磁粉检测中交叉磁轭的灵敏度探讨

杨文峰,陈君平,尹建锋,齐晓平

(华北电力科学研究院有限责任公司,北京 100045)

磁粉检测灵敏度,从定量方面来说,是指有效地检出工件表面或近表面某一规定尺寸大小缺陷的能力。从定性方面来说,是指检测最小缺陷的能力;可检出的缺陷越小,检测灵敏度越高[1]。磁粉检测灵敏度的影响因素有很多,其中,设备性能的好坏是影响磁粉检测灵敏度的关键之一。在电站锅炉、压力容器的制造及在役检测中,采用交叉磁轭进行复合磁化的检测方法被广泛应用。为了保证检测的灵敏度,标准要求交叉磁轭复合磁化检测采用连续移动,而不采用步进式移动。笔者使用自行研制的CDXIY型便携式磁粉探伤仪进行实际检测后发现,交叉磁轭灵敏度与仪器采用的励磁方式有一定的关系。若采用步进式进行交叉磁轭复合磁化检测,也能够有效地检出缺陷。针对这一问题,分析了CDX-IY型便携式磁粉探伤仪的励磁方式,对交叉磁轭复合磁化的检测灵敏度进行讨论。

1 交叉磁轭的磁化过程

便携式磁粉探伤仪通常采用平面交叉式交叉磁轭,如图1所示。

CDX-IY型便携式磁粉探伤仪,其铁芯截面为20mm×20mm,两相磁轭的几何夹角α=90°,单相磁轭之间的间距L=113mm。其基本励磁原理为：对磁轭1和磁轭2施加幅值相等,频率为50Hz,电压36 V的交流电,在磁轭2上接一电容,在电容的充电放电作用下,磁轭2与磁轭1的电流相位差为π/2,形成旋转磁场。图2为两相磁轭产生的磁场波形图。

图1 平面交叉磁轭示意图

图2 两相磁轭磁场波形图

笔者认为,CDX-IY型便携式磁粉探伤仪的磁化过程与普通旋转磁场探伤仪不同。当磁轭1中的励磁电流在一个周期T内变化时,由于电容的作用,会在磁轭2中产生一个比磁轭1滞后T/4个周期(即5ms)的交变磁场。当接通磁轭1的激磁电流电源时,即 ωt=π/2,H1=Hm,此时磁轭 2中的磁场强度H2=0;当断开磁轭1的激磁电流电源时,即ωt=2π时,H1=0,H2=-Hm。以上分析说明,交叉磁轭的一个周期内,前T/4周期内,仅磁轭1中产生交变磁场,当磁轭1中的磁场强度达到最大值时,磁轭2中才开始产生磁场;相反,当磁轭1中的磁场由反向最大值趋于零时,磁轭2中的磁场强度则达到反向的最大值。通电开始的5ms内,仅磁轭1产生单相磁场,之后整个通电过程中为旋转复合磁场,断电后5ms仅磁轭2产生单相磁场。因此,对于交叉磁轭形成的复合磁场中,除了会形成旋转磁场外,在通电开始和断电结束的5ms时间,磁轭1和磁轭2分别作为单相磁轭,产生单相磁场,即整个磁化过程为单相磁轭与复合磁场的共同作用。

2 交叉磁轭的磁场分布

2.1 单相交流磁轭的磁场分布

式中Hi——磁场强度H的瞬时值;

HA——磁场强度的幅值;

ωt——激磁电流的相位角。

交流磁轭的磁场是不均匀的,不仅分布在两个磁极内侧,其外侧也同样存在着有效磁化磁场。只是范围较小,而且磁场方向因位置的不同而各异。交流磁轭的有效磁化范围取决于探伤设备的性能、磁化规范、探伤条件及工件的形状,一般是以两极间连线为长轴L,从两极连线中心向两侧各L/4为短轴的椭圆形所包围的面积[2]。

2.2 旋转磁场的复合磁化

旋转磁场的复合磁化,是利用两相或多相磁场相互叠加而形成的合成磁场来对工件进行磁化。当1,2两相磁轭的激磁电流产生的磁场H1和H2分别为：

磁极所在平面几何中心点O处的合成磁场轨迹可用下式表示[2]：

式中Hm——H1与H2的峰值;

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α——两相磁轭的夹角;

φ——两相磁轭激磁电流的相位差。

式(4)为一椭圆方程,椭圆形状是由磁场幅值Hm、两相交流磁场夹角α及其相位差φ三个参数确定的。旋转磁场的两相交变磁场具有一定的相位差,复合磁场就能够形成旋转磁场。旋转磁场轨迹的形状,取决于交叉角α和两相交变磁场的相位差φ以及两相交变磁场的幅值Hm。当H1=H2=Hm,φ=π/2,且 α=90°时 ,两磁极在其平面几何中心点O处的合成磁场轨迹为一圆形的旋转磁场,使用工频交流电供电,则每秒钟旋转50圈,20ms旋转一圈。

3 交叉磁轭的灵敏度分析

交叉磁轭在磁化过程中既有单相磁轭的磁化过程,也有旋转磁场的复合磁化过程。交叉磁轭的灵敏度是单向交流磁轭灵敏度和旋转磁场灵敏度的共同作用。

3.1 单相交流磁轭的灵敏度

标准JB/T4730.4—2005中规定磁轭的磁极间距应控制在75～200mm之间,检测的有效区域为两极连线两侧各50mm的范围内。因此可以认为,交流磁轭检测的有效区域为长75～200mm,中心两侧宽为50mm的一个椭圆形区域[3]。在这个椭圆形区域内,磁力线分布是不均匀的,中心区域磁场强度较强,边缘区域磁场强度较弱。实际探伤中,通过灵敏度试片测试,在边缘区域磁场强度能保证灵敏度的前提下,则其边缘所包围的轨迹中,均为有效磁化范围,在这一范围内的灵敏度也就可以保证。

3.2 旋转磁场的灵敏度

3.2.1 旋转磁场几何中心点灵敏度分析

交叉磁轭在不同位置所形成的旋转磁场轨迹形状不同,因此,当 φ=π/2,且 α=90°时 ,两个磁轭在其平面几何中心处O点合成磁场轨迹为圆形,磁场强度均匀。由于单相磁极与工件接触时,两磁极间的磁力线大体上平行两磁极的连线,因此,可以认为,单相磁轭的两磁极之间,在磁极宽度范围内的磁场强度均大致相同。因此,笔者认为,两相磁轭的磁力线在几何中心交叉部位,即边长为28mm×28mm正方形区域内的磁场强度大小相同,也可以形成圆形旋转磁场轨迹。所以,从理论上讲,则中心处O点及两相磁轭磁力线交叉范围内所形成的圆形复合磁场,灵敏度各向相同,如果Hm足够大,则这一区域的灵敏度完全能够满足。

3.2.2 旋转磁场几何中心点外灵敏度分析

旋转磁场当 φ=π/2,且 α=90°时,虽然在其平面几何中心处O点区域合成磁场轨迹为圆形轨迹,但在此区域之外的其它位置都变成了椭圆形,而且位置不同,椭圆度也各不一样[5]。由此可以看出,旋转磁场在四个磁极包围的范围内,磁场分布是不均匀的。在两相磁轭磁极所在的平面中心处O点及两相磁轭磁力线交叉范围外的区域,其灵敏度与合成磁场的长轴和短轴上的磁场强度大小有关,与单相磁轭磁化过程类似。实际探伤中,通过灵敏度试片测试,在短轴方向磁场强度能保证灵敏度的前提下,则其长轴方向磁场强度也就能保证灵敏度。在短轴方向,磁场强度能够满足灵敏度所包围的轨迹中,均可认为是有效磁化范围,在这一范围内的灵敏度也就可以保证。

3.3 交叉磁轭的灵敏度

如前所述,交叉磁轭在一个通电过程中的磁化过程是单向磁轭-旋转磁场-单向磁轭,既有单相磁轭的磁化过程,也有旋转复合磁化的磁化过程。

在通电开始和断电结束的5ms时间,磁轭1和磁轭2分别作为单相磁轭,其灵敏度受磁轭本身有效磁化范围影响,即在以磁轭长度为长轴、中心两边各50mm的短轴所包围的椭圆形区域。通过灵敏度试片测试,在边缘区域磁场强度能保证灵敏度的前提下,则其边缘所包围的轨迹中,均为有效磁化范围。通电开始5ms后,为两相交流磁轭的复合旋转磁场,其灵敏度分析如前文所述。则在实际探伤中,工件某一检测区域的灵敏度为单相磁轭和旋转磁场的综合灵敏度。

根据以上分析,在实际利用交叉磁轭进行探伤工作中,每次通电过程中,四个磁极所包围的面积内,既有单相磁轭磁化过程,也有旋转磁场的磁化过程,每个磁化过程中磁场分布都是不均匀的,但总体上在磁场较弱的方向上能保证灵敏度的前提下,在磁场较强的方向就能保证灵敏度要求,因此在四个磁极包围的范围内,磁粉探伤的灵敏度都能保证。此外还可以看出,交叉磁轭采用步进式进行探伤时,由于磁化过程包含了单向磁轭和旋转磁场的共同作用,其磁场方向更有利于缺陷的检出。

4 结论

(1)两相磁轭的磁力线在几何中心交叉部位,可形成圆形旋转磁场轨迹。从理论上讲,如果Hm足够大,则中心处O点及两相磁轭磁力线交叉范围内的灵敏度在各个方向上是均匀的。

(2)交叉磁轭当 φ=π/2,且 α=90°时 ,虽然在其平面几何中心处O点合成磁场轨迹为圆形轨迹,但在O点附近之外的其它位置却都变成了椭圆形,而且位置不同椭圆度也各不一样。虽然磁场分布不均匀,但在短轴方向上磁场强度能保证灵敏度的前提下,长轴方向磁场强度也就能保证灵敏度要求,因此在各方向上灵敏度都能达到要求。

(3)对于交叉磁轭形成的复合磁场中,除了会形成旋转磁场外,在通电开始和断电结束的5ms时间,磁轭1和磁轭2分别作为单相磁轭,产生单相磁场。两交叉磁轭所覆盖的这一区域,既有单相磁场又有复合磁场综合作用。采用步进式进行检测,即使没有复合旋转磁场作用,仅使用单相磁轭就能保证探伤灵敏度的前提下,使用交叉磁轭探伤更能保证其灵敏度。

(4)便携式交叉磁轭为了便于携带和操作,在设计中尽量减轻重量。当采用连续行走,仪器连续通电时间较长,发热较大,易导致仪器出现故障;采用步进式,可通过多次通断电对某一区域重复磁化,以有效提高综合灵敏度,有利于发现不同方向缺陷。

[1]宋志哲.磁粉检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社,2007.

[2]全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会.磁粉探伤[M].北京：中国锅炉压力容器安全杂志社,1999.

[3]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(一)[J].无损检测,2006,28(5)：266-269.

[4]JB/T 4730.4—2005 承压设备无损检测第4部分：磁粉检测[S].

[5]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(二)[J].无损检测,2006,28(6)：316-318.