由于制造工具缺陷、溫度控制不均和原料屬性差異等因素的影響，造成鋼管在穿孔、頂管和張減等成形工藝中產生壁厚不均，如圖4-33a所示。另外，不銹鋼管在使用過程中，由于受到腐蝕介質和交變應力作用，同樣會形成如圖4-33b所示的腐蝕、偏磨等局部壁厚變化。壁厚不均對不銹鋼管性能的影響與缺陷有所不同，壁厚不均一般為大面積材料的緩慢損失或增加，一定范圍內的壁厚變化對不銹鋼管力學特性和使用性能的影響較小；缺陷為突變的局部材料損失，容易產生應力集中，并會往深度方向加速擴展，進而造成鋼管使用性能失效。根據美國石油協會API標準要求，鋼管壁厚偏差允許范圍為≤±12.5％，缺陷深度要求范圍為≤5％。

  根據磁力線傳遞機制，壁厚不均會形成擾動背景磁場，疊加于原缺陷漏磁場上會改變漏磁場特征；另一方面，壁厚不均會改變磁化場磁通路徑，引起不銹鋼(gang)管磁化狀態發生變化，進一步影響缺陷漏磁場強度。從而，相同尺寸的缺陷在壁厚減薄和增大處會產生不同于壁厚均勻處的漏磁場。

一、壁厚不(bu)均的磁場分布

  不銹鋼管壁厚不均主要包括橫向壁厚不均和縱向壁厚不均，如圖4-34所示。橫向壁厚不均主要指鋼管橫截面上形成的局部壁厚增大和減薄，如青線；縱向壁厚不均是指鋼管在長度方向上形成的局部壁厚增大和減薄，如腐蝕坑。不銹鋼管漏磁檢測一般采用復合磁化方法對缺陷進行全面檢測，即軸向磁化檢測橫向缺陷和周向磁化檢測縱向缺陷。

 不銹鋼管漏磁檢測的本質為磁場、空氣介質與鋼介質之間的電磁耦合作用，主要體現為磁力線在空氣介質、磁介質及其分界面上的傳遞過程。不銹鋼管壁厚減薄和增大時，在磁介質與空氣介質之間會形成具有一定角度的作用界面。壁厚減薄磁力線傳遞過程為：①. 磁力線在鋼／空氣分界面處發生折射；②. 磁力線在空氣／鋼分界面處發生折射。壁厚增大磁力線傳遞過程為：①. 磁力線在空氣／鋼分界面處發生折射；②. 磁力線在鋼／空氣分界面處發生折射，如圖4-35所示。

  對(dui)分(fen)界(jie)(jie)面(mian)(mian)上磁(ci)(ci)力線(xian)作(zuo)(zuo)用過(guo)程(cheng)進行梳(shu)理，主(zhu)要(yao)歸(gui)納為(wei)磁(ci)(ci)力線(xian)在鋼／空氣(qi)(qi)、空氣(qi)(qi)／鋼界(jie)(jie)面(mian)(mian)上的(de)折射作(zuo)(zuo)用。由麥克斯(si)韋方(fang)(fang)程(cheng)組和電磁(ci)(ci)場邊值條件可獲得(de)磁(ci)(ci)力線(xian)在兩介質分(fen)界(jie)(jie)面(mian)(mian)上的(de)磁(ci)(ci)折射作(zuo)(zuo)用方(fang)(fang)程(cheng)：

  式中為垂直于分(fen)界面的(de)單位矢量；B1(H1)和(he)B2(H2)分(fen)別為介質(zhi)1和(he)介質(zhi)2內(nei)的(de)磁感應強度（磁場(chang)強度）；為分(fen)界面上的(de)電流線密度。

  設鋼介質磁導率為μ1，空氣介質磁導率為H2，由于不銹鋼管表面不存在電流分布，因而，從而可獲得鋼介質內、外磁場的關系：（切向分量），（法向分量）。圖4-36a所示為在鋼介質與空氣介質分界面處的磁力線折射作用原理圖，磁力線與分界面法向形成入射角01，經分界面折射入空氣中，并與分界面法向形成折射角02o根據式（4-11），并結合磁感應強度和磁場強度關系，可獲得磁力線在分界面上走向與介質磁導率的關系，即

  根(gen)(gen)據式(shi)（4-12），由(you)于(yu)鋼(gang)(gang)介(jie)質磁(ci)(ci)(ci)導率遠遠大(da)于(yu)空(kong)氣(qi)介(jie)質磁(ci)(ci)(ci)導率，即，因此(ci)磁(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)與分界(jie)面法(fa)向在(zai)(zai)磁(ci)(ci)(ci)介(jie)質中(zhong)(zhong)的夾角大(da)于(yu)在(zai)(zai)空(kong)氣(qi)介(jie)質中(zhong)(zhong)的夾角，即由(you)于(yu)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)場(chang)方(fang)向平行(xing)于(yu)鋼(gang)(gang)管表面，因此(ci)，在(zai)(zai)鋼(gang)(gang)／空(kong)氣(qi)分界(jie)面附近，磁(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)在(zai)(zai)鋼(gang)(gang)介(jie)質中(zhong)(zhong)幾乎平行(xing)于(yu)分界(jie)面，而在(zai)(zai)空(kong)氣(qi)介(jie)質中(zhong)(zhong)磁(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)幾乎與分界(jie)面垂直，如圖4-36a所(suo)示。同樣，根(gen)(gen)據式(shi)（4-12）可獲得磁(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)在(zai)(zai)空(kong)氣(qi)／鋼(gang)(gang)分界(jie)面上的傳遞路徑，如圖4-36b所(suo)示。

  根據圖4-36所示的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折射原理，并結合圖4-35所示的(de)(de)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)作用(yong)過程(cheng)①和(he)②，以及壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增大(da)磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)作用(yong)過程(cheng)①和(he)②，可(ke)(ke)分別獲得壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)與壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增大(da)產生(sheng)的(de)(de)擾動背景磁(ci)(ci)(ci)場B1和(he)B2的(de)(de)分布特性，如(ru)圖4-37所示。從圖中可(ke)(ke)以看出，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)與壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增大(da)形成了方向(xiang)相反的(de)(de)擾動背景磁(ci)(ci)(ci)場：在(zai)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)處(chu)，部(bu)分磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)泄漏出鋼(gang)管(guan)(guan)表面；而在(zai)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增大(da)處(chu)的(de)(de)外部(bu)磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)被(bei)吸(xi)收入(ru)鋼(gang)管(guan)(guan)內部(bu)。

  磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)特性通(tong)(tong)過磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)表征：①. 磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)形成(cheng)閉合路(lu)徑(jing)；②. 磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)具有(you)彈性且不交叉；③. 磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)存在相互擠壓(ya)(ya)作(zuo)用(yong)；④. 磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)總是走磁(ci)(ci)(ci)(ci)阻最小(xiao)(xiao)的(de)路(lu)徑(jing)。當鋼管(guan)壁厚均勻(yun)時(shi)，磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)均勻(yun)通(tong)(tong)過管(guan)壁截面，磁(ci)(ci)(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度為；如(ru)圖(tu)4-37所示(shi)，當鋼管(guan)壁厚減薄時(shi)，磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)場(chang)磁(ci)(ci)(ci)(ci)通(tong)(tong)路(lu)徑(jing)由(you)Z。減小(xiao)(xiao)到，磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)之(zhi)間的(de)相互擠壓(ya)(ya)作(zuo)用(yong)使得小(xiao)(xiao)部分(fen)磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)折射入空氣中(zhong)，而絕大(da)(da)部分(fen)磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)通(tong)(tong)過磁(ci)(ci)(ci)(ci)阻更(geng)小(xiao)(xiao)的(de)鋼介(jie)質，造成(cheng)磁(ci)(ci)(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度由(you)Bo增加(jia)到近(jin)似BoZo/(Zo-Zdec)；同(tong)樣，當壁厚增大(da)(da)、磁(ci)(ci)(ci)(ci)通(tong)(tong)路(lu)徑(jing)由(you)Z。增加(jia)到Zo+Zinc時(shi)，磁(ci)(ci)(ci)(ci)力(li)線(xian)(xian)(xian)會基本均勻(yun)分(fen)布于整個壁厚截面，造成(cheng)磁(ci)(ci)(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度由(you)Bo減小(xiao)(xiao)到近(jin)似

  建(jian)立如(ru)(ru)圖4-38所(suo)示的仿(fang)真模型，不銹鋼管外(wai)徑(jing)為(wei)(wei)(wei)250mm，壁厚(hou)為(wei)(wei)(wei)20mm，長度(du)(du)為(wei)(wei)(wei)1200mm，材質為(wei)(wei)(wei)25鋼。磁(ci)化線圈(quan)內徑(jing)為(wei)(wei)(wei)290mm，外(wai)徑(jing)為(wei)(wei)(wei)590mm，厚(hou)度(du)(du)為(wei)(wei)(wei)300mm，磁(ci)化電流密度(du)(du)i＝。仿(fang)真中(zhong)分(fen)別用減(jian)薄、均(jun)勻和增大三種壁厚(hou)特性進行對(dui)比，其中(zhong)壁厚(hou)減(jian)薄和增大程(cheng)度(du)(du)均(jun)為(wei)(wei)(wei)12.5％，獲得不同壁厚(hou)特性形成的背景磁(ci)場和磁(ci)感(gan)應強度(du)(du)分(fen)布，如(ru)(ru)圖4-39和圖4-40所(suo)示。

  圖(tu)4-39所(suo)示的(de)(de)鋼管(guan)壁(bi)(bi)厚(hou)變(bian)(bian)化(hua)(hua)產生的(de)(de)背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)仿真(zhen)結(jie)果(guo)與圖(tu)4-37所(suo)示的(de)(de)理論分析結(jie)論吻合：壁(bi)(bi)厚(hou)減(jian)薄形(xing)(xing)成(cheng)鋼／空(kong)(kong)氣(qi)和(he)空(kong)(kong)氣(qi)／鋼分界(jie)面，進而產生從鋼管(guan)管(guan)壁(bi)(bi)向空(kong)(kong)氣(qi)中泄漏磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)的(de)(de)背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)；壁(bi)(bi)厚(hou)均(jun)勻(yun)形(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)與鋼管(guan)表面近似平行；壁(bi)(bi)厚(hou)增大(da)形(xing)(xing)成(cheng)空(kong)(kong)氣(qi)／鋼和(he)鋼／空(kong)(kong)氣(qi)分界(jie)面，進而形(xing)(xing)成(cheng)從外部空(kong)(kong)氣(qi)中吸引(yin)磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)進入鋼管(guan)內部的(de)(de)背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)。另(ling)外，壁(bi)(bi)厚(hou)變(bian)(bian)化(hua)(hua)使磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)場(chang)磁(ci)(ci)(ci)通(tong)路徑發生改變(bian)(bian)，鋼管(guan)壁(bi)(bi)厚(hou)減(jian)薄、均(jun)勻(yun)和(he)增大(da)部位(wei)形(xing)(xing)成(cheng)不同(tong)(tong)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應強度，分別為(wei)2.2844T、2.1474T和(he)1.9473T，如圖(tu)4-40所(suo)示。由此可見，與鋼管(guan)壁(bi)(bi)厚(hou)均(jun)勻(yun)相比，壁(bi)(bi)厚(hou)減(jian)薄與增大(da)會形(xing)(xing)成(cheng)不同(tong)(tong)的(de)(de)擾動背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)和(he)磁(ci)(ci)(ci)感應強度。

二、壁厚不均對缺陷漏磁場(chang)的影響(xiang)

  不銹鋼管漏磁檢測利用磁敏感元件測量鋼管表面的磁場分布，并將磁場量依次轉換為模擬信號和數字信號進入計算機進行數字化處理，圖4-41所示為不(bu)銹鋼管缺陷漏磁場測量原理。

  從本質上講(jiang)，磁(ci)(ci)敏(min)傳感器(qi)所(suo)測量的(de)(de)缺陷(xian)總(zong)漏(lou)磁(ci)(ci)場由三(san)部分磁(ci)(ci)場疊加而(er)成，包括磁(ci)(ci)化線圈(quan)在鋼(gang)管表面處形(xing)成的(de)(de)初始背景磁(ci)(ci)場，鋼(gang)管壁厚變化產生的(de)(de)擾動背景磁(ci)(ci)場以及(ji)缺陷(xian)產生的(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場，即(ji)

  式(shi)中，為傳(chuan)感器測量(liang)的總漏磁場；Bo(r,z)為磁化線(xian)圈產生的初始背景磁場；Bwallz)為壁厚變(bian)化形成的擾(rao)動背景磁場；為缺陷漏磁場。進一(yi)步將(jiang)式(shi)（4-13）按(an)徑向(xiang)和軸向(xiang)進行矢量(liang)分(fen)解，即

  磁(ci)(ci)化線(xian)圈在(zai)測(ce)點(dian)處形(xing)成的(de)初始背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)在(zai)檢測(ce)過(guo)程中基本不發生變(bian)化。然(ran)而不同(tong)壁厚特性會(hui)產生不同(tong)的(de)擾動背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)，其疊加于(yu)缺陷漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)之后(hou)會(hui)影響測(ce)點(dian)處總磁(ci)(ci)場(chang)的(de)分布。結合(he)圖(tu)4-41所示(shi)的(de)鋼管缺陷漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)測(ce)量原(yuan)理(li)，對(dui)測(ce)點(dian)處各磁(ci)(ci)場(chang)進行矢量分解，如圖(tu)4-42所示(shi)。

  圖4-42a所示為壁(bi)厚減(jian)(jian)薄(bo)不銹鋼管(guan)表(biao)(biao)面(mian)(mian)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)矢(shi)量(liang)(liang)分解圖，從圖中可以看(kan)出(chu)，缺(que)陷(xian)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)分量(liang)(liang)Brmnl與壁(bi)厚減(jian)(jian)薄(bo)擾動(dong)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)分量(liang)(liang)Brvall方向(xiang)相同，而(er)與磁(ci)(ci)(ci)(ci)化線圈初(chu)始(shi)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)分量(liang)(liang)B,01方向(xiang)相反(fan)；缺(que)陷(xian)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)、壁(bi)厚減(jian)(jian)薄(bo)擾動(dong)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)和磁(ci)(ci)(ci)(ci)化線圈初(chu)始(shi)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)三者的(de)(de)軸(zhou)向(xiang)分量(liang)(liang)方向(xiang)相同，從而(er)可獲得壁(bi)厚減(jian)(jian)薄(bo)鋼管(guan)表(biao)(biao)面(mian)(mian)缺(que)陷(xian)總漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)分量(liang)(liang)Brmsl和軸(zhou)向(xiang)分量(liang)(liang)Bzmsl如式(shi)（4-）和式(shi)（4-17）所示。可以看(kan)出(chu)，磁(ci)(ci)(ci)(ci)化線圈初(chu)始(shi)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)削(xue)弱(ruo)了缺(que)陷(xian)總漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)分量(liang)(liang)強(qiang)度(du)，并增強(qiang)了缺(que)陷(xian)總漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)軸(zhou)向(xiang)分量(liang)(liang)強(qiang)度(du)；壁(bi)厚減(jian)(jian)薄(bo)形成的(de)(de)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)對缺(que)陷(xian)總漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)和軸(zhou)向(xiang)分量(liang)(liang)均具有增強(qiang)作(zuo)用。

  圖4-42b所示(shi)為壁厚(hou)均勻(yun)不(bu)銹(xiu)鋼管表(biao)面磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)矢(shi)量分(fen)(fen)(fen)解圖，由(you)于不(bu)存在壁厚(hou)變化形成的(de)擾動背景(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)，缺陷總(zong)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)由(you)磁(ci)(ci)(ci)化線圈(quan)產生的(de)背景(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)和缺陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)矢(shi)量合成。其中，缺陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)與(yu)初(chu)始背景(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量方向(xiang)相反，軸(zhou)(zhou)向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量方向(xiang)相同(tong)，從而(er)(er)可獲得壁厚(hou)均勻(yun)時缺陷總(zong)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)和軸(zhou)(zhou)向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量Brmw2和Bzms2，如式（）和式（419）所示(shi)。同(tong)樣，磁(ci)(ci)(ci)化線圈(quan)初(chu)始背景(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)削弱了缺陷總(zong)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量強度，而(er)(er)對(dui)其軸(zhou)(zhou)向(xiang)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)分(fen)(fen)(fen)量具有增強作用。

  圖(tu)4-42c所(suo)示(shi)為壁厚增(zeng)大(da)不銹鋼管表面磁場(chang)(chang)矢量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)解圖(tu)，缺(que)陷(xian)(xian)漏磁場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)Bmm壁厚增(zeng)大(da)擾動(dong)背(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)BrwlB和(he)磁化(hua)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)初始背(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)B,m西者(zhe)方向(xiang)(xiang)均相l"^u反；缺(que)陷(xian)(xian)漏磁場(chang)(chang)、壁厚增(zeng)大(da)擾動(dong)背(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)和(he)磁化(hua)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)初始背(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)三(san)者(zhe)的軸(zhou)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)方向(xiang)(xiang)相同(tong)，從而可(ke)獲得(de)壁厚增(zeng)大(da)時(shi)缺(que)陷(xian)(xian)總漏磁場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)B,ma3和(he)軸(zhou)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)B4m3如式（4）和(he)式（4-21）所(suo)示(shi)。可(ke)以(yi)看出，磁化(hua)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)初始背(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)與壁厚增(zeng)大(da)擾動(dong)背(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)對缺(que)陷(xian)(xian)總漏磁場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)同(tong)時(shi)具有(you)削弱作用，而對其軸(zhou)向(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)(fen)量(liang)同(tong)時(shi)具有(you)增(zeng)強作用。

  進一步，采圖(tu)4-38所(suo)示模型仿(fang)真研究壁厚(hou)(hou)變化(hua)形(xing)成(cheng)的(de)背景磁場(chang)分布特性。磁場(chang)提取(qu)路徑(jing)(jing)ム、2和(he)的(de)提離值(zhi)均(jun)為2mm，如圖(tu)4-43所(suo)示。通過數值(zhi)有限元仿(fang)真計算壁厚(hou)(hou)減薄、壁厚(hou)(hou)均(jun)勻和(he)壁厚(hou)(hou)增大時鋼管表面(mian)磁場(chang)的(de)徑(jing)(jing)向和(he)軸向分量，如圖(tu)4-44所(suo)示。

  由(you)于不存在缺陷漏磁(ci)場(chang)，此時(shi)不銹鋼管表面形(xing)成(cheng)由(you)磁(ci)化線(xian)圈初始背(bei)(bei)(bei)(bei)景磁(ci)場(chang)和(he)壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)變化擾動背(bei)(bei)(bei)(bei)景磁(ci)場(chang)疊加而成(cheng)的(de)背(bei)(bei)(bei)(bei)景磁(ci)場(chang)，即中可以看出，壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)減(jian)(jian)薄、壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)均(jun)勻和(he)壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)增(zeng)(zeng)(zeng)大形(xing)成(cheng)的(de)背(bei)(bei)(bei)(bei)景磁(ci)場(chang)軸向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)的(de)方(fang)向(xiang)(xiang)相同，但強(qiang)度(du)(du)存在差異：壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)減(jian)(jian)薄B強(qiang)度(du)(du)最(zui)大，壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)均(jun)勻Brm2強(qiang)度(du)(du)次之(zhi)，壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)增(zeng)(zeng)(zeng)大Brma3強(qiang)度(du)(du)最(zui)弱。壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)減(jian)(jian)薄徑向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)與壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)均(jun)勻Bma2以及壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)增(zeng)(zeng)(zeng)大Bm3方(fang)向(xiang)(xiang)相反，其中壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)均(jun)勻徑向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)強(qiang)度(du)(du)微弱。究其原因，與壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)均(jun)勻相比，壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)減(jian)(jian)薄形(xing)成(cheng)由(you)鋼管內部向(xiang)(xiang)空（中泄漏磁(ci)力線(xian)的(de)背(bei)(bei)(bei)(bei)景磁(ci)場(chang)，而壁(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)增(zeng)(zeng)(zeng)大則(ze)產生從外部空中吸引磁(ci)力線(xian)進人鋼管中的(de)背(bei)(bei)(bei)(bei)景磁(ci)場(chang)，從而使得鋼管表面的(de)總背(bei)(bei)(bei)(bei)景磁(ci)場(chang)軸向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)強(qiang)度(du)(du)滿足關系：并(bing)且徑向(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)Brmsl與Brmm3方(fang)向(xiang)(xiang)相反。

  下面以缺(que)(que)陷漏(lou)磁場軸(zhou)向分(fen)量(liang)為(wei)討論對(dui)象，研究相(xiang)同尺寸缺(que)(que)陷在不同壁厚(hou)下產生的總漏(lou)磁場差異(yi)。仿真(zhen)模型如圖(tu)4-45所示，其中缺(que)(que)陷寬度和深度分(fen)別(bie)為(wei)4mm和6mm，建立提離(li)值均(jun)為(wei)2mm的磁場拾取路徑(jing)l4、ls和l6，并通過(guo)仿真(zhen)計算(suan)獲得(de)相(xiang)應的軸(zhou)向分(fen)量(liang)Bzms4、Bzms5和Bzms6，如圖(tu)4-46所示。

  從(cong)仿真結(jie)果可以看出，相同(tong)(tong)尺寸缺陷在不同(tong)(tong)壁厚(hou)(hou)特性處(chu)產生的(de)(de)總漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)強度差異較大(da)：壁厚(hou)(hou)減薄處(chu)的(de)(de)缺陷總漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)軸(zhou)向分量Bzms4最大(da)，壁厚(hou)(hou)均(jun)勻B2ms5次之，壁厚(hou)(hou)增大(da)Bzms6信號最弱。究(jiu)其原(yuan)因包括：①. 不同(tong)(tong)壁厚(hou)(hou)變(bian)化(hua)會在鋼管(guan)表面(mian)產生不同(tong)(tong)的(de)(de)擾動背景磁(ci)(ci)場(chang)，疊(die)加于缺陷漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)之后會造(zao)成不同(tong)(tong)程度的(de)(de)基(ji)線漂移，如圖(tu)4-46所示，壁厚(hou)(hou)減薄、壁厚(hou)(hou)均(jun)勻和壁厚(hou)(hou)增大(da)處(chu)產生的(de)(de)缺陷漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)軸(zhou)向分量處(chu)于不同(tong)(tong)的(de)(de)基(ji)線上(shang)；②. 壁厚(hou)(hou)變(bian)化(hua)使(shi)磁(ci)(ci)化(hua)場(chang)磁(ci)(ci)通路徑(jing)發生改(gai)變(bian)，壁厚(hou)(hou)減薄、壁厚(hou)(hou)均(jun)勻與壁厚(hou)(hou)增大(da)處(chu)形成依次減弱的(de)(de)磁(ci)(ci)感應(ying)強度，進而(er)產生不同(tong)(tong)強度的(de)(de)缺陷漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)。

三、消除壁厚不均影響(xiang)的(de)方法

  為實(shi)現在不(bu)同壁厚特性處(chu)的相同尺寸缺陷的一致性評價，一方面需要消(xiao)除壁厚變化產生的背景磁場(chang)，另一方面需要消(xiao)除由于壁厚變化引起的磁感應強度(du)差(cha)異(yi)。為此，提出(chu)基于陣列(lie)式差(cha)動傳感布(bu)置和深度(du)飽和磁化方法(fa)，用于消(xiao)除壁厚不(bu)均引起的漏(lou)磁場(chang)差(cha)異(yi)。

1. 背景磁(ci)場(chang)消除方(fang)法

  不銹鋼管自動化漏磁檢測通過軸向和周向復合磁化技術實現，如圖4-47所示。軸向磁化技術用于檢測橫向缺陷，磁場傳感器陣列S；沿鋼管周向布置，從而縱向壁厚變化會引起橫向缺陷的漏磁場差異；與此對應，周向磁化技術用于檢測縱向缺陷，磁場傳感器陣列S，沿鋼管軸向布置，因此橫向壁厚變化主要引起縱向缺陷漏磁場差異。

  由(you)于壁厚變(bian)化(hua)主要(yao)為緩慢(man)變(bian)化(hua)的(de)大面積鋼(gang)(gang)管損失或增加(jia)，從而傳感器(qi)單元(yuan)S；和(he)Si-1所處空間位置的(de)鋼(gang)(gang)管壁厚特性(xing)基本相同，進一步傳感器(qi)單元(yuan)S；和(he)S;-1拾取的(de)背景磁(ci)場Bzwall也基本相同。設傳感器(qi)S；和(he)拾取的(de)磁(ci)場軸向(xiang)(xiang)分(fen)量分(fen)別為B2i和(he)，并(bing)且局部橫向(xiang)(xiang)缺陷(xian)經(jing)過傳感器(qi)Si，根據式（4-15），Bi和(he)可表(biao)示為

  式中(zhong)，Bswall為(wei)(wei)壁厚變化(hua)產(chan)生的擾動(dong)背景磁場(chang)軸向分(fen)(fen)量(liang)；Bzmn為(wei)(wei)缺陷漏(lou)磁場(chang)軸向分(fen)(fen)量(liang)；Bo為(wei)(wei)磁化(hua)線圈形成的初始(shi)背景磁場(chang)軸向分(fen)(fen)量(liang)。將傳感器S；和-測量(liang)的磁場(chang)軸向分(fen)(fen)量(liang)進(jin)行差分(fen)(fen)處(chu)理(li)，即

  通(tong)過式（4-24）可知，經過差分(fen)處理(li)(li)之后的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)場檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)等于缺陷(xian)(xian)漏(lou)磁(ci)場軸(zhou)向(xiang)分(fen)量Bzcko將圖(tu)4-46和(he)圖(tu)4-44所(suo)示(shi)的(de)(de)(de)缺陷(xian)(xian)總漏(lou)磁(ci)場軸(zhou)向(xiang)分(fen)量和(he)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場軸(zhou)向(xiang)分(fen)量進行差分(fen)處理(li)(li)，即：Bzms2和(he)可獲(huo)得如圖(tu)4-48所(suo)示(shi)的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)場檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)。從圖(tu)中可以看出(chu)，經過差分(fen)處理(li)(li)之后，相同尺寸(cun)缺陷(xian)(xian)在壁厚減薄、壁厚均勻和(he)壁厚增大處產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)場檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)Bzck4、Bzcks和(he)Bzck6處于同一基線上，從而有(you)效(xiao)消除(chu)了(le)壁厚變化(hua)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場。同樣(yang)，將傳感器(qi)S，和(he)Sj-1拾取的(de)(de)(de)磁(ci)場軸(zhou)向(xiang)分(fen)量進行差分(fen)處理(li)(li)可有(you)效(xiao)消除(chu)橫(heng)向(xiang)壁厚變化(hua)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場，即

2. 磁感應強度差異消除方法

  從圖(tu)4-48中可以看出，在消(xiao)除背(bei)景磁(ci)場后，處(chu)于不(bu)同壁(bi)厚特性處(chu)的(de)(de)相(xiang)同尺寸缺陷產生的(de)(de)漏磁(ci)場檢測信(xin)號仍存在較大(da)差異。為此(ci)，提出一種(zhong)深度飽和磁(ci)化(hua)方法，用于消(xiao)除壁(bi)厚變化(hua)引起的(de)(de)磁(ci)感應強度差異。根據線磁(ci)偶(ou)極子(zi)模型，建立矩形缺陷漏磁(ci)場Bmn的(de)(de)表達式(shi)為

   Bmn=2/·f(b,d) (4-26)  式中，f(b,d，d）為缺陷的寬度(du)與深度(du)參數方程；M為磁(ci)化強度(du)矢(shi)量。

   由(you)式（4-26）可知，當尺寸大小(xiao)確定時，缺陷產生的漏磁場強度主要由(you)不銹鋼管磁化強度決定。

  在(zai)外加磁化場(chang)強(qiang)(qiang)度(du)(du)逐步增大(da)的(de)過程中，不(bu)銹(xiu)鋼管內部(bu)(bu)依次(ci)將發生磁疇壁(bi)移(yi)動和磁矩轉動，磁化強(qiang)(qiang)度(du)(du)M從零逐漸(jian)增大(da)，當所有磁疇的(de)磁矩都轉到與外場(chang)方向相(xiang)(xiang)同(tong)時(shi)，磁化強(qiang)(qiang)度(du)(du)M達到最(zui)大(da)值。因此(ci)，如(ru)果(guo)使(shi)得(de)檢測(ce)區(qu)域內鋼管磁化強(qiang)(qiang)度(du)(du)處于最(zui)大(da)值，則可(ke)使(shi)相(xiang)(xiang)同(tong)尺寸缺(que)陷(xian)產生相(xiang)(xiang)同(tong)強(qiang)(qiang)度(du)(du)的(de)漏磁場(chang)。采用(yong)圖(tu)(tu)(tu)4-45所示(shi)的(de)模型仿真(zhen)計算不(bu)同(tong)壁(bi)厚特性部(bu)(bu)位磁化強(qiang)(qiang)度(du)(du)與勵磁電流(liu)密(mi)度(du)(du)的(de)關系曲線，如(ru)圖(tu)(tu)(tu)4-49所示(shi)。從圖(tu)(tu)(tu)中可(ke)以看出，在(zai)勵磁電流(liu)密(mi)度(du)(du)較弱時(shi)，不(bu)同(tong)壁(bi)厚特性部(bu)(bu)位磁化強(qiang)(qiang)度(du)(du)差異較大(da)，其(qi)中壁(bi)厚減薄(bo)磁化強(qiang)度(du)(du)M21最大，壁厚均勻(yun)M2次之(zhi)，壁厚增(zeng)大M3最小。隨著勵磁電流密(mi)度(du)(du)的進一(yi)步(bu)增(zeng)強(qiang)，磁化強(qiang)度(du)(du)差異逐漸減(jian)小，并最終到達(da)相同(tong)的幅值而保持(chi)不變。

  進(jin)一(yi)步(bu)比較位于(yu)不(bu)(bu)同壁厚(hou)(hou)(hou)特(te)性(xing)處(chu)(chu)的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)場(chang)軸向分量(liang)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號幅值與(yu)勵(li)磁(ci)電流密度的(de)(de)(de)關系(xi)曲線，如圖(tu)4-50所示。其中，B24、B25和(he)B6分別為壁厚(hou)(hou)(hou)減薄、壁厚(hou)(hou)(hou)均勻(yun)和(he)壁厚(hou)(hou)(hou)增大處(chu)(chu)鋼管(guan)表面的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)總磁(ci)場(chang)軸向分量(liang)，其包含(han)了(le)磁(ci)化(hua)線圈(quan)產生的(de)(de)(de)初始背景磁(ci)場(chang)、壁厚(hou)(hou)(hou)變化(hua)形成的(de)(de)(de)擾動背景磁(ci)場(chang)以(yi)及(ji)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)場(chang)。進(jin)一(yi)步(bu)通過差(cha)分處(chu)(chu)理消除背景磁(ci)場(chang)，從而獲得(de)位于(yu)不(bu)(bu)同壁厚(hou)(hou)(hou)特(te)性(xing)處(chu)(chu)的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號B＇4、B's和(he)B'6。從圖(tu)4-50中可(ke)以(yi)看出，在漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)方法(fa)常用的(de)(de)(de)近飽和(he)磁(ci)化(hua)區，不(bu)(bu)銹鋼管(guan)壁厚(hou)(hou)(hou)不(bu)(bu)均引起較大的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號差(cha)異(yi)；但在深度飽和(he)磁(ci)化(hua)區，相(xiang)(xiang)同尺寸缺(que)陷(xian)(xian)(xian)可(ke)獲得(de)相(xiang)(xiang)同的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號，從而可(ke)實現(xian)處(chu)(chu)于(yu)不(bu)(bu)同壁厚(hou)(hou)(hou)特(te)性(xing)處(chu)(chu)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)同尺寸缺(que)陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)性(xing)檢(jian)測(ce)與(yu)評價。

  進一步討論(lun)不(bu)銹鋼管壁(bi)(bi)厚(hou)變化(hua)對缺陷漏磁場的(de)影響，對內外加厚(hou)鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿(gan)孔(kong)缺陷進行漏磁檢測試驗。內外加厚(hou)鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿(gan)幾何結構尺寸如圖4-51所示(shi)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿(gan)桿(gan)體、過(guo)渡(du)區和加厚(hou)區的(de)壁(bi)(bi)厚(hou)不(bu)同。在鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿(gan)不(bu)同壁(bi)(bi)厚(hou)部位處刻制尺寸相同的(de)不(bu)通(tong)孔(kong)，直徑和深度(du)分別為1.6mm和3.0mm。鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿(gan)漏磁檢測試驗平臺如圖4-52所示(shi)，其由穿過(guo)式磁化(hua)線圈、勵磁電源、傳感器、鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿(gan)、支撐輪、采集(ji)卡(ka)和帶有數據分析軟(ruan)件(jian)的(de)計算(suan)機組成。

  檢(jian)測(ce)過程中，保持磁(ci)(ci)(ci)場(chang)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器與鉆(zhan)桿(gan)表面提離值恒(heng)定為0.5mm，并使鉆(zhan)桿(gan)以(yi)0.5m／s勻速沿(yan)軸向移動。如圖4-53所(suo)示，傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器拾取(qu)路徑(jing)(jing)分(fen)兩種(zhong)：路徑(jing)(jing)①所(suo)拾取(qu)的(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)為無(wu)缺(que)陷背景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，主要為壁厚變化和(he)(he)磁(ci)(ci)(ci)化線圈(quan)產生的(de)背景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)；路徑(jing)(jing)②測(ce)量的(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)包(bao)含背景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)以(yi)及缺(que)陷漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)。試驗中，沿(yan)路徑(jing)(jing)①和(he)(he)②往復掃查過渡區并獲得相應的(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)軸向分(fen)量檢(jian)測(ce)信號(hao)，如圖4-54和(he)(he)圖4-55所(suo)示。從圖中可以(yi)看出，過渡區壁厚變化形(xing)成了(le)較大幅值的(de)背景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)信號(hao)。當傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器掃查過渡區缺(que)陷時，缺(que)陷漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)信號(hao)疊加于背景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)信號(hao)之上，形(xing)成基線偏移。

  為消除(chu)鉆(zhan)桿過渡區壁厚(hou)變化引(yin)起(qi)的背景(jing)磁(ci)(ci)場，采(cai)用(yong)(yong)差(cha)分(fen)式傳(chuan)(chuan)感(gan)檢測方式對缺(que)陷(xian)(xian)進行(xing)掃查，即將路徑①和路徑②處的兩個傳(chuan)(chuan)感(gan)器檢測信號進行(xing)差(cha)分(fen)輸出，獲得如圖(tu)4-56所示差(cha)分(fen)式缺(que)陷(xian)(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)信號。從圖(tu)中可(ke)以(yi)看出，采(cai)用(yong)(yong)差(cha)分(fen)式傳(chuan)(chuan)感(gan)器布置(zhi)方法可(ke)基本消除(chu)基線漂移，從而(er)消除(chu)了由背景(jing)磁(ci)(ci)場引(yin)起(qi)的缺(que)陷(xian)(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)場差(cha)異。

  進一(yi)(yi)步(bu)采(cai)用差分(fen)式(shi)傳(chuan)感(gan)(gan)布置法對不通(tong)孔H1、H2和(he)H3進行檢測。在常規的(de)(de)磁(ci)化(hua)條件下，由于磁(ci)化(hua)場磁(ci)通(tong)路徑不同，鉆桿桿體、過渡區(qu)和(he)加厚區(qu)會形成不同的(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)應強度，進一(yi)(yi)步(bu)使得(de)不同位置不通(tong)孔產(chan)生不同的(de)(de)漏(lou)磁(ci)場強度。為驗(yan)證(zheng)深度飽和(he)磁(ci)化(hua)法的(de)(de)有效性，采(cai)用差分(fen)式(shi)傳(chuan)感(gan)(gan)布置法，試驗(yan)獲(huo)得(de)不通(tong)孔H1、H2和(he)H3產(chan)生的(de)(de)漏(lou)磁(ci)場軸向分(fen)量信(xin)號幅值B21B22和(he)B3與磁(ci)化(hua)電流的(de)(de)關系曲線，如圖4-57所示。

  從(cong)圖4-57中可以看出，當(dang)磁(ci)(ci)化電流較小(xiao)(xiao)時(shi)，桿(gan)體(ti)處不(bu)(bu)通(tong)孔(kong)(kong)H3漏(lou)磁(ci)(ci)信號(hao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)最(zui)大(da)，過渡區(qu)不(bu)(bu)通(tong)孔(kong)(kong)H2信號(hao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)次(ci)之，加(jia)厚區(qu)不(bu)(bu)通(tong)孔(kong)(kong)H1信號(hao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)最(zui)小(xiao)(xiao)；隨(sui)著磁(ci)(ci)化電流的(de)不(bu)(bu)斷增(zeng)大(da)，三處不(bu)(bu)通(tong)孔(kong)(kong)漏(lou)磁(ci)(ci)信號(hao)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)不(bu)(bu)斷增(zeng)加(jia)且差異逐漸(jian)減(jian)小(xiao)(xiao)；當(dang)磁(ci)(ci)化電流增(zeng)加(jia)到45A之后，三處不(bu)(bu)通(tong)孔(kong)(kong)漏(lou)磁(ci)(ci)檢測信號(hao)基本相等并保(bao)持不(bu)(bu)變。在對鉆桿(gan)進行深(shen)度(du)(du)(du)(du)飽和磁(ci)(ci)化后，由(you)于缺(que)陷(xian)(xian)處所有磁(ci)(ci)疇的(de)磁(ci)(ci)矩都(dou)翻轉到與(yu)外(wai)磁(ci)(ci)化場(chang)相同(tong)的(de)方向(xiang)上，磁(ci)(ci)化強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)達到最(zui)大(da)值，此時(shi)缺(que)陷(xian)(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)只與(yu)缺(que)陷(xian)(xian)尺(chi)寸有關，從(cong)而可消除由(you)于磁(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)不(bu)(bu)同(tong)引起的(de)缺(que)陷(xian)(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)差異。