铁磁性填充物对缺陷漏磁检测的影响

杨志军，高月辉，张志来，孙 晗，曹怀情，杨 江

(东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318)

石油工业的设备经常会接触到酸、碱、盐等具有腐蚀性的物质[1]，这些物质会对设备的表面造成损伤。贝尔佐纳涂料可以用来修复材料的表面损伤，主要用于设备的修补、修复及保护。对于储油罐、储气罐等化工设备的密封堵漏问题，使用传统的焊接、铆接、刷镀、热喷涂等办法难以解决，但可以用贝尔佐纳涂料金属胶进行修复，均能取得满意的效果。贝尔佐纳涂料现已应用于石油工业设备的保护中，由于贝尔佐纳涂料具有一定的磁导率，所以会对漏磁检测的效果产生一定影响。笔者应用ANSYS软件对含有贝尔佐纳涂料的缺陷漏磁检测进行仿真分析，分析了贝尔佐纳涂料对漏磁信号的影响;在此基础上，对含有贝尔佐纳涂料的缺陷漏磁检测进行了试验研究，试验结果与有限元分析结果基本一致[2-4]。

1 含贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁检测原理

漏磁检测是利用材料中存在不连续性造成磁力线发生畸变的磁现象,来检测铁磁材料工件表面及近表面缺陷的一种无损检测方法。填充了贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁检测原理为:被检测钢板在外加磁场的作用下被磁化，若被检测钢板上的缺陷中无贝尔佐纳涂料，则该缺陷会使磁力线发生较大的畸变，较多的磁力线会溢出工件表面，在缺陷处形成磁场强度较大的漏磁场[5-7]，原理如图1(a)所示;若被检测钢板上的缺陷中含有贝尔佐纳涂料，由于贝尔佐纳涂料的磁导率大于空气的磁导率，小于铁的磁导率，所以会有较少的磁力线经过贝尔佐纳涂料，磁力线畸变较小，较少的磁力线溢出工件表面，在缺陷处形成的漏磁场便较弱，原理如图1(b)所示。利用磁敏元件对缺陷漏磁场进行检测，没有填充贝尔佐纳涂料的缺陷漏磁场信号较强，填充了贝尔佐纳涂料的缺陷漏磁场信号较弱，将磁场信号转换成电信号并进行相应处理，就可以得到缺陷信息[8]。

图1 漏磁检测原理示意

2 漏磁检测有限元分析

2.1 建立有限元模型

为了研究贝尔佐纳涂料对缺陷漏磁场的影响，建立漏磁检测有限元分析模型：有限元模型采用棱边单元法，选择SOLID117单元，磁铁材料选用钕铁硼永磁铁，衔铁和极靴采用工业纯铁[9-11]，被检测钢板采用厚度为10 mm的碳钢板，在钢板上表面模拟球形铣刀加工的直径为20 mm缺陷，缺陷深度分别为板厚的10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%。对上述填充了贝尔佐纳涂料与未填充贝尔佐纳涂料缺陷的情况进行有限元模拟，图2为有限元分析模型，图3为磁通量密度分布云图。

图2 有限元分析模型

图3 磁通量密度分布云图

2.2 仿真结果分析

在填充了贝尔佐纳涂料缺陷的上方1 mm处设置提取路径，提取不同体积缺陷漏磁场强度的水平分量Bx与垂直分量By，将提取到的数据绘制成缺陷漏磁场强度的分量曲线(见图4，5)。

图4 填充了贝尔佐纳涂料的不同体积缺陷的Bx曲线

图5 填充了贝尔佐纳涂料的不同体积缺陷的By曲线

由图4，5可以得出:填充了贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁信号明显，Bx曲线仅存在一个峰值，峰值位置约在缺陷的中心处；By曲线存在一个正峰和一个负峰，峰值位置分别对应缺陷两侧的边缘处；对于不同体积的缺陷，漏磁场强度随着缺陷体积的增大而增大，在对填充了贝尔佐纳涂料的缺陷进行漏磁检测时，体积较大的缺陷更容易被识别。

为了分析填充了贝尔佐纳涂料与未填充贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁场，设置对照仿真组，对未填充贝尔佐纳涂料的缺陷进行仿真。控制其他参数不变，只是将缺陷内的贝尔佐纳涂料去除，获得了未填充贝尔佐纳涂料的不同体积缺陷漏磁场强度的水平分量Bx和垂直分量By数据，绘制了分量曲线图(见图6，7)。

图6 未填充贝尔佐纳涂料的不同深度缺陷的Bx曲线

图7 未填充贝尔佐纳涂料的不同深度缺陷的By曲线

由图47可以得出：填充了贝尔佐纳涂料与未填充贝尔佐纳涂料的缺陷漏磁场强度对应分量的变化规律相同；对于相同体积的缺陷，填充了贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁场强度总是小于未填充贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁场强度。

为了进一步分析贝尔佐纳涂料对不同体积缺陷漏磁场的影响，计算出填充与未填充贝尔佐纳涂料缺陷漏磁场强度分量的幅值并进行比较。

将填充与未填充贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁场强度分量幅值之差称为差值，将差值与未填充贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁场分量幅值的比值称为差值占比，将差值占比项的数据描点并绘制出拟合直线，结果如图8，9所示。从图8,9可以看出，差值占比总体上随缺陷体积的增大而增大。由此可知，在进行漏磁检测的过程中，缺陷的体积越大，填充贝尔佐纳涂料对漏磁检测的效果影响越明显。

图8 水平分量差值占比

图9 垂直分量差值占比

3 试验过程

用直径为20 mm的球形铣刀在一块厚度为10 mm的Q235B钢板上加工4个深度不同的缺陷，缺陷深度分别为板厚的20%，40%，60%，80%，缺陷间距为200 mm。利用实验室自行设计的TMS-08M型漏磁扫描仪对试件进行漏磁检测，试验装置外观如图10所示。在被检测试件没有填充贝尔佐纳涂料的情况下，使用漏磁扫描仪从20%深度缺陷向80%深度缺陷方向进行扫描，得到未填充贝尔佐纳涂料情况下的检测数据；将贝尔佐纳涂料固化剂与贝尔佐纳涂料基料混合搅拌，涂抹到缺陷内部，利用漏磁扫描仪对缺陷再次进行检测，得到填充了贝尔佐纳涂料情况下的检测数据。整理数据，将两种情况下，缺陷中央上方通道采集到的数据绘制成曲线进行对比，结果如图11所示。

图10 试验装置外观

图11 填充、未填充贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁信号波形

由图11可以看出，填充了贝尔佐纳涂料与未填充贝尔佐纳涂料的缺陷均有明显的波形，且对于体积相同的缺陷，未填充贝尔佐纳涂料的缺陷信号幅值总是大于填充贝尔佐纳涂料缺陷的信号幅值，且两者的信号幅值都随着缺陷体积的增大而增大，这与有限元仿真得出的结论一致。

为了进一步分析贝尔佐纳涂料对不同体积缺陷漏磁场的影响规律，提取填充、未填充贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁信号幅值，并计算出二者差值和差值占比。将差值占比数据绘制成拟合直线，结果如图12所示。

图12 漏磁信号差值占比拟合直线

由图12可知，差值占比总体上随缺陷体积的增大而增大。由此可知，在进行漏磁检测的过程中，缺陷的体积越大，填充贝尔佐纳涂料对漏磁检测的影响越明显,这与有限元仿真得出的结论一致。

4 结语

(1) 利用有限元方法，研究了常压储罐底板填充了贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁场空间分布状态，并与未填充贝尔佐纳涂料的缺陷进行对比分析。对于不同体积的缺陷，填充了贝尔佐纳涂料或未填充贝尔佐纳涂料缺陷漏磁场的变化规律相同，磁场强度与缺陷体积成正相关；对于相同体积的缺陷，未填充贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁场强度总是大于填充了贝尔佐纳涂料缺陷的漏磁场强度；两者信号幅值之差随缺陷体积的增大而增大，且两者信号幅值的差值占比总体上随缺陷体积的增大而增大。

(2) 在实验室条件下进行了底板检测试验，验证了有限元分析的结果，证明了漏磁检测技术能够实现对填充了贝尔佐纳涂料缺陷的有效检测，检测前需要对仪器进行校准。