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缺陷漏磁场形成机理解析

时间:2023-06-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:这对分析缺陷漏磁通和管道缺陷面积的关系很有用。漏磁场的形成原理也可用磁介质的边界条件或麦克斯韦方程解释。当连续、均匀的材质中有切割磁力线的缺陷存在时,就会形成漏磁场。

缺陷漏磁场形成机理解析

漏磁检测法是建立在铁磁性材料高磁导率特性基础上的。铁磁性材料被外加磁场磁化后,若材料的材质是连续、均匀的,则材料中的磁力线将被约束在材料中,磁通是平行于材料表面的,几乎没有磁力线从被检表面穿出,即被检表面没有磁场。但当材料中存在着切割磁力线的缺陷时,由于缺陷的磁导率很小,磁阻很大,磁力线将会改变途径,这种磁通的泄漏同时使缺陷两侧部位产生磁极化,形成所谓的漏磁场。漏磁检测法就是通过测量被磁化的铁磁性材料表面泄漏的磁场强度来判定缺陷大小的。

漏磁现象可以用缺陷附近磁导率μ磁感应强度B的变化来解释。铁磁性材料的磁化强度和泄漏的磁力线强弱直接相关,在外磁场作用下,铁磁性材料的磁感应强度B与磁场强度H关系为B=μH,由于材料磁导率μ是一个随磁场强度H变化的量,所以BH变化并不是一个线性关系,而呈现出一个非线性变化的磁特性曲线。铁磁性材料的典型磁特性曲线如图1-1所示。

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图1-1 铁磁性材料的磁特性曲线

铁磁性材料被永磁体或励磁线圈磁化时遵循该曲线所示的磁化规律。通常磁特性曲线分成三个区域。

第1区域:BH的增加而上升的速率缓慢,曲线平缓。

第2区域:BH的增加而急剧上升,曲线陡直。

第3区域:BH的增加趋于水平,磁感应强度较快地进入饱和状态。

下面通过磁化曲线和材料磁导率曲线分析管道产生漏磁场的原因。

一个有表面缺陷的钢坯如图1-2所示,设钢坯的横截面面积为A,缺陷的横截面面积为a,因此有缺陷处钢坯横截面面积为A′=A-a。假设钢坯放置在磁场强度为H的均匀磁场中,无缺陷处的磁感应强度为B1,此值对应于图1-1中磁化曲线上的Q点,而Q点对应于磁导率曲线上的P点,因此通过钢坯无缺陷横截面的磁通量Φ=B1A。因为通过钢坯的磁通量是相同的,如果在有缺陷的钢坯横截面上相应的磁感应强度为B2,则B2=B1A/A′=B1A/(A-a),故B2B1,即缺陷处的磁感应强度由于存在缺陷而增加,从而使工作点从磁化曲线上的Q点移到Q′点;与Q′相对应的磁导率却相应变小,从P点移到P′点。这就是说,由于缺陷存在,产生了反常的现象,横截面面积减小部位的磁感应强度增大,磁导率反而减小,造成钢坯存在缺陷的部位不容许通过原来数值的磁通量,使得一些磁力线被散漏到周围的介质中,形成漏磁场。

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图1-2 有缺陷的钢坯及其横截面

通过钢坯的总磁通量Φ=B1A,通过缺陷处的磁通量Φ0=B1A-a)+B0a,其中B0为缺陷处介质的磁感应强度。

缺陷附近的漏磁通为

ΔΦ=Φ-Φ0=B1A-B1A-a)-B0a=B1-B0a=μp-μ0Ha(1-1)式中,μ0为缺陷处介质的磁导率。

由于μp>>μ0,式(1-1)可以简化为ΔΦ=μpHa=B1a,这说明缺陷处漏磁通与钢坯的磁感应强度B1和缺陷的横截面面积a成正比。这对分析缺陷漏磁通和管道缺陷面积的关系很有用。(www.xing528.com)

漏磁场的形成原理也可用磁介质的边界条件麦克斯韦方程解释。在两种磁介质的分界面上(或一种磁介质与真空的分界面上),主要边界条件有两条:一是磁感应强度B法向分量的连续性,即B2n=B1nn表示分界面的法向);二是磁场强度H切线分量的连续性,即H2t=H1tt表示分界面的切线方向)。它们分别是把磁场的高斯定理和安培环路定理应用到边界面上的直接推论。

由于存在上述两个边界条件,磁力线在两种不同磁导率介质的分界面上会发生“折射”。两种不同磁介质的分界面上磁力线的折射示意图如图1-3所示。

设界面两侧磁力线与界面法线的夹角分别为θ1θ2,则有

B1n=B1cosθ1B2n=B2cosθ2

H1t=H1sinθ1H2t=H2sinθ2(1-2)

已知两种磁介质的边界条件为B1n=B2nH1t=H2t,两式相除得

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将式(1-2)代入式(1-3)得

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设两种介质的磁导率分别为μ1μ2,则B1=μ1μ0H1B2=μ2μ0H2,于是有

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即界面两侧磁力线与法向夹角的正切之比等于两侧介质磁导率之比。

如果μ2=1(真空或非磁性介质),μ1>>1(铁磁性物质),则θ2≈0°,θ1≈90°,这时在介质1内磁力线几乎与界面平行,从而也非常密集。磁导率μ1越大,θ1越接近于90°,磁力线就越接近于与表面平行,从而漏磁通越少,这样,高磁导率的铁磁性物质就把磁通量集中到自己的内部。当连续、均匀的材质中有切割磁力线的缺陷存在时,就会形成漏磁场。

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图1-3 磁力线的折射

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