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(chǎn)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(zhì)和交變應(yīng)力作用，同樣會(huì)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(nèi)的壁厚變化對不銹鋼管力學(xué)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(chǎn)生應(yīng)力集中，并會(huì)往深度方向加速擴(kuò)展，進(jìn)而造成鋼管使用性能失效。根據(jù)美國石油協(xié)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)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(jù)磁力線傳遞機(jī)制，壁厚不均會(huì)形成擾動(dòng)背景磁場，疊加于原缺陷漏磁場上會(huì)改變漏磁場特征；另一方面，壁厚不均會(huì)改變磁化場磁通路徑，引起不銹鋼管磁化狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)一步影響缺陷漏磁場強(qiáng)度。從而，相同尺寸的缺陷在壁厚減薄和增大處會(huì)產(chǎn)生不同于壁厚均勻處的漏磁場。
一、壁厚不均的磁場分布
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(fù)合磁化方法對缺陷進(jìn)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(zhì)為磁場、空氣介質(zhì)與鋼介質(zhì)之間的電磁耦合作用，主要體現(xiàn)為磁力線在空氣介質(zhì)、磁介質(zhì)及其分界面上的傳遞過程。不銹鋼管壁厚減薄和增大時(shí)，在磁介質(zhì)與空氣介質(zhì)之間會(huì)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(fā)生折射；②. 磁力線在空氣／鋼分界面處發(fā)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(fā)生折射；②. 磁力線在鋼／空氣分界面處發(fā)生折射，如圖4-35所示。
對分界面上磁力線作用過程進(jìn)行梳理，主要?dú)w納為磁力線在鋼／空氣、空氣／鋼界面上的折射作用。由麥克斯韋方程組和電磁場邊值條件可獲得磁力線在兩介質(zhì)分界面上的磁折射作用方程：
式中為垂直于分界面的單位矢量；B1(H1)和B2(H2)分別為介質(zhì)1和介質(zhì)2內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁場強(qiáng)度）；為分界面上的電流線密度。
設(shè)鋼介質(zhì)磁導(dǎo)率為μ1，空氣介質(zhì)磁導(dǎo)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(zhì)內(nèi)、外磁場的關(guān)系：（切向分量），（法向分量）。圖4-36a所示為在鋼介質(zhì)與空氣介質(zhì)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(jīng)分界面折射入空氣中，并與分界面法向形成折射角02o根據(jù)式（4-11），并結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度關(guān)系，可獲得磁力線在分界面上走向與介質(zhì)磁導(dǎo)率的關(guān)系，即
根據(jù)式（4-12），由于鋼介質(zhì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣介質(zhì)磁導(dǎo)率，即，因此磁力線與分界面法向在磁介質(zhì)中的夾角大于在空氣介質(zhì)中的夾角，即由于磁化場方向平行于鋼管表面，因此，在鋼／空氣分界面附近，磁力線在鋼介質(zhì)中幾乎平行于分界面，而在空氣介質(zhì)中磁力線幾乎與分界面垂直，如圖4-36a所示。同樣，根據(jù)式（4-12）可獲得磁力線在空氣／鋼分界面上的傳遞路徑，如圖4-36b所示。
根據(jù)圖4-36所示的磁折射原理，并結(jié)合圖4-35所示的壁厚減薄磁力線作用過程①和②，以及壁厚增大磁力線作用過程①和②，可分別獲得壁厚減薄與壁厚增大產(chǎn)生的擾動(dòng)背景磁場B1和B2的分布特性，如圖4-37所示。從圖中可以看出，壁厚減薄與壁厚增大形成了方向相反的擾動(dòng)背景磁場：在壁厚減薄處，部分磁力線泄漏出鋼管表面；而在壁厚增大處的外部磁力線被吸收入鋼管內(nèi)部。
磁場特性通過磁力線表征：①. 磁力線形成閉合路徑；②. 磁力線具有彈性且不交叉；③. 磁力線存在相互擠壓作用；④. 磁力線總是走磁阻最小的路徑。當(dāng)鋼管壁厚均勻時(shí)，磁力線均勻通過管壁截面，磁感應(yīng)強(qiáng)度為；如圖4-37所示，當(dāng)鋼管壁厚減薄時(shí)，磁化場磁通路徑由Z。減小到，磁力線之間的相互擠壓作用使得小部分磁力線折射入空氣中，而絕大部分磁力線通過磁阻更小的鋼介質(zhì)，造成磁感應(yīng)強(qiáng)度由Bo增加到近似BoZo/(Zo-Zdec)；同樣，當(dāng)壁厚增大、磁通路徑由Z。增加到Zo+Zinc時(shí)，磁力線會(huì)基本均勻分布于整個(gè)壁厚截面，造成磁感應(yīng)強(qiáng)度由Bo減小到近似
建立如圖4-38所示的仿真模型，不銹鋼管外徑為250mm，壁厚為20mm，長度為1200mm，材質(zhì)為25鋼。磁化線圈內(nèi)徑為290mm，外徑為590mm，厚度為300mm，磁化電流密度i＝。仿真中分別用減薄、均勻和增大三種壁厚特性進(jìn)行對比，其中壁厚減薄和增大程度均為12.5％，獲得不同壁厚特性形成的背景磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖4-39和圖4-40所示。
圖4-39所示的鋼管壁厚變化產(chǎn)生的背景磁場仿真結(jié)果與圖4-37所示的理論分析結(jié)論吻合：壁厚減薄形成鋼／空氣和空氣／鋼分界面，進(jìn)而產(chǎn)生從鋼管管壁向空氣中泄漏磁力線的背景磁場；壁厚均勻形成的背景磁場與鋼管表面近似平行；壁厚增大形成空氣／鋼和鋼／空氣分界面，進(jìn)而形成從外部空氣中吸引磁力線進(jìn)入鋼管內(nèi)部的背景磁場。另外，壁厚變化使磁化場磁通路徑發(fā)生改變，鋼管壁厚減薄、均勻和增大部位形成不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，分別為2.2844T、2.1474T和1.9473T，如圖4-40所示。由此可見，與鋼管壁厚均勻相比，壁厚減薄與增大會(huì)形成不同的擾動(dòng)背景磁場和磁感應(yīng)強(qiáng)度。
二、壁厚不均對缺陷漏磁場的影響
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(zhuǎn)換為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理，圖4-41所示為不銹鋼管缺陷漏磁場測量原理。
從本質(zhì)上講，磁敏傳感器所測量的缺陷總漏磁場由三部分磁場疊加而成，包括磁化線圈在鋼管表面處形成的初始背景磁場，鋼管壁厚變化產(chǎn)生的擾動(dòng)背景磁場以及缺陷產(chǎn)生的漏磁場，即
式中，為傳感器測量的總漏磁場；Bo(r,z)為磁化線圈產(chǎn)生的初始背景磁場；Bwallz)為壁厚變化形成的擾動(dòng)背景磁場；為缺陷漏磁場。進(jìn)一步將式（4-13）按徑向和軸向進(jìn)行矢量分解，即
磁化線圈在測點(diǎn)處形成的初始背景磁場在檢測過程中基本不發(fā)生變化。然而不同壁厚特性會(huì)產(chǎn)生不同的擾動(dòng)背景磁場，其疊加于缺陷漏磁場之后會(huì)影響測點(diǎn)處總磁場的分布。結(jié)合圖4-41所示的鋼管缺陷漏磁場測量原理，對測點(diǎn)處各磁場進(jìn)行矢量分解，如圖4-42所示。
圖4-42a所示為壁厚減薄不銹鋼管表面磁場矢量分解圖，從圖中可以看出，缺陷漏磁場徑向分量Brmnl與壁厚減薄擾動(dòng)背景磁場徑向分量Brvall方向相同，而與磁化線圈初始背景磁場徑向分量B,01方向相反；缺陷漏磁場、壁厚減薄擾動(dòng)背景磁場和磁化線圈初始背景磁場三者的軸向分量方向相同，從而可獲得壁厚減薄鋼管表面缺陷總漏磁場徑向分量Brmsl和軸向分量Bzmsl如式（4-）和式（4-17）所示?？梢钥闯?，磁化線圈初始背景磁場削弱了缺陷總漏磁場徑向分量強(qiáng)度，并增強(qiáng)了缺陷總漏磁場軸向分量強(qiáng)度；壁厚減薄形成的背景磁場對缺陷總漏磁場徑向和軸向分量均具有增強(qiáng)作用。
圖4-42b所示為壁厚均勻不銹鋼管表面磁場矢量分解圖，由于不存在壁厚變化形成的擾動(dòng)背景磁場，缺陷總漏磁場由磁化線圈產(chǎn)生的背景磁場和缺陷漏磁場矢量合成。其中，缺陷漏磁場與初始背景磁場徑向分量方向相反，軸向分量方向相同，從而可獲得壁厚均勻時(shí)缺陷總漏磁場徑向和軸向分量Brmw2和Bzms2，如式（）和式（419）所示。同樣，磁化線圈初始背景磁場削弱了缺陷總漏磁場徑向分量強(qiáng)度，而對其軸向漏磁場分量具有增強(qiáng)作用。
圖4-42c所示為壁厚增大不銹鋼管表面磁場矢量分解圖，缺陷漏磁場徑向分量Bmm壁厚增大擾動(dòng)背景磁場徑向分量BrwlB和磁化線圈初始背景磁場徑向分量B,m西者方向均相l(xiāng)"^u反；缺陷漏磁場、壁厚增大擾動(dòng)背景磁場和磁化線圈初始背景磁場三者的軸向分量方向相同，從而可獲得壁厚增大時(shí)缺陷總漏磁場徑向分量B,ma3和軸向分量B4m3如式（4）和式（4-21）所示?？梢钥闯觯呕€圈初始背景磁場與壁厚增大擾動(dòng)背景磁場對缺陷總漏磁場徑向分量同時(shí)具有削弱作用，而對其軸向分量同時(shí)具有增強(qiáng)作用。
進(jìn)一步，采圖4-38所示模型仿真研究壁厚變化形成的背景磁場分布特性。磁場提取路徑ム、2和的提離值均為2mm，如圖4-43所示。通過數(shù)值有限元仿真計(jì)算壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大時(shí)鋼管表面磁場的徑向和軸向分量，如圖4-44所示。
由于不存在缺陷漏磁場，此時(shí)不銹鋼管表面形成由磁化線圈初始背景磁場和壁厚變化擾動(dòng)背景磁場疊加而成的背景磁場，即中可以看出，壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大形成的背景磁場軸向分量的方向相同，但強(qiáng)度存在差異：壁厚減薄B強(qiáng)度最大，壁厚均勻Brm2強(qiáng)度次之，壁厚增大Brma3強(qiáng)度最弱。壁厚減薄徑向分量與壁厚均勻Bma2以及壁厚增大Bm3方向相反，其中壁厚均勻徑向分量強(qiáng)度微弱。究其原因，與壁厚均勻相比，壁厚減薄形成由鋼管內(nèi)部向空（中泄漏磁力線的背景磁場，而壁厚增大則產(chǎn)生從外部空中吸引磁力線進(jìn)人鋼管中的背景磁場，從而使得鋼管表面的總背景磁場軸向分量強(qiáng)度滿足關(guān)系：并且徑向分量Brmsl與Brmm3方向相反。
下面以缺陷漏磁場軸向分量為討論對象，研究相同尺寸缺陷在不同壁厚下產(chǎn)生的總漏磁場差異。仿真模型如圖4-45所示，其中缺陷寬度和深度分別為4mm和6mm，建立提離值均為2mm的磁場拾取路徑l4、ls和l6，并通過仿真計(jì)算獲得相應(yīng)的軸向分量Bzms4、Bzms5和Bzms6，如圖4-46所示。
從仿真結(jié)果可以看出，相同尺寸缺陷在不同壁厚特性處產(chǎn)生的總漏磁場強(qiáng)度差異較大：壁厚減薄處的缺陷總漏磁場軸向分量Bzms4最大，壁厚均勻B2ms5次之，壁厚增大Bzms6信號(hào)最弱。究其原因包括：①. 不同壁厚變化會(huì)在鋼管表面產(chǎn)生不同的擾動(dòng)背景磁場，疊加于缺陷漏磁場之后會(huì)造成不同程度的基線漂移，如圖4-46所示，壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大處產(chǎn)生的缺陷漏磁場軸向分量處于不同的基線上；②. 壁厚變化使磁化場磁通路徑發(fā)生改變，壁厚減薄、壁厚均勻與壁厚增大處形成依次減弱的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生不同強(qiáng)度的缺陷漏磁場。
三、消除壁厚不均影響的方法
為實(shí)現(xiàn)在不同壁厚特性處的相同尺寸缺陷的一致性評價(jià)，一方面需要消除壁厚變化產(chǎn)生的背景磁場，另一方面需要消除由于壁厚變化引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度差異。為此，提出基于陣列式差動(dòng)傳感布置和深度飽和磁化方法，用于消除壁厚不均引起的漏磁場差異。
1. 背景磁場消除方法
不銹鋼管自動(dòng)化漏磁檢測通過軸向和周向復(fù)合磁化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖4-47所示。軸向磁化技術(shù)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(huì)引起橫向缺陷的漏磁場差異；與此對應(yīng)，周向磁化技術(shù)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。
由于壁厚變化主要為緩慢變化的大面積鋼管損失或增加，從而傳感器單元S；和Si-1所處空間位置的鋼管壁厚特性基本相同，進(jìn)一步傳感器單元S；和S;-1拾取的背景磁場Bzwall也基本相同。設(shè)傳感器S；和拾取的磁場軸向分量分別為B2i和，并且局部橫向缺陷經(jīng)過傳感器Si，根據(jù)式（4-15），Bi和可表示為
式中，Bswall為壁厚變化產(chǎn)生的擾動(dòng)背景磁場軸向分量；Bzmn為缺陷漏磁場軸向分量；Bo為磁化線圈形成的初始背景磁場軸向分量。將傳感器S；和-測量的磁場軸向分量進(jìn)行差分處理，即
通過式（4-24）可知，經(jīng)過差分處理之后的漏磁場檢測信號(hào)等于缺陷漏磁場軸向分量Bzcko將圖4-46和圖4-44所示的缺陷總漏磁場軸向分量和背景磁場軸向分量進(jìn)行差分處理，即：Bzms2和可獲得如圖4-48所示的漏磁場檢測信號(hào)。從圖中可以看出，經(jīng)過差分處理之后，相同尺寸缺陷在壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大處產(chǎn)生的漏磁場檢測信號(hào)Bzck4、Bzcks和Bzck6處于同一基線上，從而有效消除了壁厚變化產(chǎn)生的背景磁場。同樣，將傳感器S，和Sj-1拾取的磁場軸向分量進(jìn)行差分處理可有效消除橫向壁厚變化產(chǎn)生的背景磁場，即
2. 磁感應(yīng)強(qiáng)度差異消除方法
從圖4-48中可以看出，在消除背景磁場后，處于不同壁厚特性處的相同尺寸缺陷產(chǎn)生的漏磁場檢測信號(hào)仍存在較大差異。為此，提出一種深度飽和磁化方法，用于消除壁厚變化引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度差異。根據(jù)線磁偶極子模型，建立矩形缺陷漏磁場Bmn的表達(dá)式為
Bmn=2/·f(b,d) (4-26) 式中，f(b,d，d）為缺陷的寬度與深度參數(shù)方程；M為磁化強(qiáng)度矢量。
由式（4-26）可知，當(dāng)尺寸大小確定時(shí)，缺陷產(chǎn)生的漏磁場強(qiáng)度主要由不銹鋼管磁化強(qiáng)度決定。
在外加磁化場強(qiáng)度逐步增大的過程中，不銹鋼管內(nèi)部依次將發(fā)生磁疇壁移動(dòng)和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，磁化強(qiáng)度M從零逐漸增大，當(dāng)所有磁疇的磁矩都轉(zhuǎn)到與外場方向相同時(shí)，磁化強(qiáng)度M達(dá)到最大值。因此，如果使得檢測區(qū)域內(nèi)鋼管磁化強(qiáng)度處于最大值，則可使相同尺寸缺陷產(chǎn)生相同強(qiáng)度的漏磁場。采用圖4-45所示的模型仿真計(jì)算不同壁厚特性部位磁化強(qiáng)度與勵(lì)磁電流密度的關(guān)系曲線，如圖4-49所示。從圖中可以看出，在勵(lì)磁電流密度較弱時(shí)，不同壁厚特性部位磁化強(qiáng)度差異較大，其中壁厚減薄磁化強(qiáng)度M21最大，壁厚均勻M2次之，壁厚增大M3最小。隨著勵(lì)磁電流密度的進(jìn)一步增強(qiáng)，磁化強(qiáng)度差異逐漸減小，并最終到達(dá)相同的幅值而保持不變。
進(jìn)一步比較位于不同壁厚特性處的缺陷漏磁場軸向分量檢測信號(hào)幅值與勵(lì)磁電流密度的關(guān)系曲線，如圖4-50所示。其中，B24、B25和B6分別為壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大處鋼管表面的缺陷總磁場軸向分量，其包含了磁化線圈產(chǎn)生的初始背景磁場、壁厚變化形成的擾動(dòng)背景磁場以及缺陷漏磁場。進(jìn)一步通過差分處理消除背景磁場，從而獲得位于不同壁厚特性處的缺陷漏磁檢測信號(hào)B＇4、B's和B'6。從圖4-50中可以看出，在漏磁檢測方法常用的近飽和磁化區(qū)，不銹鋼管壁厚不均引起較大的缺陷漏磁檢測信號(hào)差異；但在深度飽和磁化區(qū)，相同尺寸缺陷可獲得相同的漏磁檢測信號(hào)，從而可實(shí)現(xiàn)處于不同壁厚特性處的相同尺寸缺陷的一致性檢測與評價(jià)。
進(jìn)一步討論不銹鋼管壁厚變化對缺陷漏磁場的影響，對內(nèi)外加厚鉆桿孔缺陷進(jìn)行漏磁檢測試驗(yàn)。內(nèi)外加厚鉆桿幾何結(jié)構(gòu)尺寸如圖4-51所示，鉆桿桿體、過渡區(qū)和加厚區(qū)的壁厚不同。在鉆桿不同壁厚部位處刻制尺寸相同的不通孔，直徑和深度分別為1.6mm和3.0mm。鉆桿漏磁檢測試驗(yàn)平臺(tái)如圖4-52所示，其由穿過式磁化線圈、勵(lì)磁電源、傳感器、鉆桿、支撐輪、采集卡和帶有數(shù)據(jù)分析軟件的計(jì)算機(jī)組成。
檢測過程中，保持磁場傳感器與鉆桿表面提離值恒定為0.5mm，并使鉆桿以0.5m／s勻速沿軸向移動(dòng)。如圖4-53所示，傳感器拾取路徑分兩種：路徑①所拾取的磁場為無缺陷背景磁場，主要為壁厚變化和磁化線圈產(chǎn)生的背景磁場；路徑②測量的磁場包含背景磁場以及缺陷漏磁場。試驗(yàn)中，沿路徑①和②往復(fù)掃查過渡區(qū)并獲得相應(yīng)的磁場軸向分量檢測信號(hào)，如圖4-54和圖4-55所示。從圖中可以看出，過渡區(qū)壁厚變化形成了較大幅值的背景磁場信號(hào)。當(dāng)傳感器掃查過渡區(qū)缺陷時(shí)，缺陷漏磁信號(hào)疊加于背景磁場信號(hào)之上，形成基線偏移。
為消除鉆桿過渡區(qū)壁厚變化引起的背景磁場，采用差分式傳感檢測方式對缺陷進(jìn)行掃查，即將路徑①和路徑②處的兩個(gè)傳感器檢測信號(hào)進(jìn)行差分輸出，獲得如圖4-56所示差分式缺陷漏磁信號(hào)。從圖中可以看出，采用差分式傳感器布置方法可基本消除基線漂移，從而消除了由背景磁場引起的缺陷漏磁場差異。
進(jìn)一步采用差分式傳感布置法對不通孔H1、H2和H3進(jìn)行檢測。在常規(guī)的磁化條件下，由于磁化場磁通路徑不同，鉆桿桿體、過渡區(qū)和加厚區(qū)會(huì)形成不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)一步使得不同位置不通孔產(chǎn)生不同的漏磁場強(qiáng)度。為驗(yàn)證深度飽和磁化法的有效性，采用差分式傳感布置法，試驗(yàn)獲得不通孔H1、H2和H3產(chǎn)生的漏磁場軸向分量信號(hào)幅值B21B22和B3與磁化電流的關(guān)系曲線，如圖4-57所示。
從圖4-57中可以看出，當(dāng)磁化電流較小時(shí)，桿體處不通孔H3漏磁信號(hào)強(qiáng)度最大，過渡區(qū)不通孔H2信號(hào)強(qiáng)度次之，加厚區(qū)不通孔H1信號(hào)強(qiáng)度最小；隨著磁化電流的不斷增大，三處不通孔漏磁信號(hào)強(qiáng)度不斷增加且差異逐漸減?。划?dāng)磁化電流增加到45A之后，三處不通孔漏磁檢測信號(hào)基本相等并保持不變。在對鉆桿進(jìn)行深度飽和磁化后，由于缺陷處所有磁疇的磁矩都翻轉(zhuǎn)到與外磁化場相同的方向上，磁化強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)缺陷漏磁場強(qiáng)度只與缺陷尺寸有關(guān)，從而可消除由于磁感應(yīng)強(qiáng)度不同引起的缺陷漏磁場差異。
