鐵磁性填充物對缺陷漏磁檢測的影響

楊志軍，高月輝，張志來，孫 晗，曹懷情，楊 江

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318)

石油工業(yè)的設(shè)備經(jīng)常會接觸到酸、堿、鹽等具有腐蝕性的物質(zhì)[1]，這些物質(zhì)會對設(shè)備的表面造成損傷。貝爾佐納涂料可以用來修復(fù)材料的表面損傷，主要用于設(shè)備的修補(bǔ)、修復(fù)及保護(hù)。對于儲油罐、儲氣罐等化工設(shè)備的密封堵漏問題，使用傳統(tǒng)的焊接、鉚接、刷鍍、熱噴涂等辦法難以解決，但可以用貝爾佐納涂料金屬膠進(jìn)行修復(fù)，均能取得滿意的效果。貝爾佐納涂料現(xiàn)已應(yīng)用于石油工業(yè)設(shè)備的保護(hù)中，由于貝爾佐納涂料具有一定的磁導(dǎo)率，所以會對漏磁檢測的效果產(chǎn)生一定影響。筆者應(yīng)用ANSYS軟件對含有貝爾佐納涂料的缺陷漏磁檢測進(jìn)行仿真分析，分析了貝爾佐納涂料對漏磁信號的影響;在此基礎(chǔ)上，對含有貝爾佐納涂料的缺陷漏磁檢測進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本一致[2-4]。

1 含貝爾佐納涂料缺陷的漏磁檢測原理

漏磁檢測是利用材料中存在不連續(xù)性造成磁力線發(fā)生畸變的磁現(xiàn)象,來檢測鐵磁材料工件表面及近表面缺陷的一種無損檢測方法。填充了貝爾佐納涂料缺陷的漏磁檢測原理為:被檢測鋼板在外加磁場的作用下被磁化，若被檢測鋼板上的缺陷中無貝爾佐納涂料，則該缺陷會使磁力線發(fā)生較大的畸變，較多的磁力線會溢出工件表面，在缺陷處形成磁場強(qiáng)度較大的漏磁場[5-7]，原理如圖1(a)所示;若被檢測鋼板上的缺陷中含有貝爾佐納涂料，由于貝爾佐納涂料的磁導(dǎo)率大于空氣的磁導(dǎo)率，小于鐵的磁導(dǎo)率，所以會有較少的磁力線經(jīng)過貝爾佐納涂料，磁力線畸變較小，較少的磁力線溢出工件表面，在缺陷處形成的漏磁場便較弱，原理如圖1(b)所示。利用磁敏元件對缺陷漏磁場進(jìn)行檢測，沒有填充貝爾佐納涂料的缺陷漏磁場信號較強(qiáng)，填充了貝爾佐納涂料的缺陷漏磁場信號較弱，將磁場信號轉(zhuǎn)換成電信號并進(jìn)行相應(yīng)處理，就可以得到缺陷信息[8]。

圖1 漏磁檢測原理示意

2 漏磁檢測有限元分析

2.1 建立有限元模型

為了研究貝爾佐納涂料對缺陷漏磁場的影響，建立漏磁檢測有限元分析模型：有限元模型采用棱邊單元法，選擇SOLID117單元，磁鐵材料選用釹鐵硼永磁鐵，銜鐵和極靴采用工業(yè)純鐵[9-11]，被檢測鋼板采用厚度為10 mm的碳鋼板，在鋼板上表面模擬球形銑刀加工的直徑為20 mm缺陷，缺陷深度分別為板厚的10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%。對上述填充了貝爾佐納涂料與未填充貝爾佐納涂料缺陷的情況進(jìn)行有限元模擬，圖2為有限元分析模型，圖3為磁通量密度分布云圖。

圖2 有限元分析模型

圖3 磁通量密度分布云圖

2.2 仿真結(jié)果分析

在填充了貝爾佐納涂料缺陷的上方1 mm處設(shè)置提取路徑，提取不同體積缺陷漏磁場強(qiáng)度的水平分量Bx與垂直分量By，將提取到的數(shù)據(jù)繪制成缺陷漏磁場強(qiáng)度的分量曲線(見圖4，5)。

圖4 填充了貝爾佐納涂料的不同體積缺陷的Bx曲線

圖5 填充了貝爾佐納涂料的不同體積缺陷的By曲線

由圖4，5可以得出:填充了貝爾佐納涂料缺陷的漏磁信號明顯，Bx曲線僅存在一個(gè)峰值，峰值位置約在缺陷的中心處；By曲線存在一個(gè)正峰和一個(gè)負(fù)峰，峰值位置分別對應(yīng)缺陷兩側(cè)的邊緣處；對于不同體積的缺陷，漏磁場強(qiáng)度隨著缺陷體積的增大而增大，在對填充了貝爾佐納涂料的缺陷進(jìn)行漏磁檢測時(shí)，體積較大的缺陷更容易被識別。

為了分析填充了貝爾佐納涂料與未填充貝爾佐納涂料缺陷的漏磁場，設(shè)置對照仿真組，對未填充貝爾佐納涂料的缺陷進(jìn)行仿真。控制其他參數(shù)不變，只是將缺陷內(nèi)的貝爾佐納涂料去除，獲得了未填充貝爾佐納涂料的不同體積缺陷漏磁場強(qiáng)度的水平分量Bx和垂直分量By數(shù)據(jù)，繪制了分量曲線圖(見圖6，7)。

圖6 未填充貝爾佐納涂料的不同深度缺陷的Bx曲線

圖7 未填充貝爾佐納涂料的不同深度缺陷的By曲線

由圖47可以得出：填充了貝爾佐納涂料與未填充貝爾佐納涂料的缺陷漏磁場強(qiáng)度對應(yīng)分量的變化規(guī)律相同；對于相同體積的缺陷，填充了貝爾佐納涂料缺陷的漏磁場強(qiáng)度總是小于未填充貝爾佐納涂料缺陷的漏磁場強(qiáng)度。

為了進(jìn)一步分析貝爾佐納涂料對不同體積缺陷漏磁場的影響，計(jì)算出填充與未填充貝爾佐納涂料缺陷漏磁場強(qiáng)度分量的幅值并進(jìn)行比較。

將填充與未填充貝爾佐納涂料缺陷的漏磁場強(qiáng)度分量幅值之差稱為差值，將差值與未填充貝爾佐納涂料缺陷的漏磁場分量幅值的比值稱為差值占比，將差值占比項(xiàng)的數(shù)據(jù)描點(diǎn)并繪制出擬合直線，結(jié)果如圖8，9所示。從圖8,9可以看出，差值占比總體上隨缺陷體積的增大而增大。由此可知，在進(jìn)行漏磁檢測的過程中，缺陷的體積越大，填充貝爾佐納涂料對漏磁檢測的效果影響越明顯。

圖8 水平分量差值占比

圖9 垂直分量差值占比

3 試驗(yàn)過程

用直徑為20 mm的球形銑刀在一塊厚度為10 mm的Q235B鋼板上加工4個(gè)深度不同的缺陷，缺陷深度分別為板厚的20%，40%，60%，80%，缺陷間距為200 mm。利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的TMS-08M型漏磁掃描儀對試件進(jìn)行漏磁檢測，試驗(yàn)裝置外觀如圖10所示。在被檢測試件沒有填充貝爾佐納涂料的情況下，使用漏磁掃描儀從20%深度缺陷向80%深度缺陷方向進(jìn)行掃描，得到未填充貝爾佐納涂料情況下的檢測數(shù)據(jù)；將貝爾佐納涂料固化劑與貝爾佐納涂料基料混合攪拌，涂抹到缺陷內(nèi)部，利用漏磁掃描儀對缺陷再次進(jìn)行檢測，得到填充了貝爾佐納涂料情況下的檢測數(shù)據(jù)。整理數(shù)據(jù)，將兩種情況下，缺陷中央上方通道采集到的數(shù)據(jù)繪制成曲線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖11所示。

圖10 試驗(yàn)裝置外觀

圖11 填充、未填充貝爾佐納涂料缺陷的漏磁信號波形

由圖11可以看出，填充了貝爾佐納涂料與未填充貝爾佐納涂料的缺陷均有明顯的波形，且對于體積相同的缺陷，未填充貝爾佐納涂料的缺陷信號幅值總是大于填充貝爾佐納涂料缺陷的信號幅值，且兩者的信號幅值都隨著缺陷體積的增大而增大，這與有限元仿真得出的結(jié)論一致。

為了進(jìn)一步分析貝爾佐納涂料對不同體積缺陷漏磁場的影響規(guī)律，提取填充、未填充貝爾佐納涂料缺陷的漏磁信號幅值，并計(jì)算出二者差值和差值占比。將差值占比數(shù)據(jù)繪制成擬合直線，結(jié)果如圖12所示。

圖12 漏磁信號差值占比擬合直線

由圖12可知，差值占比總體上隨缺陷體積的增大而增大。由此可知，在進(jìn)行漏磁檢測的過程中，缺陷的體積越大，填充貝爾佐納涂料對漏磁檢測的影響越明顯,這與有限元仿真得出的結(jié)論一致。

4 結(jié)語

(1) 利用有限元方法，研究了常壓儲罐底板填充了貝爾佐納涂料缺陷的漏磁場空間分布狀態(tài)，并與未填充貝爾佐納涂料的缺陷進(jìn)行對比分析。對于不同體積的缺陷，填充了貝爾佐納涂料或未填充貝爾佐納涂料缺陷漏磁場的變化規(guī)律相同，磁場強(qiáng)度與缺陷體積成正相關(guān)；對于相同體積的缺陷，未填充貝爾佐納涂料缺陷的漏磁場強(qiáng)度總是大于填充了貝爾佐納涂料缺陷的漏磁場強(qiáng)度；兩者信號幅值之差隨缺陷體積的增大而增大，且兩者信號幅值的差值占比總體上隨缺陷體積的增大而增大。

(2) 在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了底板檢測試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元分析的結(jié)果，證明了漏磁檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對填充了貝爾佐納涂料缺陷的有效檢測，檢測前需要對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。