水冷壁管漏磁检测仪的磁路优化设计

１ 引 言
水 冷 壁 管 是 电 站 锅 炉 的重 要 组 成 部 分 ， 期 在 高 温 、 气 、 灰 的恶 劣 环 境 下 工 作 ， 蚀 、 损 、 裂 等 因素 极 易 引 起 长 烟 飞 腐 磨 拉 水 冷 壁 管 管 壁 的 减 薄 ， 至 发 生 爆 漏 事 故 ， 重 影 响 机 组 的 安 全 和 经 济 运 行 。漏 磁 检 测 方 法 利 用 水 冷 壁 管 良好 的 导 磁 性 甚 严
Ｈ （ ｍ） ５ ０ １ ０ ２ Ｏ ７ Ｏ １ ０ ０ ５ ０ Ａ／ ０ ０ ０ ５Ｏ ５ Ｏ ０ ０ １ ０ ０
Ｂ（丁） Ｏ Ｏ １ １６ ｌ ６７ １ ７５ １ ８１ １ ９１ ．８ ． ＿ ． ． ．
表 ２ 管 道 Ｂ 曲 线 Ｈ
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３ 永 磁 铁 尺 寸 对 管 壁 磁 化 强 度 的 影 响
漏 磁 检 测模 型 中 ， 磁 铁 尺 寸 ， 靴 高 度 ， 靴 与 管 道 间 气 隙 高 度 和 极 靴 材 料 对 管 道 磁 化 都 有 一 定 的 影 响 ， 是 永 磁 永 极 极 但 铁 尺寸即宽度 ｗ 、 高度 Ｈ 对 管 道 磁 化 的影 响 最 大 。 因此 首 先 考 虑 永 磁 铁 尺 寸 对 磁 化 的影 响 。 设 定 极 靴 高 度 为 ２ ｒ ｍ， ５ ａ 极 靴 与管 道 间气 隙 高度 为 ２ ｍｍ， 算 时 ， 持 极 靴 宽 度 与 永 磁 铁 宽 度 相 同 。 同时 水 冷 壁 管 的一 半 管 道 被 埋 进 墙 壁 ， 计 保 漏磁 检测 时 主要 检 测 露 在 外 面 的半 边 管 道 的缺 陷 ， 以管 壁 正 中间 的磁 通 量 密 度 Ｂ 所 ｚ为 磁 化 强 度 参 考 点 。
磁 化 模 型 制 成 了一 个 漏磁 检 测 仪 并 进 行 了缺 陷检 测 实验 。 关键 词 ： 冷 壁 管 漏磁 检 测 永 磁铁 磁 路 设 计 磁 化 水
中 图分 类 号 ：
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文 献 标 识码 ： Ａ
图 ３磁 通 量 密 度 Ｂｚ和 永 磁 铁 高度 Ｈ 的 关 系
图 ２ 图 ３是 永 磁 铁 宽 度 ｗ 和 高 度 Ｈ 对 管壁 磁化 强 度 的 影 响 曲 线 。 由图 ２可 知 ， 同一 高 度 下 ， 宽 度 逐 渐 增 大 到 和 在 当
３ ｒｍ 时 ， ｚ的 变 化 十 分 明 显 ； ５ ａ Ｂ 当宽 度从 ３ ｍｍ再 增 大 到 ４ ｍｍ 时 ， ｚ的 变 化 较 缓 慢 ， 壁 也 逐 渐 达 到 饱 和 磁 化 。 由 图 ３ ５ ５ Ｂ 管
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（ １ ）
其 中 ， 是 空 气 中平 均 磁 通量 密度 ， 是极 靴 端 面面 积 ，。 自由空 间的 磁 导 率 ， 值 为 ４ｒ ｌ～ Ｈ／ Ｂ ｓ 是 取 × ｏ ７ ｍ。 为 了得 到 永 磁 铁 尺 寸 对 管 道 吸 附力 的关 系 ， 别 对 于 不 同 的永 磁 铁 高 度 Ｈ 及 宽 度 ｗ 求 得 了 磁 化 装 置 和 管 道 间气 隙 分 的平 均 磁 通 量 ， 由 （）式 计算 出 了永 磁 铁 尺 寸 与 吸 附 力 的 关 系 曲线 。 图 ４是 永 磁 铁 宽 度 变 化 时 不 同 高 度 的永 磁 铁 产 生 并 １ 的 吸附 力 的 大 小 曲 线 ， 图可 知 当 永 磁 铁 宽 度增 加 时 吸 附力 不 断 增 加 。 图 ５是 永 磁 铁 高度 变 化 时 不 同宽 度 的 永 磁 铁 产 生 由
列。 Ｈ（ ｍ） ５ ０ １ ０ ２ ０ ５ ０ ７ Ｏ １ ０ ０ ５０ Ａ／ ０ ０ ０ ５０ ００ ５ ０ ０ ０ １ ０ ０
Ｂ（ ） Ｔ Ｏ ３ ．５ ｌ Ｏ１ １． ６ １ ＿ ２ ．４６ １． １ ７５ １． ４ ６２ ． ８
表 １ 衔 铁 ＢＨ 曲 线
且 不 利 于 小 车 的小 型化 。 因此 ， 究 磁 铁 尺 寸 对 吸 附 力 的 影 响 是 很 有 必 要 的 。 研
・
４１ ・
薛 丽 ： 冷壁 管漏磁 检测 仪的磁 路优 化设计 （０ １ 水 ２ １）
磁 铁 与 管 道 的 吸 附 力 与极 靴 与 管道 间空 气 中 的磁 通 量 密 度 和 极 靴 面 积 成 正 比关 系 ， 似 计 算 公 式 如 下 ： 近
可知 ， 同一 宽度 下 ， 着 高 度 Ｈ 变 大 ， ｚ虽 然 有 变 大 的 趋 势 ， 变 化 幅度 较 小 。将 图 ２和 ３联 合 起 来 看 ， 永 磁 铁 尺 寸 发 随 Ｂ 但 当
生变化时 ， 宽度 比高 度 Ｈ 对 磁 通 量 密 度 Ｂｚ的影 响 要 大 得 多 。
对 于 管 道 磁 化 来 说 ， 壁 的磁 化 强 度 达 到 １ ８ 管 ． Ｔ即 达 到 饱 和 磁 化 ， 是 在 实 际 漏 磁 检 测 过 程 中 不 一 定 达 到 饱 和 磁 化 ， 但 只需 要 达 到饱 和磁 化 强 度 的 ８ ％ 即 １ ４ 丁 就 可 以 进 行 漏 磁 检 测 ｌ 。２ ｒ ｍ 时 ， ５ ａ 即使 Ｈ 增 加 到 ４ ｍｍ， ｚ都 没 能 够 到 达 １ ４ Ｔ， ｗ 一 ３ ｒｍ 时 ， 大 于 ２ ５ Ｂ ．４ 当 ０ ａ Ｈ ５即 有 Ｂ ｚ 大 于 １ ４ Ｔ。所 以 宽 度 ｗ 取 值 要 大 于 ３ ｍｍ， 能 使 管 壁 达 到 磁 化 要 求 。 ．４ ０ 才
能 ， 准确 的检 测 管 壁 的缺 陷 ， 能 实现 检测 的 自动 化 。 能 并 管 壁 的 磁 化 是 漏 磁检 测最 基 本 和最 关 键 的一 个 环 节 。如 果 外 加 磁 场 不 能 使 管 壁 的磁 化 强 度 足够 大 ， 不 能 产 生 漏 磁 将
信 号 ， 者 产 生 的漏 磁 信 号 十 分 微 弱 以致 被 噪 声 信 号 掩 盖 。外 加磁 场越 强 ， 壁 的磁 化 就 越 充 分 。但 是 外 加 磁 场 越 强 ， 或 管 外
第 ６ 第 ２期 卷
２１ ０ １年 ６月
江 西 蓝 天 学 院 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｊ ＡＮＧＸＩＢＬＵＥ Ｓ Ｉ ＫＹ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
Ｖ０６ １ Ｎ Ｏ ２ ． ．
Ｊｎ． ０ １ ｕ ｅ ２ １
水 冷壁 管漏 磁检 测 仪 的磁 路 优 化 设 计
… ０● ００● ０ ●０Ｏ● Ⅲ ０ Ⅲ
文 章 编 号 ：２ （０ １ ０ — ０ ０ ５ １ ３ ２ １ ） ２ ４ —０
００● ００◆ ００● 。。．００● 。。． ００●００ ●００● ００● ００◆０Ｏ● ００● ００◆ ００●ｏ０ ●。。 ．００● ｏ０●００● ００◆ ００◆ ｏ。．Ｏｃ● 。。． Ⅲ 。 ００●０
响 ， 时还 研 究 了不 同提 离值 对 管 道 漏 磁 场 大 小 的 影 响 。 并 由此 确 定 了 水 冷 壁 管 漏 磁 检 测 模 型 的 具 体 参 数 ， 同 即磁 化 装 置
永 磁 铁 的 最 优 尺 寸是 宽度 ４ ｍｍ、 ０ 高度 ２ ｍｍ， ５ 极靴 与 管 道 间 隙 为 ５ ｍｍ， 感 器提 离值 为 ２ 传 ｍｍ一４ ｍｍ。 最后 根 据 优 化 后 的
有 效途 径 。
２ 水冷 壁管管 壁磁化 方法 和有 限元模 型
图 １ 有 限 元模 型
收 稿 日期 ：０ １ ２ ２ ２ １ —０ ～２
・４ ・ ０
江 西 蓝 天 学 院 学 报 （ ０ １ ２１ ）
水 冷 壁 管 是 把 许 多钢 管并 排镶 嵌 在 锅 炉 壁 上 ， 过 管 道 内部 的水 流 冷 却 管 道 。 为 了 实 现 水 冷 壁 管 的局 部 磁 化 并 且 利 通 于检 测 装 置 的安 装 和 自动 爬 行 ， 化 方 法 和 有 限 元 模 型 如 图 １所 示 。磁 化 装 置 由 永 磁 铁 、 靴 及 衔 铁 组 成 。为 了 研 究 永 磁 极 磁 铁 尺 寸 对 管 壁 磁 通 量 和 漏 磁 的影 响 ， 磁 铁 的 宽度 ｗ 和 高度 Ｈ 为 优 化 设 计 的参 量 ， 度 与 管 道 直 径 相 同 。模 型 中 空 气 永 长 包 围在 图 示 模 型 的 外 层 ， 有 画 出 。永 磁 铁 采 用 高 矫 顽 力 高磁 能 的 钕 铁 硼 永 磁 体 ， 顽 力 为 ８ ６ ０ Ａ／ 相 对 磁 导 率 为 １ 没 矫 ３ ０ ０ ｍ， ． ２ 。衔 铁 的 作用 是 导 通 磁 路 ， 用 导 磁 性 能 良好 的软 磁 材 料 。管 道 采 用 ４ 钢 。衔 铁 和 管道 的 ＢＨ 曲 线 值 如 表 １ 表 ２所 ６ 采 ５ 和
４ 磁 铁 尺 寸 对 吸 附 力 的 影 响
由于 检 测 装 置 要 在 竖 直 的管 道 上 爬 行 ， 磁 检 测 装 置 由磁 化 装 置 的 永 磁 铁 提 供 检 测 小 车 对 管 道 的 吸 附力 ， 用 的 永 漏 采
磁 铁 决 定 了检 测 装 置 是 否 能 够 安 全 运 行 。 永 磁 铁 的 尺 寸 会 影 响 极 靴 与 管 道 间 的 磁 通 量 大 小 ， 决 定 小 车 对 管 道 的 吸 附 并 力 。若 检 测 装 置 对 管 道 的吸 附力 不 够 大 ， 车 将 不 能 在 管 道 上 安 全 爬 行 ； 附 力 太 大 ， 车 的 体 积 和 驱 动 功 率 将 会 增 加 ， 小 吸 小
薛 丽
（ 西 蓝 天 学 院 电子 信 息 工 程 系 江 西 南 昌 ３ ０ ９ ） 江 ３ ０ ８
摘 要 ： 道 磁 化 是 漏磁 检 测 的 重要 部 分 。本 文 建 立 了水 冷 壁 管 漏 磁 检 测 模 型 ， 利 用 有 限 元 方 法研 究 了 永磁 铁 尺 管 并 寸 对 水 冷 壁 管 管 道磁 化 的 影响 规 律 ， 算 了不 同 尺 寸 的 永 磁 铁 与 吸 附 力 的 关 系 ， 分 析 了极 靴 与 管 道 间 隙 对 吸 附 力 的 影 计 并
寸 和驱 动 功 率 的最 优 配 置 ， 要 对 漏 磁 检 测 仪 的磁 路 进 行 优 化 ｌ 。 就 】 ］
钢 管 管 壁 是 非 线 性 导 磁 材 料 ， 接 求 解 非 线 性 材 料 的 麦 克 斯 韦 方 程 十 分 复 杂 。 采 用 有 限元 数 值 模 拟 方 法 用 来 求 解 麦 直 克 斯 韦 方 程 ， 算 管 壁 磁 通 量 密 度 和 空 气 中漏 磁 场 强 度 的 研 究 方 法 是 一 种 广 泛 应 用 的漏 磁 模 拟 方 法 。 大 型 有 限 元 分 析 软 计 件 ＡＮＳ Ｓ具 有 三 维 实 体 建 模 ， 料 特 性 定 义 ， 限元 网格 智能 划 分 和可 视 化 后 处 理 等 功 能 ， 进 行 电磁 场 有 限 元 计 算 的 Ｙ 材 有 是
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图 ２ 磁 通 量 密度 Ｂｚ和 永 磁 铁 宽度 Ｗ 的 关 系
加 永 磁 铁 的 体 积 就 越 大 ， 就 增 加 了检 测 器 的 体 积 和 重 量 。 同 时 ， 磁 铁 体 积 大 ， 化 装 置 对 管 道 的 吸 附 力 也 越 大 ， 需 这 永 磁 就 要 更 大 的驱 动 功 率 ； 磁 铁 体 积 过 小 ， 附力 不 足 以使 磁 化 装 置 吸 附 在 管 道 上 。所 以 ， 想 达 到 检 测 灵 敏 度 ， 化 装 置 尺 永 吸 要 磁