鋼管高速漏磁探傷靜壓氣浮探靴理論研究

姜現(xiàn)想 康宜華 伍劍波

1.金日成綜合大學(xué)，平壤，朝鮮

2.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430074

0 引言

在鋼管漏磁探傷過程中，為使獲得的漏磁信號具有最大幅值和良好的一致性，一般要求磁敏傳感器盡可能靠近鋼管，且傳感器與鋼管之間的提離距離保持不變。在自動化探傷過程中，傳輸輥道的制造安裝誤差以及鋼管的直線度誤差使得鋼管在前進(jìn)過程中不可避免地產(chǎn)生偏移，為此，漏磁探傷中要求磁敏傳感器同軸跟蹤鋼管。

探靴作為磁敏傳感器的承載體，是漏磁探傷設(shè)備的重要組成部分。傳統(tǒng)接觸式探靴以內(nèi)表面緊貼鋼管，實(shí)現(xiàn)主動跟蹤。探靴的形狀為弧形，曲率半徑與鋼管外徑相同，傳感器布置在探靴內(nèi)部。探靴在扶正跟蹤機(jī)構(gòu)提供的外力作用下緊貼鋼管表面，當(dāng)鋼管發(fā)生偏移時(shí)，探靴隨著鋼管一起運(yùn)動。這樣，傳統(tǒng)探靴通過接觸式跟蹤方式實(shí)現(xiàn)了傳感器與鋼管之間的提離值保持不變。

由于探靴和鋼管表面之間存在摩擦，所以一般對探靴摩擦面進(jìn)行噴涂處理以延長使用壽命。當(dāng)探靴涂層厚度由于摩擦作用損耗到一定值時(shí)，需要更換探靴。傳統(tǒng)接觸式探靴結(jié)構(gòu)目前廣泛應(yīng)用于鋼管低速（探傷速度低于2m/s）探傷。

隨著我國鋼管行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)連軋無縫鋼管的生產(chǎn)速度已經(jīng)達(dá)到3m/s，這對與鋼管生產(chǎn)相配套的漏磁設(shè)備探傷速度也提出了更高要求。然而，高速探傷給接觸式探靴的使用帶來了一些新的問題。探靴與鋼管之間的高速劇烈摩擦使探靴涂層快速消耗，導(dǎo)致探靴更換頻繁，并且高速摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，使傳感器工作環(huán)境溫度升高，影響檢測精度和穩(wěn)定性。因此，接觸式探靴結(jié)構(gòu)在進(jìn)行高速探傷時(shí)已不再適用［1－2］。

1 氣浮探靴工作原理

高速漏磁探傷氣浮探靴利用探靴與鋼管表面之間形成的氣膜來消除探靴與鋼管之間的摩擦，實(shí)現(xiàn)對鋼管的同軸跟蹤。探靴在軸向方向均勻布置簡單孔式節(jié)流器，氣體流通過節(jié)流孔后形成壓降，并在鋼管表面形成以扶正機(jī)構(gòu)支點(diǎn)為中心的對稱壓力分布，如圖1所示。

圖1 漏磁探傷氣浮探靴工作原理

探靴在氣體作用力F與恒定外力Fw的共同作用下保持平衡，并形成厚度為h的氣膜。當(dāng)鋼管軸線發(fā)生偏移（如鋼管沿著x軸左移）時(shí)，會導(dǎo)致氣膜厚度h減小，氣流阻力增大，流速降低，從而使整個(gè)氣膜內(nèi)壓力有不同程度的提高，氣體作用力F增大，探靴在氣體作用力F和外力Fw作用下左移，最終達(dá)到新的平衡位置。這樣，氣膜厚度h被限制在能滿足探傷要求的微小范圍內(nèi)變化，從而實(shí)現(xiàn)了探靴對鋼管的非接觸式跟蹤。由于氣膜厚度小，根據(jù)漏磁場強(qiáng)度與傳感器提離值之間的關(guān)系，氣浮探靴所形成的氣浮層對漏磁場強(qiáng)度基本沒有影響。

2 氣浮探靴靜態(tài)特性分析

為獲得探靴氣體作用力F與探靴結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，以氣浮探靴為研究對象，考慮到鋼管直徑是氣膜厚度h的1000倍，所以不考慮鋼管表面曲率的影響，并將氣膜沿著鋼管軸心線展開成平面。氣浮探靴結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。探靴寬度L＝Rθ0（R為鋼管外表面的半徑），長度L1＝sL（s為長寬比），節(jié)流孔的直徑為d，氣膜弧長對應(yīng)的相位角為θ0，兩節(jié)流孔間弧長對應(yīng)的位相角為α0。將氣膜按節(jié)流孔數(shù)目2n在軸向上均分成n等份，每一等份寬度b＝L1/n。

圖2 氣浮探靴幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

探靴氣膜氣浮力F0為n等份氣膜氣浮力Fi的疊加：

由于氣浮探靴結(jié)構(gòu)具有幾何對稱性，氣浮反力F0必經(jīng)過探靴幾何中心。氣流經(jīng)過節(jié)流孔后，氣流方向由垂直于氣膜方向變?yōu)槠叫杏跉饽し较?。為求出氣膜氣浮力F0，考察氣流壓力在氣膜上的分布，根據(jù)對氣膜的劃分，壓力分布有兩種，如圖3所示。第一種是氣膜中間部分，即圖3中的2～（n－1）部分，2個(gè)節(jié)流孔間無氣體流動，氣體自小孔流出后，立即充滿等份的全寬度，使氣體在每個(gè)等份內(nèi)呈一維流動；每等份內(nèi)兩節(jié)流孔間的壓力相等，其值為該等份氣體流經(jīng)節(jié)流孔后的出口壓力pdi；氣體無軸向流動，只是沿圓周方向流向探靴端面，2～（n－1）部分氣體壓力值由節(jié)流孔出口壓力pdi降至端面的環(huán)境壓力pa。第二種是氣膜兩端面部分，即圖3中的1、n等份，氣流經(jīng)節(jié)流孔后沿圓周方向和軸向方向均有流動。1、n部分的氣體壓力由節(jié)流孔出口壓力值pdi經(jīng)過不同路徑降至環(huán)境壓力pa。

圖3 氣浮探靴流體流動方向示意圖

根據(jù)上述分析，由氣浮探靴具有幾何結(jié)構(gòu)對稱性可知，第2～（n－1）等份氣膜氣浮力相同，第1、n等份浮力相同，則根據(jù)式（1），氣浮力F0為

2.1 第n－1等份氣膜氣浮力Fn－1分析

圖4 第n－1等份氣膜壓力分布

根據(jù)氣體質(zhì)量流量和狀態(tài)方程，假設(shè)氣體在流動過程中為等溫［3］，則可得第n－1等份氣膜壓力分布方程：

式中，p1為兩個(gè)節(jié)流孔間的區(qū)域壓力；p2為從節(jié)流孔到探靴端面的區(qū)域壓力。

第n－1等份氣膜氣浮力為

式中，σ、βn－1為節(jié)流壓力比，σ＝pa/p0，βn－1＝pdn－1/p0；p0為供氣壓力。

從伯努利方程式可得出第n－1等份的節(jié)流孔的氣體質(zhì)量流量

式中，A為節(jié)流孔面積，A＝πd2/4；ρa(bǔ)為大氣密度。

當(dāng)βn－1≤βk（βk＝ ［2/（k＋1）］k/（k－1））時(shí)，

當(dāng)βn－1＞βk時(shí)，

對于空氣，k＝1.4，則βk＝0.528，流量系數(shù)φ＝0.8，那么

2.2 第n等份氣膜氣浮力Fn分析

由于第n等份氣膜氣浮力具有對稱性，只需分析上半部分，將其分劃分為a、b、c、d四個(gè)區(qū)域，如圖5所示，圖5，l＝R（θ0－α0）/2，by＝Rα0/2，則第n等份氣膜氣浮力為

圖5 第n等份氣流流動方向示意圖

（1）a區(qū)氣浮力Fa。單向流動區(qū)a的壓力分布方程和氣浮力分別為

（2）b區(qū)氣浮力Fb。單向流動區(qū)b的壓力分布方程和氣浮力分別為

（3）c區(qū)氣浮力Fc?；旌戏较蚨它c(diǎn)角區(qū)c的壓力分布方程［4-7］和氣浮力分別為

（4）d區(qū)氣浮力Fd。無流動區(qū)d的壓力分布和氣浮力分別為

根據(jù)式（8）可獲得第n等份氣膜氣浮力Fn，并最終可根據(jù)式（2）獲得氣膜氣浮力F0。氣膜氣浮力F0減去探靴另一側(cè)面所受大氣壓力F1之后才是與外力相平衡的探靴所受氣體作用力F，大氣壓力F1為

探靴所用氣體作用力

最終，探靴在氣體作用力F和外力Fw的共同作用下保持平衡，并實(shí)現(xiàn)對鋼管的跟蹤。

3 探靴設(shè)計(jì)

針對直徑為130mm的鋼管，設(shè)計(jì)相應(yīng)的氣浮探靴，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。圖2中，l＝L/4＝25.5125mm，R0＝R＝ 65mm，θ0＝ π/2，α0＝π/4，d＝1mm，d1＝5mm，b＝L1/4＝51mm。氣浮探靴軸向均勻布置共8個(gè)節(jié)流孔，對稱分布在探靴軸向中心線兩側(cè)。氣源壓力p0＝0.4MPa，為使探靴近可能貼近鋼管，氣膜目標(biāo)厚度h0＝0.1mm，此時(shí)得出探靴所受氣體作用力F＝260N，因此外界氣缸提供的恒定外力Fw＝260N。

根據(jù)氣浮探靴結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣體作用力的關(guān)系繪制出F－h(huán)曲線，如圖6所示。由圖6可得探靴所受氣體作用力與氣膜厚度兩者間的作用規(guī)律：當(dāng)鋼管軸線發(fā)生偏移如鋼管遠(yuǎn)離探靴時(shí)，氣膜厚度h變大，氣浮力減小，探靴在恒定外力和氣浮力的作用下向鋼管移動，反之則與鋼管分離。最終，氣浮探靴在氣浮力和外力的共同作用下實(shí)現(xiàn)對鋼管的同軸跟蹤。

圖6 氣體作用力與氣膜厚度關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語

本文提出并分析了一種新型鋼管高速漏磁探傷靜壓氣浮探靴，其原理是，氣浮探靴與鋼管表面由具有一定壓力的氣體充滿，從而到達(dá)分離探靴與鋼管的目的，消除了傳統(tǒng)探靴與鋼管之間的直接摩擦，解決了傳統(tǒng)接觸式探靴存在磨損和發(fā)熱的問題，實(shí)現(xiàn)了對鋼管的非接觸式跟蹤，尤其適應(yīng)鋼管高速漏磁探傷。

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