一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法

技术领域

本发明属于机械工程的无损检测技术领域，特别涉及一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法。

背景技术

漏磁检测技术具有无需耦合剂、操作方便、检测成本低以及易于自动化等优势，对铁磁性工件表面和内部的裂纹、孔洞等缺陷的检测效果显著，被广泛应用于钢管、钻杆、储罐、管道、钢轨等铁磁性结构件的检测。

漏磁检测技术的工作原理是通过磁化装置对待测铁磁性材料进行磁化，当被磁化后的铁磁性材料表面存在裂纹或腐蚀等缺陷时，由于磁感线的泄露会引起磁感线路径改变，部分磁感线会泄漏到待测材料外，形成漏磁场。因此，可以通过传感器采集待测材料附近的磁场变化，判定缺陷是否存在。由于储油罐、天然气管道等基础设施长期服役于恶劣苛刻的作业环境，对其漏磁检测的准确性和可靠性提出更高的要求，以减少缺陷的漏判和误判。

现有漏磁检测方法存在易受周围环境中干扰磁场影响的问题。对于长期服役于恶劣环境下的石油天然气管道，现有的漏磁检测方法采用磁传感器作为探头时，受到检测环境中铁磁性分支附属结构、运行电机等引入的干扰磁场的影响，直接影响到缺陷检测信号的质量，导致检测结果的准确性和可靠性下降。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法，该方法具有提高信号强度和抵抗环境干扰的特点，提升对小尺寸缺陷的检测能力，提高漏磁检测的准确性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法，包括以下步骤；

步骤1：根据实际检测工况，构建考虑试件尺寸和材料属性、磁化装置尺寸及材料属性参数信息的磁场分析有限元模型；

步骤2：基于磁场分析有限元模型，针对实际检测需要，参考待测结构件及缺陷尺寸信息，建立考虑可调节式磁屏蔽传感器参数信息的磁信号检测有限元模型；其中参数包括不同几何类型的磁屏蔽长度，宽度、高度和厚度；

步骤3：针对所述可调节式磁屏蔽传感器，取不同的参数开展有限元模型分析，获得可调节式磁屏蔽传感器不同参数下的漏磁检测效果；

步骤4：开展不同参数下的漏磁检测效果的优化分析，根据不同磁屏蔽参数的漏磁检测效果，基于智能算法获得最优检测灵敏度所对应的磁屏蔽参数；

步骤5：依据所述最优参数调节磁屏蔽传感器的参数，通过可调节式磁屏蔽传感器的漏磁检测系统，实现缺陷的高灵敏度和准确度检测；

步骤6：针对实际工况中的缺陷类型、缺陷尺寸和检测对象，开展检测应用。

进一步，所述步骤1中，磁场分析有限元模型包括通电线圈、磁轭、待测试件、空气域；铜制线圈缠绕在磁轭，用于磁化待测试件；空气域包裹在通电线圈、磁轭和待测试件外面。

基于实际检测问题构建的有限元模型考虑了待测试件的几何形状、试件尺寸、试件材料属性(包括电导率、磁导率以及相对介电常数)、磁化系统中磁轭的几何形状、磁轭的尺寸、磁轭材料属性(包括电导率、磁导率以及相对介电常数)、磁化系统中线圈的匝数以及磁化电流大小的参数信息、空气域尺寸参数及材料属性，使用麦克斯韦方程组来求解漏磁有限元模型，分析和模拟缺陷漏磁场的分布和变化，具体技术方案步骤为：

a)建立几何模型；根据被检测物体实际尺寸和形状、磁化系统中磁轭的几何形状和尺寸、线圈尺寸和类型以及空气域的大小创建几何模型；

b)定义材料属性，为几何模型中的每个几何部分指定正确的材料属性，包括各几何模型的电导率、磁导率以及相对介电常数；

c)对磁场分析有限元模型设置边界条件和激励源；磁轭和空气域使用的理论方程为

d)网格划分，将几何模型划分为较小的单元，通常是边长小于0.1mm的三角形或四面体网格；

e)模型求解，根据实际检测需求选择稳态、瞬态或频域的方式求解。其中，稳态方式为磁场不随时间变化情形、瞬态方式为磁场随时间任意变化情形、频域方式为周期场随时间的变化。

进一步的，所述步骤2中，在所建立的磁场分析模型基础上，磁信号检测有限元模型中考虑了可调节式磁屏蔽传感器几何结构，其中，可调节式磁屏蔽传感器用于采集检测信号，通过调节磁屏蔽几何参数可以实现检测信号增强；

在步骤1构建的有限模型基础上，首先建立磁屏蔽传感器几何模型，确定几何模型尺寸，然后对该几何模型定义材料属性参数信息，设置磁屏蔽在有限元模型中的求解方程，最后求解有限元模型；

其中，磁屏蔽分析时，在有限元模型中使用的理论方程为

进一步的，在步骤3中，通过在步骤2所建立的模型中输入不同的可调节式磁屏蔽传感器尺寸参数开展有限元分析，获得可调节式磁屏蔽传感器不同参数下的漏磁检测效果，包括不同长度、宽度和厚度下的磁屏蔽所对应的检测信号结果。

进一步的，基于步骤3得到的可调节式磁屏蔽传感器不同参数下的漏磁检测效果，所述步骤4通过最优梯度算法或神经网络、粒子群优化的智能算法，开展可调节式磁屏蔽传感器检测效果优化分析；确定最优灵敏度，包括最优的磁屏蔽几何结构和尺寸，详细的操作步骤为：

a)数据准备：基于步骤2建立的有限元模型，获得可调节式磁屏蔽传感器不同参数下的漏磁信号；

b)定义优化问题：确定待优化参数，磁屏蔽几何结构和尺寸；优化条件，已知线圈的匝数以及磁化电流大小；确定约束条件：磁屏蔽尺寸小于磁轭尺寸；

c)基于智能算法评估目标函数：目标函数为

d)判断目标函数是否满足终止条件：终止条件为目标函数J<0.001，若满足则输出最优磁屏蔽结合类型和尺寸参数；若不满足则重新计算。

进一步的，所述步骤5中，根据步骤4中确定的可调节式磁屏蔽传感器的最优参数，设计开发包含可调节式磁屏蔽传感器的漏磁检测系统，检测系统包括一种增强漏磁检测信号的可调节式磁屏蔽传感器和控制面板(包含信号发生器、示波器和和功率放大器功能等)，其中，一种增强漏磁检测信号的可调节式磁屏蔽传感器采用插针原理封装。

进一步的，所述步骤5中，所述漏磁检测系统中，可调节式磁屏蔽传感器和控制面板中的示波器连接，通过示波器实时显示可调节式磁屏蔽传感器采集到的缺陷信号信息；

可调节式磁屏蔽传感器包括可拆卸式封装盒1、可拆卸式封装盒2和带滑轮的可调节式磁屏蔽盒，可拆卸式封装盒1为一个没有侧面盖板的矩形结构，可拆卸式封装盒2为与可拆卸式封装盒1对应的侧面薄矩矩形盖板结构，可拆卸式封装盒1和可拆卸式封装盒2通过插针实现组装，带滑轮的可调节式磁屏蔽盒为一对内部为空心的薄矩形结构，滑轮和可调节式磁屏蔽盒通过滑轮轨道实现水平移动；带滑轮的可调节式磁屏蔽盒用于放置不同宽度、高度和厚度的磁屏蔽板，通过滑轮实现磁屏蔽长度的任意控制，带线圈磁轭和磁敏元件封装在可拆卸式封装盒1中。这里采用可调节式磁屏蔽盒的可调节功能调节磁屏蔽的几何参数，提高检测信号强度和缺陷检出能力。

进一步的，所述步骤6用于测试步骤5所搭建的漏磁检测系统，选取具不同缺陷尺寸的几何缺陷或腐蚀缺陷的待测试件，对其进行漏磁检测和缺陷评价，测试所提出方法在实际检测中的应用能力。

此外，本发明提供了一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法。其中检测系统包括：可调节式磁屏蔽磁传感器和包含信号发生器、示波器和和功率放大器功能的控制面板；

可调节式磁屏蔽磁传感器用于在采集缺陷信号过程中提高缺陷信号的灵敏度；

信号发生器用于提供特定波形和频率的激励信号；

功率放大器用于放大信号发生器中的激励信号，功率放大器和磁化装置连接，示波器分别和磁化装置和传感器连接，用于实时显示激励信号和传感器采集到的信号。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法，通过可调节式磁屏蔽传感器中带滑轮的可调节式磁屏蔽盒实现任意宽、高和厚的磁屏蔽封装和两个磁屏蔽盒之间水平距离的控制。

本发明提供了一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法，通过所提出设计的可调节式磁屏蔽磁传感器增强缺陷诱导的漏磁检测信号，提高对小缺陷及恶劣环境下缺陷的检测能力。

本发明可针对不同的检测工况，通过有限元模型和智能优化算法计算该检测工况下的最优可调节式磁屏蔽传感器类型和尺寸参数等，通过调整磁屏蔽参数可适应不同工况下的检测信号增强需求。

附图说明

图1本发明流程示意图。

图2漏磁有限元模型。

图3基于可调节式磁屏蔽的漏磁有限元模型。

图4可调节式磁屏蔽传感器不同参数下的漏磁检测数据获取。

图5可调节磁屏蔽传感器参数检测效果优化分析。

图6为本发明检测系统示意图。

图7为本发明磁屏蔽材料的典型几何构型示意图。

图8为本发明可调节式磁屏蔽传感器示意图。

图9本发明漏磁信号增强效果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：

基于石油天然气管道漏磁检测为实施例，下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，本发明提供了一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法，该方法包括：构建考虑石油天然气管道尺寸和材料属性、磁化装置尺寸及材料属性等参数信息的磁场分析有限元模型，建立考虑可调节式磁屏蔽传感器参数信息的磁信号检测有限元模型，进行参数检测效果的优化分析，进而根据可调节式磁屏蔽传感器的最优参数，设计开发包含可调节式磁屏蔽传感器的漏磁检测系统，提升检测系统的检测灵敏度。具体实施方式如下：

步骤1：基于实际检测问题构建漏磁检测的有限元模型考虑了待测管道的几何形状、尺寸、材料属性(包括电导率、磁导率以及相对介电常数)、磁化系统中磁轭的几何形状、磁轭的尺寸、磁轭材料属性(包括电导率、磁导率以及相对介电常数)、磁化系统中线圈的匝数以及磁化电流大小等参数信息，如附图2所示。使用麦克斯韦方程组来求解漏磁有限元模型，分析和模拟缺陷漏磁场的分布和变化，具体步骤为：

建立几何模型。根据石油天然气管道尺寸和形状(按照《GB/T 34275-2017压力管道长输管道》规范、确定管道材料为碳钢及低合金钢、管径为508mm，最大壁厚为20mm，管长为12000mm)、磁化系统中磁轭的几何形状和尺寸、线圈尺寸和类型以及空气域的大小创建几何模型

定义材料属性。为模型中的每个几何部分指定正确的材料属性，包括各几何模型的电导率、磁导率以及相对介电常数。

设置边界条件和激励源。磁轭和空气域使用的理论方程为

网格划分。将几何模型划分为较小的单元，通常是三角形或四面体网格。

模型求解。根据实际检测需求选择稳态、瞬态或频域等方式求解。

步骤2：建立考虑可调节式磁屏蔽传感器的参数信息的磁信号检测有限元模型，如附图3所示。在步骤1所建立的有限元模型基础上，步骤2建立的包含可调节式磁屏蔽传感器参数信息的磁信号检测有限元模型考虑了附图7中的四类磁屏蔽几何形状等。具体操作步骤为：

建立几何模型。根据被检测管道的实际尺寸和形状、磁化系统中磁轭的几何形状和尺寸、可调节式磁屏蔽传感器、线圈尺寸和类型以及空气域的大小创建几何模型

定义材料属性。为模型中的每个几何部分指定正确的材料属性，包括各几何模型的电导率、磁导率以及相对介电常数。

设置边界条件和激励源。可调节式磁屏蔽、磁轭和空气域使用的理论方程为

网格划分。将几何模型划分为较小的单元，通常是三角形或四边形网格。

模型求解。根据实际情况需求选择稳态、瞬态或频域等求解。

步骤3：取不同的可调节式磁屏蔽传感器参数开展有限元分析，参数包括步骤上述2中所述的四种磁屏蔽类型、不同的磁屏蔽长度、宽度和厚度等尺寸参数。根据遍历的不同可调节式磁屏蔽传感器参数进行有限元模型求解，得到可调节式磁屏蔽传感器在不同参数下的漏磁检测信号数据，具体步骤如附图4所示。

步骤4：开展参数检测效果的优化分析。基于最优梯度算法或神经网络、粒子群优化智能算法，确定最优灵敏度，包括最优的磁屏蔽几何结构、尺寸和材料属性。如附图5所示，详细的操作步骤为：

数据准备：基于步骤2建立的有限元模型，获得可调节式磁屏蔽传感器不同参数下的漏磁信号；

定义优化问题：确定待优化参数(磁屏蔽几何结构和尺寸)；确定约束条件：磁屏蔽尺寸要小于磁轭尺寸；

基于智能算法评估目标函数：目标函数为

判断目标函数是否满足终止条件：若满足则输出最优磁屏蔽结合类型和尺寸参数；若不满足则重新计算。

步骤4：根据可调节式磁屏蔽传感器的最优参数，设计开发包含可调节式磁屏蔽传感器的漏磁检测系统，如附图6所示，检测系统包括一种增强漏磁检测信号的可调节式磁屏蔽传感器和控制面板(包含信号发生器、示波器和和功率放大器功能等)，其中，一种增强漏磁检测信号的可调节式磁屏蔽传感器采用插针原理封装，包括可拆卸式封装盒1、可拆卸式封装盒2和带滑轮的可调节式磁屏蔽盒，如附图8所示。附图8中带滑轮的可调节式磁屏蔽盒用于放置不同宽度、高度和厚度的磁屏蔽，通过滑轮实现磁屏蔽长度的任意控制。带线圈磁轭和磁敏元件封装在可拆卸式封装盒1中。这里采用可调节式磁屏蔽盒的可调节功能调节磁屏蔽材料的几何参数，提高检测信号强度和缺陷检出能力。

步骤5：测试所提出方法在实际检测中的应用能力。选取具几何缺陷或腐蚀缺陷的待测材料，对其进行漏磁检测和缺陷评价，测试所提出方法在实际检测中的应用能力。如附图9所示，相比较于传统的漏磁检测方法，采用本专利所提出的信号增强方法所检测到的缺陷信号更为明显。

至此，本发明提供了一种可基于实际漏磁工况调节磁屏蔽效果的提升检测灵敏度方法，以达到提高漏磁检测的准确性和可靠性。