=90°時 ,兩個磁軛在其平面幾何中心處O點合成磁場軌跡為圓形,磁場強度均勻。由于單相磁極與工件接觸時,兩磁極間的磁力線大體上平行兩磁極的連線,因此,可以認為,單相磁軛的兩磁極之間,在磁極寬度范圍內的磁場強度均大致相同。因此,筆者認為,兩相磁軛的磁力線在幾何中心交叉部位,即邊長為28mm×28mm正方形區域內的磁場強度大小相同,也可以形成圓形旋轉磁場軌跡。所以,從理論上講,則中心處O點及兩相磁軛磁力線交叉范圍內所形成的圓形復合磁場,靈敏度各向相同,如果Hm足夠大,則這一區域的靈敏度完全能夠滿足。

3.2.2 旋轉磁場幾何中心點外靈敏度分析

旋轉磁場當 φ=π/2,且 α=90°時,雖然在其平面幾何中心處O點區域合成磁場軌跡為圓形軌跡,但在此區域之外的其它位置都變成了橢圓形,而且位置不同,橢圓度也各不一樣[5]。由此可以看出,旋轉磁場在四個磁極包圍的范圍內,磁場分布是不均勻的。在兩相磁軛磁極所在的平面中心處O點及兩相磁軛磁力線交叉范圍外的區域,其靈敏度與合成磁場的長軸和短軸上的磁場強度大小有關,與單相磁軛磁化過程類似。實際探傷中,通過靈敏度試片測試,在短軸方向磁場強度能保證靈敏度的前提下,則其長軸方向磁場強度也就能保證靈敏度。在短軸方向,磁場強度能夠滿足靈敏度所包圍的軌跡中,均可認為是有效磁化范圍,在這一范圍內的靈敏度也就可以保證。

3.3 交叉磁軛的靈敏度

如前所述,交叉磁軛在一個通電過程中的磁化過程是單向磁軛-旋轉磁場-單向磁軛,既有單相磁軛的磁化過程,也有旋轉復合磁化的磁化過程。

在通電開始和斷電結束的5ms時間,磁軛1和磁軛2分別作為單相磁軛,其靈敏度受磁軛本身有效磁化范圍影響,即在以磁軛長度為長軸、中心兩邊各50mm的短軸所包圍的橢圓形區域。通過靈敏度試片測試,在邊緣區域磁場強度能保證靈敏度的前提下,則其邊緣所包圍的軌跡中,均為有效磁化范圍。通電開始5ms后,為兩相交流磁軛的復合旋轉磁場,其靈敏度分析如前文所述。則在實際探傷中,工件某一檢測區域的靈敏度為單相磁軛和旋轉磁場的綜合靈敏度。

根據以上分析,在實際利用交叉磁軛進行探傷工作中,每次通電過程中,四個磁極所包圍的面積內,既有單相磁軛磁化過程,也有旋轉磁場的磁化過程,每個磁化過程中磁場分布都是不均勻的,但總體上在磁場較弱的方向上能保證靈敏度的前提下,在磁場較強的方向就能保證靈敏度要求,因此在四個磁極包圍的范圍內,磁粉探傷的靈敏度都能保證。此外還可以看出,交叉磁軛采用步進式進行探傷時,由于磁化過程包含了單向磁軛和旋轉磁場的共同作用,其磁場方向更有利于缺陷的檢出。

4 結論

(1)兩相磁軛的磁力線在幾何中心交叉部位,可形成圓形旋轉磁場軌跡。從理論上講,如果Hm足夠大,則中心處O點及兩相磁軛磁力線交叉范圍內的靈敏度在各個方向上是均勻的。

(2)交叉磁軛當 φ=π/2,且 α=90°時 ,雖然在其平面幾何中心處O點合成磁場軌跡為圓形軌跡,但在O點附近之外的其它位置卻都變成了橢圓形,而且位置不同橢圓度也各不一樣。雖然磁場分布不均勻,但在短軸方向上磁場強度能保證靈敏度的前提下,長軸方向磁場強度也就能保證靈敏度要求,因此在各方向上靈敏度都能達到要求。

(3)對于交叉磁軛形成的復合磁場中,除了會形成旋轉磁場外,在通電開始和斷電結束的5ms時間,磁軛1和磁軛2分別作為單相磁軛,產生單相磁場。兩交叉磁軛所覆蓋的這一區域,既有單相磁場又有復合磁場綜合作用。采用步進式進行檢測,即使沒有復合旋轉磁場作用,僅使用單相磁軛就能保證探傷靈敏度的前提下,使用交叉磁軛探傷更能保證其靈敏度。

(4)便攜式交叉磁軛為了便于攜帶和操作,在設計中盡量減輕重量。當采用連續行走,儀器連續通電時間較長,發熱較大,易導致儀器出現故障;采用步進式,可通過多次通斷電對某一區域重復磁化,以有效提高綜合靈敏度,有利于發現不同方向缺陷。

[1]宋志哲.磁粉檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社,2007.

[2]全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格鑒定考核委員會.磁粉探傷[M].北京：中國鍋爐壓力容器安全雜志社,1999.

[3]馬德志,申獻輝,宋曉峰,等.磁粉探傷中旋轉磁場的研究與應用(一)[J].無損檢測,2006,28(5)：266-269.

[4]JB/T 4730.4—2005 承壓設備無損檢測第4部分：磁粉檢測[S].

[5]馬德志,申獻輝,宋曉峰,等.磁粉探傷中旋轉磁場的研究與應用(二)[J].無損檢測,2006,28(6)：316-318.