双金属复合管弱磁检测技术研究

XX大学 毕业设计（论文）题目： 双金属复合油管弱磁检测技术研究 学 院： 测试与光电工程系专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六 月 双金属复合油管弱磁检测技术研究 摘要：随着当今世界能源需求的不断增长, 油气田开采逐渐向深井、高腐蚀环境方向发展。近年来为了延长管道的服役期限，国内外对多种防腐措施进行了应用研究，其结果表明, 使用耐蚀合金复合管是解决腐蚀问题相对安全和经济的途径之一。然而，随着双金属复合油管的应用，材料本身的缺陷问题随之突显出来。目前复合管缺陷的精细无损检测正处于探索阶段，并且有很大的发展空间。本研究以普通钢管作基体，内衬不锈钢层的双金属复合管为实验材料。在实验室环境下，使用实验室便携式弱磁检测系统对试件进行内表面、外表面扫查。实验过程中，当探头扫过缺陷区域时，实时原始信号曲线产生明显的突变，从而论证了弱磁检测方法的确适用于双金属复合管的检测。在此基础上，通过对原始信号曲线和差分处理后的信号曲线进行对比，对预置人工缺陷完成了定位与定量，并根据实验数据用matlab软件绘制出缺陷大小与磁场强度的关系图，证明了缺陷处磁场强度随缺陷大小的增加而逐渐增加，完成了本研究的数据分析。本文为双金属复合管中缺陷的有效检测提供新的方法与思路。 关键词：双金属复合管 弱磁检测 信号处理分析 Investigation on weak magnetic detection technology for bimetal composite pipeAbstract:With the increasing demand of energy, oil and gas exploration gradually head to the deep, high corrosion environment. In order to prolong the service life of the pipeline, domestic researchers carried out so many researches and application studies for the serious corrosion problems of oil and gas pipelines in recent years.The results show that using anti-corrosion alloy composite pipe is relatively a safe and economic way to solve the corrosion problem.However, with the application of bimetal composite pipes, the flaws of these pipes subsequently highlighted.For present,the non-destructive testing technology for bimetal composite pipes is still in the exploratory stage and there is a huge space for development.In my study,I use one piece of bimetal composite pipe which has ordinary steel as matrix with stainless steel inside ,as the object of my study.Under the laboratory environment, I used portable weak magnetic detection system to implement the internal surface and external surface scanning for specimen. In the process of the experiment, the real-time signal curve had the obvious mutation when the probe goes over the flaw area,thus it proved that weak magnetic detection method was suitable for the detection of bimetal composite tubes.On top of this, by comparing original signal curve and differential processing of signal curve, I completed the localization and quantification of the preset artificial defects , and I draw diagrams of the defect size and the strength of the magnetic field according to the experimental data using MATLAB software . It is proved that the defect magnetic field augments with the increases of defects size. This paper provides new methods and ideas to detect defects in bimetal composite pipe. Keywords: bimetal composite pipe weak magnetic detection signal processing 目 录1 引言1.1 课题研究背景和意义11.2 国内外研究现状21.3 课题主要研究内容32 弱磁检测的物理基础2.1 物质的磁性42.1.1 物质的磁性分类42.2 地磁场特性42.2.1 磁场42.3 恒定磁场的边界条件52.4 弱磁检测技术的基本原理63 试验材料及仪器3.1 试验材料73.2 弱磁检测系统93.2.1 仪器介绍93.2.2 仪器性能参数113.2.3 集磁通门传感器（探头）113.3 弱磁检测仪的使用114 试验结果分析4.1 实验方案134.2 双金属复合管缺陷外表面检测结果分析134.2.1 无缺陷处检测结果分析144.2.2 人工缺陷点检测结果分析154.3 双金属复合管缺陷内表面检测结果分析184.3.1 无缺陷处检测结果分析194.3.2 人工缺陷点检测结果分析194.4 数据处理225 总结与展望参考文献24致 谢251双金属复合油管弱磁检测技术研究1 引言随着全球能源需求的快速增长， 油气资源的开采逐渐向更深、腐蚀更强的环境方向发展。目前， 高腐蚀性油气田在开采和输送过程中普遍采用耐腐蚀合金甚至镍基复合管道。全球的研究和应用结果证明， 使用抗腐蚀双金属复合管是解决油气管道腐蚀问题相对安全和经济的途径之一2。双金属复合钢管是将镀锌钢管或焊管、无缝钢管和壁厚更薄的不锈钢管强力嵌合在一起的新型复合管材，也是一种更理想的管道升级换代产品。它保留了两种不同材料内在的优点，互补了它们内在的不足，并且沿用了镀锌钢管传统成熟的安装方式和工艺，因此在使用中方便、可靠、卫生、安全。这种双金属复合管保留了钢管较好的机械强度， 提高了钢管在市政工程如城市用水的输入与输出以及能源开采如煤气、天然气、石油的运输过程中的抗腐蚀性能，由于其内表面光滑，流体阻力小，解决了普通钢管易腐蚀和塑料管易漏水和老化的问题1。根据基管与内衬管选材的不同，以及制造工艺的提升，已有各种双金属复合管广泛应用于油田、化工、电力等工业领域，其适用范围越来越广泛，带来的经济、环境、社会效益也更加明显。随着双金属复合管开始在油气输送中大展身手，对于钢管本身质量的要求也越来越高。为了延长油管的使用寿命，防止脱粘等问题出现，需要对油管进行全面的缺陷检测。然而，目前复合油管缺陷的精细无损检测正处于方法探索阶段，在检测方法方面也有很大的发展空间。由于常规方法的局限性，迫切需要一种操作便捷同时能够有效检测材料内部损伤的无损检测方法。本课题提出了利用弱磁无损检测技术，对油管基层与双金属复合管缺陷的检测进行研究，从而实现有效的检测并对缺陷定位及定量。1.1 课题研究背景和意义 无损检测在金属材料领域已经运用的很成熟，主要集中在射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等常规方法。射线检测主要检测气孔、夹渣、未焊透、疏松等体积型缺陷；超声波检测主要检测裂纹、未融合、白点等面积型缺陷；磁粉检测主要检测铁磁性材料表面、近表面裂纹等缺陷；渗透检测主要检测非多孔材料开口缺陷；涡流检测主要检测导电性材料表面、近表面缺陷。复合管无损检测技术一方面在金属材料无损检测的基础上根据复合材料的特点改进而来，如射线检测技术(包括X射线，红外线，微波，CT照相等方法)、声发射检测技术、超声检测、涡流检测、敲击法检测等。另一方面根据复合材料的特性，发展了许多新的检测技术。然而由于复合材料的非均质性和各项异性，在制造过程中工艺不稳定，极易产生缺陷。在应用过程中，由于疲劳累积、撞击、腐蚀等物理化学的因素影响，复合材料也容易产生缺陷，这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料内部。为了避免复合材料构件失效带来的损失，就必须采用适当的技术来对缺陷的检测提供有效依据。因此，本课题具有极强的研究意义。1.2 国内外研究现状 双金属复合管具有很强的综合性能，既具有优异的机械力学性能，又有很强的抗腐蚀性能，可根据不同的使用环境合理搭配基体与内衬，在节约金属资源的同时又可降低了成本，因此，自双金属复合管投入使用以来，经过十多年的发展，已经有了较为广泛的应用，并取得了明显的经济效益和社会效益。1998年，美国石油协会（API）制定的双金属复合管道规范（API 5LD）更是很大程度上促进了双金属复合管的应用。国外双金属复合管应用成果较多，自投入使用以来，目前在油气田应用已近20余万吨，美国墨西哥湾法尔韦油田早已有应用，日本NKK公司采用UOE工艺制造的Cu-Ni合金复合管（含Ni10%或30%）具有优良的耐海水腐蚀性和可焊性，广泛用于海水淡化系统的海水引入管等4。另外，俄罗斯极北部和东部大陆架等油气田也都有应用。国内以316L为内衬的双金属复合管已在塔里木的牙哈气田、吉那气田、吉林的长岭1号、长庆、大庆徐深气田得到应用。到目前，国内外现有双金属复合管相关标准30余份5。然而，在实际应用过程中双金属复合管的使用性能仍存在明显不足，这主要是因为在服役期内产生的各类缺陷导致其使用性能降低。 近年来，国内外对于双金属复合管的无损检测正在不断发展中，其中不乏有复合材料胶接结构激光电子剪切成像检测技术，便携式相控阵探伤技术，X 射线扫描检测技术，超声F-Scan成像技术检测,漏磁检测技术,纵向导波检测技术11-15等国内外现在常用的检测手段与方法。然而，材料本身结构复杂, 呈现各向异性, 给无损检测带来很大困难。双金属复合管在制造过程中的主要缺陷有：分层、裂纹、界面分离、夹杂等；在使用过程中的主要缺陷有：疲劳损伤和环境损伤，损伤的形式有脱胶、分层、空隙增长、皱褶变形、腐蚀等37-10。目前双金属复合管损伤的精细无损检测正处于方法探索阶段，在检测方法方面也有很大的发展空间。由于常规方法的局限性，而尚未有一种操作便捷同时能够有效检测材料内部损伤的无损检测方法。 因此，基于国内外发展概况，研究操作便捷检测灵敏的弱磁检测技术更加具有实际意义。1.3 课题主要研究内容由于双金属复合管主要应用于油气的运输，其口径一般较大，不适用于常规的实验室检测方法。对于野外在役油管的检测，便携、快速、高效的检测方法具有更大的经济效益。本文提出一种在地磁场环境下的对双金属复合管缺陷的弱磁无损检测方法。具体研究内容如下：（1）双金属复合管检测机理分析本研究是基于弱磁信号测量的被动式磁检测技术，将其应用到双金属复合管的检测中，首要解决的关键问题就是其成立的理论凭据。在实验室环境下，使用符合要求的带有人工缺陷的双金属复合管试件，通过实验室自制设备的扫查，利用所学的磁学知识，将人工缺陷位置和仪器所显示的缺陷处对比，论证了该弱磁检测方法的确适用于双金属复合管的检测。（2）信号的提取基于双金属复合管的磁特性，采用自制研发的弱磁检测仪，通过优化仪器的结构性能、材料、信号分析处理电路等技术后采用高灵敏度探头，对双金属复合管的人工缺陷进行扫查检测。（3） 检测信号的处理 本实验采用的仪器与电脑自研发的信号处理软件一体化使用，在缺陷扫查的同时，绘制出以磁感应强度（nT）为纵轴，时间（s）为横轴的信号曲线。经过一次自处理后，能直观快速的观察是否存在缺陷。2 弱磁检测的物理基础2.1 物质的磁性磁性是物质的一种基本性质,从微观世界到宏观世界、宇宙天体都具有某种程度的磁性。物质放在不平均的磁场中会产生磁力的效力即为磁性。在相同的不平均磁场中，单位质量的物质确定磁性的强弱是由磁力方向和强度。因为磁性任何物质都具有，在不平均磁场中，磁力的作用于任何物质。2.1.1 物质的磁性分类（1） 抗磁性当磁化强度M为负时，物体表现为抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这种性质。在外磁场中，这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M。抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般约为-10-5数量级，为负值。（2） 顺磁性顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。磁化强度与外磁场方向一致，为正，而且严格地与外磁场H成正比。顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下约为10-5数量级。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。（3） 铁磁性铁磁性物质由于分子的自旋排列为平行排列，造成自身存在磁化而具有强磁性，只需在一定的外磁场作用下，既能被磁化至饱和状态，其磁化率远远大于0，一般在101106 数量级。2.2 地磁场特性2.2.1 地磁场地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。地球可视为一个磁偶极（magnetic dipole），其中一极位在地理北极附近，另一极位在地理南极附近1。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引(magnetosphere)。地球磁圈对地球而言有屏障太阳风所挟带的带电粒子的作用。地球磁圈在白昼区(向日面)受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球黑夜区（背日面）则向外伸出。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播，当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在1。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。地磁场强度大约是0.5-0.6高斯，也就是5-610-5特斯拉（50-60T）。2.3 恒定磁场的边界条件由于磁场线总是形成闭合的回路，从包围磁体的任何闭合面流出的净磁通总是零，而与封闭面的形状无关。所以磁场的高斯定理具有以下形式：g Bds=0 (2.1)推导恒定磁场的边界条件，应用高斯定律， Bds=0B1n=B2n (2.2) 式中B1n和B2n为磁感应强度的法向分量。 这一结果表明：B的法向分量在两种媒介的交界面上是连续的。对于线性、各向同性的媒介，由于B=H,对应公式(1-2)H法向的边界条为: 1H1n=2H2n (2.3)对于边长为和h，且封闭的矩形路径，并令h0时，回路的表面趋向于长度为的细线，流经该细线的总电流是I=Js,其中，Js是穿过回路的面电流密度法向分量的幅值。应用安培定律得： Hd=IH1t-H2t=Js (2.4)由于面电流只能出现在理想导体与及超导体的表面，因此，在电导率为有限值的媒介的交界面上，Js=0，即得H切向边界条件为： H1t=H2t (2-5)图2.1 媒介1和媒介2交界面的磁场特性 2.4 弱磁检测基本原理 弱磁检测的基本检测原理是：将试件放入地磁场中，若试件中存在缺陷，缺陷会使均匀的磁感线在被检试件的缺陷处弯曲从而影响该区域的磁场强度，通过探头对试件的磁场进行检测可以得出该区域的磁场强度变化再通过计算机对信号的处理后判断该区域是否存在缺陷。实际操作中，将探头放在试件表面，探头紧贴双金属复合管表面匀速的前进，此刻传感器在测量试件表面的磁场强度并记录数值，当检测结束后直接由计算机软件处理数据，可以直接在屏幕上对缺陷进行定位定量。 对于顺磁性材料，当时，磁力线到缺陷位置会产生相斥作用，缺陷上下两端当接近试件周围时的磁力线密度增大，也就是缺陷处的磁感应强度增大，如图2.2（a）缺陷处的磁感应强度产生一个向上异常突起；当时，缺陷对磁力线产生相吸作用，使得试件周围接近缺陷上下两端的磁力线更加稀疏，磁感应强度相比减小，此时缺陷处磁感应强度会有一个向下异常的突起，如图2.2（b）。对于抗磁性材料试件，其原理与顺磁性材料试件相反。(a)(b)图2.2 铁磁性和顺磁性材料缺陷处磁感应线变化示意图 图2.3 弱磁检测原理图3 试验材料及仪器3.1 试验材料本课题选用普通钢管作基体，不锈钢作内衬层的双金属复合管作为试验研究对象。其规格大致为长390mm，内径94mm，外径114mm，壁厚10mm（内衬层厚度2mm），该试件在其中部位置采用焊接工艺连接，在内表面焊缝及内衬层面各凿有1个人工缺陷，焊缝内表面处缺陷表面积约为240mm2，内衬层面缺陷表面积约为22mm2。此类双金属复合管在抗腐蚀性能方面具有很大的优势，实际上，复合管的意义就在于，在保持其传统材料优势的情况下，使得其各方面性能尤其是抗腐蚀性能大大提高。 图3.1 实验试件内表面俯视平面示意图（红色部分为人工缺陷）图3.2 实验试件内表面实体示意图图3.3 实验试外表面实体示意图 3.2 弱磁检测系统本课题的研究对象是双金属复合管,检测在地磁场环境下，材料产生的磁信号属于弱磁信号，采集到的磁信号极弱，需采用高精的弱磁检测仪，利用材料本身与缺陷处相对磁导率存在的差异来检测材料的缺陷，将采集到的信号通过计算机进行信号处理，以确定人工缺陷的位置与大小。3.2.1 仪器介绍本实验采用的是便携式弱磁检测系统，如图3.4所示；便携式弱磁检测系统的主要组成部分为：集磁通门传感器、计算机和数据采集处理电路三部分组成。本研究所用为便携式弱磁检测仪。 图3.4 便携式弱磁检测系统使用的数据采集电路、集磁通门传感器和计算机图3.5 便携式弱磁检测系统流程图 3.2.2 仪器性能参数(1)弱磁检测仪主要技术指标： 1)稳定性：120小时，小于50nT；8小时，小于5nT； 2)传感器分辨率：1nT； 3)线性度：10T时，0.1%；60T时，小于0.1%； 4)系统误差：不大于2%； 5)每个传感器的Hp值量程： 6)工作温度：-10-75。(2)缺陷检测能力： 线型缺陷：0.5mm； 面积型/体积型缺陷：1.0mm； (3)适用范围：板厚小于2mm以及大厚度的非铁磁性材料，各种金属及非金属材料的微小缺陷。3.2.3 集磁通门传感器（探头） 实验所用探头如图3.4所示，弱磁检测仪传感器是利用法拉第电磁感应定律，将传感器检测到的磁信号通过A/D 转换器，将模拟信号转换为偶次谐波感应电动势。所测得的磁感应强度信号，将转换成感应电动势，通过传输线，经过数字滤波、非线性补偿等处理后，并用低通滤波进行消噪处理。由于课题中采集的是地磁场的磁信号，相对很微弱，所以在系统设计中采用的磁通门传感器，对于各项性能指标有较高的要求，首先就是分辨力，系统中中磁通门传感器对于磁信号的变化程度有很强的感应能力，能够在磁场达100000nT 的时候，分辨率达到1nT。3.3 弱磁检测仪的使用弱磁检测仪的主要功能是采集被检工件的磁感应强度值，并实时显示磁感应强度值的大小。将采集得到的信号保存下来并经过处理后将信号曲线在计算机软件中显示出来。弱磁检测仪的主要操作步骤如下：步骤1，检查电源线、网线是否接好。步骤2，接通电源，打开计算机机和数据采集机。步骤3，找到桌面上的“三通道弱磁检测系统”快捷方式，双击打开。步骤4，“弱磁检测系统”软件使用：（界面控制部分如图3.6所示）图3.6弱磁检测系统软件使用界面(1)点击“连接”，下方操作界面中出现“开始”，此时各参数可下拉选择。 (2)选择已连接的探头“CH2”，点击“确定”，然后点击“开始”，上下持续翻转探头，对仪器数据传输做一次自检，点击“停止”。此时按钮底色变为绿色，说明数据传输正常，整个实验过程中将有动态曲线的实时显示。 (3)点击“开始”，匀速扫查试件。扫查完毕，点击“数据处理”，界面自动跳转到“检测结果”菜单栏，显示刚扫差后的工件缺陷情况。 (4)输入工件号，点击“保存数据”，将刚扫差得到的数据进行保存，数据将以“工件号+检测时间”为文件名存在软件安装子目录下“datafile”文件夹内。 (5)点击“数据预览”，找到所存的数据，点击数据处理，得到此数据的检测结果。 4 试验结果分析天然的地磁场对工件磁化后，用分辨率为1nT的高分辨率传感器测量试件表面处的磁感应强度，利用试件无缺陷处和不连续处的磁导率不同，不连续性会使穿过试件的磁感应线在缺陷处不均匀衰减，进而影响试件表面相对应位置处的磁场强度。用高精度传感器检测试件表面处的磁场强度值，通过计算机程序判断该区域是否存在缺陷。 4.1 实验方案为了更好的计算出缺陷的具体位置，探头要求在测量时保持匀速移动，速度大约为2m/min。（1） 实验选用半环形双金属复合管板作为实验检测对象，检测双金属复合管的焊缝及内衬层缺陷，将地磁场环境作为原有检测环境。（2） 用弱磁检测仪对试件进行检测，根据材料的尺寸划分检测区域，探头分别沿轴向和周向匀速扫查，依次测量磁感应强度，电脑记录数据。（3） 利用MATLAB 软件对数据进行处理，根据多次检测的结果进行分析和讨论，确定缺陷的性质及位置。进行结果分析：验证弱磁检测仪对双金属复合管缺陷检测的可行性。 4.2 双金属复合管缺陷外表面检测结果分析在试件的内表面制作了两个面积不同的人工缺陷，其深度存在差异,如图所示，试件长390mm，内径94mm，外径114mm，壁厚10mm（内衬层厚度2mm）。实验中采用单探头弱磁检测仪器，探头宽度为13mm，检测区域为焊缝及整个外表面，具体实验步骤如下：(1)先用弱磁检测仪测量无缺陷处的磁感应强度(2)在外表面沿轴向和周向匀速移动探头分别扫查焊缝和内衬层缺陷所在的附近区域 检测过程示意图如下所示：其中箭头方向为扫查方向，箭头代表缺陷所在的扫查轨迹。图4.1 双金属复合管外表面扫查检测示意图4.2.1 无缺陷处检测结果分析按照步骤1，先对双金属复合管试件的无缺陷处进行弱磁检测，从磁感应强度曲线4.2中看出，由于传输线的信号衰减，磁感应强度随着检测距离的增加，成近似递减下降趋势，无明显的异常信号；在经过差分处理后（如图4.3所示），几乎所有的梯度都在预先设置的红色阈值线内，由于原始信号是成递减趋势，所以在进行差分后所有数据都是负值，这是符合实际无缺陷处信号特征的。可以确定在检测区域没有缺陷的存在。在接下的实验中，将以无缺陷处的检测信号作为依据，分析测得的缺陷信号。 图4.2 双金属复合管扫查外表面无缺陷处原始信号图 图4.3 双金属复合管扫查外表面无缺陷处差分处理图 4.2.2 人工缺陷点检测结果分析以轴向扫查外表面时内衬层人工缺陷为例，图4.4为试验中弱磁检测仪采集的磁感应强度曲线图。由磁感应强度曲线图可知，磁感应强度随着检测距离的增加逐渐下降，注意图中用红色椭圆标注的区域，磁感应强度产生突变，由下降转为上升，探头扫过缺陷后又变为较平缓下降，磁异常位置的磁感应强度落差为23045nT。对比人工缺陷的位置可知，检测结果与缺陷的中心位置基本一致，根据弱磁技术缺陷检测的经验，同时根据弱磁检测原理中异常区域的判断，在异常处的磁感应强度成波峰形式表明异常点的磁导率小于材料磁导率，可知缺陷处的磁异常是由预置的人工缺陷导致的。 图4.4 探头轴向扫查外表面时复合层缺陷原始信号针对磁感应强度曲线中产生的磁异常，进行差分数据处理，如图4.5所示，用红色椭圆标识了在原始数据图中磁异常区域对应的差分信号位置，可以明显的看出，在扫查距离15mm处存在异常的磁信号超过红色阀值线，与原始信号图中产生突变处基本吻合。图4.5 探头轴向扫查外表面时复合层缺陷差分数据图同理，对于焊缝处的人工缺陷，分别沿轴向和周向在焊缝区外表面进行了两次扫查。检测结果如下图，其中探头周向扫查外表面时焊缝处缺陷的磁感应强度落差为11161nT，探头轴向扫查外表面时焊缝处缺陷的磁感应强度落差为39nT。图4.6 探头周向扫查外表面时焊缝处缺陷原始信号图4.7 探头周向扫查外表面时焊缝处缺陷差分数据图图4.8 探头轴向扫查外表面时焊缝处缺陷原始信号 图4.9 探头轴向扫查外表面时焊缝处缺陷差分数据图 由以上检测结果可知，外表面扫查时弱磁检测技术可以准确快速的检测双金属复合管内衬层的缺陷。弱磁检测对于双金属复合管焊缝处的缺陷也同样有可靠的检测能力。4.3 双金属复合管缺陷内表面检测结果分析实验中采用单探头弱磁检测仪器，探头宽度为13mm，有效检测宽度实际为10mm，检测区域为焊缝及整个内表面，具体实验步骤如下：(1)先用弱磁检测仪测量无缺陷处的磁感应强度。(2)在内表面沿轴向和周向匀速移动探头分别扫查焊缝和内衬层缺陷所在附近区域。检测示意图如下所示:其中箭头方向为扫查方向，箭头代表缺陷所在的扫查轨迹。图4.10 双金属复合管外表面扫查检测示意图 4.3.1 无缺陷处检测结果分析检测无缺陷处的磁感应强度曲线如图4.11所示，曲线光滑，并没有明显的异常点，由于无缺陷处材料是连续的，地磁场可以均匀的穿过无缺陷处，磁感应线不会产生弯曲，所以弱磁检测仪在无缺陷处的材料表面采集到磁信号均匀，随着检测距离的递增，整个磁信号曲线在坐标轴上是成线性递减趋势的；通过差分数据处理图4.12可知，整个曲线近似递减趋势，差分处理得到的数据为负数，所有差分处理后的数据均在阈值内，检测区域无异常，可判断该检测区域无材料不连续部分，属于无缺陷区域。图4.11 双金属复合管扫查内表面无缺陷处原始信号图图4.12 双金属复合管扫查内表面无缺陷处差分数据图 4.3.2 人工缺陷点检测结果分析以周向扫查内表面时焊缝处人工缺陷为例，图4.13为试验中弱磁检测仪采集的磁感应强度曲线图。由磁感应强度曲线图可知，磁感应强度随着检测距离的增加逐渐下降，注意图中用红色椭圆标注的区域，磁感应强度产生突变，由下降转为上升，探头扫过缺陷后又变为较平缓下降，磁异常位置处的磁感应强度落差为93587nT。图4.13 探头周向扫查内表面时焊缝处缺陷原始信号图4.14 探头周向扫查内表面时焊缝处缺陷差分数据图针对曲线中产生的磁异常，进行差分数据处理如图4.14所示，用红色椭圆标识了在原始数据图中磁异常区域对应的差分信号位置，可以明显的看出，在扫查距离28mm处存在异常的磁信号超过红色阀值线，与原始信号图中产生突变处基本吻合。同理，对于内衬层的人工缺陷，沿轴向进行扫查，其检测结果如下，磁异常处磁感应强度的落差为11nT。图4.15 探头轴向扫查内表面时复合层缺陷原始信号图4.16 探头轴向扫查内表面时复合层缺陷差分数据图由以上检测结果可知，内表面扫查时弱磁检测技术可以准确快速的检测双金属复合管焊缝处的缺陷，且对于双金属复合管内衬层表面的缺陷有可靠的检测能力。至此，通过实验结果验证了弱磁检测是一种能对双金属复合管各类缺陷进行快速、准确检测的一种无损检测新技术。4.4 数据处理为了更进一步直观方便地认识弱磁检测中缺陷大小与磁异常处磁感应强度大小的关系，以轴向扫查为标准，进行了更多次的对于两处人工缺陷的内、外表面扫查，并在实验过程中记录下每次扫查中磁异常处磁感应强度的峰值大小，用matlab分别绘制出以下关系曲线。图中，横坐标为缺陷大小（mm2），纵坐标为磁场强度（nT）。图4.17 外表面扫查时缺陷大小（面积mm2）与缺陷处磁场强度关系图图4.18 内表面扫查时缺陷大小（面积mm2）与缺陷处磁场强度关系图由以上两图可知，弱磁检测过程中，缺陷处的磁场强度随着缺陷大小的增加而逐渐增加，呈指数关系。其原因为，随着缺陷大小的增大，材料磁导率的变化增大，从而影响了缺陷处的磁感应强度。根据以上曲线，我们可以在今后的实验过程中更加快速地通过峰值预估缺陷大小或者通过可视缺陷大小预估其信号突变程度，为缺陷的定位定量提供便利。5 总结与展望本研究以双金属复合管为研究对象，提出了一种在地磁场环境下检测其缺陷的弱磁检测方法。通过实际检测，验证了该方法适用于双金属复合管的缺陷检测。并得到如下几点结论： (1)天然的地磁场对工件磁化后，利用试件完好处和缺陷处的磁导率差异会使磁感应强度突变的原理，通过分辨率为1nT的传感器测量试件表面处的磁感应强度，并通过弱磁检测系统实时地将原始信号在计算机屏幕上直接显现出来，从而达到简单、快捷并且高效检测双金属复合管缺陷的目的。(2)弱磁检测技术能检测铁磁性材料内部和表面的缺陷，也能检测板厚小于2mm的非铁磁性材料薄件和大厚度的非铁磁性材料。该检测方法的励磁源是地磁场，无需人工励磁装置。它是一种不受材料磁特性限制、厚度限制，内外缺陷检测兼顾，无需人工磁化的检测方法。便携式弱磁检测系统在原有五大常规检测的基础上突破了传统弱磁无损检测方法不能高效率、全面检测材料的局限性，解决了常规检测无法检测某些特定形状、特殊成形和特殊用途的工件的技术难题。(3)针对双金属复合管，采用弱磁检测系统，对材料的缺陷进行快速准确的扫查并可实时直观地在计算机屏幕上观察缺陷信号曲线。本课题的研究仅仅是利用弱磁检测技术对双金属复合管的缺陷检测问题进行了一个初步探索，要想准确的的描述材料内部状态，需要开展深入和细致的工作。本文对弱磁检测技术检测是否适用于双金属复合管进行初步验证，现阶段只能达到缺陷的定位和定性分析，很难对缺陷的当量进行判断与说明。在实验中，检测结果无法避免地会受到人为因素的影响，若能解决弱磁检测过程中探头运动问题的影响，且准确区分缺陷产生的异常和伪异常，如背景噪声产生的异常等，将达到对缺陷更加准确的的定性、定位和定量。参考文献1 /link?url=GSLigyOEgGp0amuwCeGXDFyt9x0he_QvHCT5OOmH NqfHA2qqTQUkPegE_Jow588UF9mDXW6q_GtSE-e9Ond12q, 百度百科.2 李发根, 魏斌, 邵晓东等. 高腐蚀性油气田用双金属复合管J. 油气储运,2010, 29(5): 359-362.3 朱洪亮. 内衬不锈钢复合管焊接失效研究D. 西南石油大学, 2013.4 范兆廷. 新型输油气双金属复合管道腐蚀及可靠性研究D. 重庆大学, 2013.5 孙育禄, 白真权, 张国超等. 油气田防腐用双金属复合管研究现状J. 全面腐蚀控制, 2011, 25(5): 10-12.6 徐江,武新军,康宜华等. 国外油管在线无损检测技术的研究与应用现状J. 石油机械, 2006, 34(5): 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