磁粉檢測(cè)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(xué)研究院有限責(zé)任公司,北京 100045)

磁粉檢測(cè)靈敏度,從定量方面來(lái)說(shuō),是指有效地檢出工件表面或近表面某一規(guī)定尺寸大小缺陷的能力。從定性方面來(lái)說(shuō),是指檢測(cè)最小缺陷的能力;可檢出的缺陷越小,檢測(cè)靈敏度越高[1]。磁粉檢測(cè)靈敏度的影響因素有很多,其中,設(shè)備性能的好壞是影響磁粉檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵之一。在電站鍋爐、壓力容器的制造及在役檢測(cè)中,采用交叉磁軛進(jìn)行復(fù)合磁化的檢測(cè)方法被廣泛應(yīng)用。為了保證檢測(cè)的靈敏度,標(biāo)準(zhǔn)要求交叉磁軛復(fù)合磁化檢測(cè)采用連續(xù)移動(dòng),而不采用步進(jìn)式移動(dòng)。筆者使用自行研制的CDXIY型便攜式磁粉探傷儀進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)后發(fā)現(xiàn),交叉磁軛靈敏度與儀器采用的勵(lì)磁方式有一定的關(guān)系。若采用步進(jìn)式進(jìn)行交叉磁軛復(fù)合磁化檢測(cè),也能夠有效地檢出缺陷。針對(duì)這一問(wèn)題,分析了CDX-IY型便攜式磁粉探傷儀的勵(lì)磁方式,對(duì)交叉磁軛復(fù)合磁化的檢測(cè)靈敏度進(jìn)行討論。

1 交叉磁軛的磁化過(guò)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(lì)磁原理為：對(duì)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(zhuǎn)磁場(chǎng)。圖2為兩相磁軛產(chǎn)生的磁場(chǎng)波形圖。

圖1 平面交叉磁軛示意圖

圖2 兩相磁軛磁場(chǎng)波形圖

筆者認(rèn)為,CDX-IY型便攜式磁粉探傷儀的磁化過(guò)程與普通旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)探傷儀不同。當(dāng)磁軛1中的勵(lì)磁電流在一個(gè)周期T內(nèi)變化時(shí),由于電容的作用,會(huì)在磁軛2中產(chǎn)生一個(gè)比磁軛1滯后T/4個(gè)周期(即5ms)的交變磁場(chǎng)。當(dāng)接通磁軛1的激磁電流電源時(shí),即 ωt=π/2,H1=Hm,此時(shí)磁軛 2中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2=0;當(dāng)斷開(kāi)磁軛1的激磁電流電源時(shí),即ωt=2π時(shí),H1=0,H2=-Hm。以上分析說(shuō)明,交叉磁軛的一個(gè)周期內(nèi),前T/4周期內(nèi),僅磁軛1中產(chǎn)生交變磁場(chǎng),當(dāng)磁軛1中的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí),磁軛2中才開(kāi)始產(chǎn)生磁場(chǎng);相反,當(dāng)磁軛1中的磁場(chǎng)由反向最大值趨于零時(shí),磁軛2中的磁場(chǎng)強(qiáng)度則達(dá)到反向的最大值。通電開(kāi)始的5ms內(nèi),僅磁軛1產(chǎn)生單相磁場(chǎng),之后整個(gè)通電過(guò)程中為旋轉(zhuǎn)復(fù)合磁場(chǎng),斷電后5ms僅磁軛2產(chǎn)生單相磁場(chǎng)。因此,對(duì)于交叉磁軛形成的復(fù)合磁場(chǎng)中,除了會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)外,在通電開(kāi)始和斷電結(jié)束的5ms時(shí)間,磁軛1和磁軛2分別作為單相磁軛,產(chǎn)生單相磁場(chǎng),即整個(gè)磁化過(guò)程為單相磁軛與復(fù)合磁場(chǎng)的共同作用。

2 交叉磁軛的磁場(chǎng)分布

2.1 單相交流磁軛的磁場(chǎng)分布

式中Hi——磁場(chǎng)強(qiáng)度H的瞬時(shí)值;

HA——磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值;

ωt——激磁電流的相位角。

交流磁軛的磁場(chǎng)是不均勻的,不僅分布在兩個(gè)磁極內(nèi)側(cè),其外側(cè)也同樣存在著有效磁化磁場(chǎng)。只是范圍較小,而且磁場(chǎng)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(shè)備的性能、磁化規(guī)范、探傷條件及工件的形狀,一般是以兩極間連線為長(zhǎng)軸L,從兩極連線中心向兩側(cè)各L/4為短軸的橢圓形所包圍的面積[2]。

2.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的復(fù)合磁化

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的復(fù)合磁化,是利用兩相或多相磁場(chǎng)相互疊加而形成的合成磁場(chǎng)來(lái)對(duì)工件進(jìn)行磁化。當(dāng)1,2兩相磁軛的激磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)H1和H2分別為：

磁極所在平面幾何中心點(diǎn)O處的合成磁場(chǎng)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(jìn)時(shí)間占整個(gè)施工時(shí)間比例較大，絞車(chē)配置了15 kW交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)送鉆裝置，通過(guò)大減速比實(shí)現(xiàn)滿足鉆進(jìn)要求的給進(jìn)速度和提升力，采用小功率電機(jī)較大幅度降低能耗，綠色節(jié)能；同時(shí)小功率電機(jī)噪音較大功率電機(jī)低很多，為操作人員提供較為舒適的工作環(huán)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(chǎng)幅值Hm、兩相交流磁場(chǎng)夾角α及其相位差φ三個(gè)參數(shù)確定的。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的兩相交變磁場(chǎng)具有一定的相位差,復(fù)合磁場(chǎng)就能夠形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡的形狀,取決于交叉角α和兩相交變磁場(chǎng)的相位差φ以及兩相交變磁場(chǎng)的幅值Hm。當(dāng)H1=H2=Hm,φ=π/2,且 α=90°時(shí) ,兩磁極在其平面幾何中心點(diǎn)O處的合成磁場(chǎng)軌跡為一圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使用工頻交流電供電,則每秒鐘旋轉(zhuǎn)50圈,20ms旋轉(zhuǎn)一圈。

3 交叉磁軛的靈敏度分析

交叉磁軛在磁化過(guò)程中既有單相磁軛的磁化過(guò)程,也有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的復(fù)合磁化過(guò)程。交叉磁軛的靈敏度是單向交流磁軛靈敏度和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)靈敏度的共同作用。

3.1 單相交流磁軛的靈敏度

標(biāo)準(zhǔn)JB/T4730.4—2005中規(guī)定磁軛的磁極間距應(yīng)控制在75～200mm之間,檢測(cè)的有效區(qū)域?yàn)閮蓸O連線兩側(cè)各50mm的范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為,交流磁軛檢測(cè)的有效區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)75～200mm,中心兩側(cè)寬為50mm的一個(gè)橢圓形區(qū)域[3]。在這個(gè)橢圓形區(qū)域內(nèi),磁力線分布是不均勻的,中心區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng),邊緣區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱。實(shí)際探傷中,通過(guò)靈敏度試片測(cè)試,在邊緣區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)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(nèi)的靈敏度也就可以保證。

3.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的靈敏度

3.2.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幾何中心點(diǎn)靈敏度分析

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

3.2.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幾何中心點(diǎn)外靈敏度分析

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)當(dāng) φ=π/2,且 α=90°時(shí),雖然在其平面幾何中心處O點(diǎn)區(qū)域合成磁場(chǎng)軌跡為圓形軌跡,但在此區(qū)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(zhuǎn)磁場(chǎng)在四個(gè)磁極包圍的范圍內(nèi),磁場(chǎng)分布是不均勻的。在兩相磁軛磁極所在的平面中心處O點(diǎn)及兩相磁軛磁力線交叉范圍外的區(qū)域,其靈敏度與合成磁場(chǎng)的長(zhǎng)軸和短軸上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小有關(guān),與單相磁軛磁化過(guò)程類似。實(shí)際探傷中,通過(guò)靈敏度試片測(cè)試,在短軸方向磁場(chǎng)強(qiáng)度能保證靈敏度的前提下,則其長(zhǎng)軸方向磁場(chǎng)強(qiáng)度也就能保證靈敏度。在短軸方向,磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠滿足靈敏度所包圍的軌跡中,均可認(rèn)為是有效磁化范圍,在這一范圍內(nèi)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(gè)通電過(guò)程中的磁化過(guò)程是單向磁軛-旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)-單向磁軛,既有單相磁軛的磁化過(guò)程,也有旋轉(zhuǎn)復(fù)合磁化的磁化過(guò)程。

在通電開(kāi)始和斷電結(jié)束的5ms時(shí)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(zhǎng)度為長(zhǎng)軸、中心兩邊各50mm的短軸所包圍的橢圓形區(qū)域。通過(guò)靈敏度試片測(cè)試,在邊緣區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)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(kāi)始5ms后,為兩相交流磁軛的復(fù)合旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其靈敏度分析如前文所述。則在實(shí)際探傷中,工件某一檢測(cè)區(qū)域的靈敏度為單相磁軛和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的綜合靈敏度。

根據(jù)以上分析,在實(shí)際利用交叉磁軛進(jìn)行探傷工作中,每次通電過(guò)程中,四個(gè)磁極所包圍的面積內(nèi),既有單相磁軛磁化過(guò)程,也有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁化過(guò)程,每個(gè)磁化過(guò)程中磁場(chǎng)分布都是不均勻的,但總體上在磁場(chǎng)較弱的方向上能保證靈敏度的前提下,在磁場(chǎng)較強(qiáng)的方向就能保證靈敏度要求,因此在四個(gè)磁極包圍的范圍內(nèi),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(jìn)式進(jìn)行探傷時(shí),由于磁化過(guò)程包含了單向磁軛和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的共同作用,其磁場(chǎng)方向更有利于缺陷的檢出。

4 結(jié)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(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡。從理論上講,如果Hm足夠大,則中心處O點(diǎn)及兩相磁軛磁力線交叉范圍內(nèi)的靈敏度在各個(gè)方向上是均勻的。

(2)交叉磁軛當(dāng) φ=π/2,且 α=90°時(shí) ,雖然在其平面幾何中心處O點(diǎn)合成磁場(chǎng)軌跡為圓形軌跡,但在O點(diǎn)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(chǎng)分布不均勻,但在短軸方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度能保證靈敏度的前提下,長(zhǎng)軸方向磁場(chǎng)強(qiáng)度也就能保證靈敏度要求,因此在各方向上靈敏度都能達(dá)到要求。

(3)對(duì)于交叉磁軛形成的復(fù)合磁場(chǎng)中,除了會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)外,在通電開(kāi)始和斷電結(jié)束的5ms時(shí)間,磁軛1和磁軛2分別作為單相磁軛,產(chǎn)生單相磁場(chǎng)。兩交叉磁軛所覆蓋的這一區(qū)域,既有單相磁場(chǎng)又有復(fù)合磁場(chǎng)綜合作用。采用步進(jìn)式進(jìn)行檢測(cè),即使沒(méi)有復(fù)合旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shè)計(jì)中盡量減輕重量。當(dāng)采用連續(xù)行走,儀器連續(xù)通電時(shí)間較長(zhǎng),發(fā)熱較大,易導(dǎo)致儀器出現(xiàn)故障;采用步進(jìn)式,可通過(guò)多次通斷電對(duì)某一區(qū)域重復(fù)磁化,以有效提高綜合靈敏度,有利于發(fā)現(xiàn)不同方向缺陷。

[1]宋志哲.磁粉檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2007.

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

[3]馬德志,申獻(xiàn)輝,宋曉峰,等.磁粉探傷中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的研究與應(yīng)用(一)[J].無(wú)損檢測(cè),2006,28(5)：266-269.

[4]JB/T 4730.4—2005 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第4部分：磁粉檢測(cè)[S].

[5]馬德志,申獻(xiàn)輝,宋曉峰,等.磁粉探傷中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的研究與應(yīng)用(二)[J].無(wú)損檢測(cè),2006,28(6)：316-318.