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、壁厚不均的磁場分(fen)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(bu)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。
對分界面上(shang)磁(ci)(ci)力(li)線(xian)作用(yong)過程(cheng)進行梳(shu)理，主要歸納為磁(ci)(ci)力(li)線(xian)在鋼／空氣、空氣／鋼界面上(shang)的(de)折(zhe)射作用(yong)。由麥克(ke)斯韋方程(cheng)組和電磁(ci)(ci)場邊值條(tiao)件可獲得(de)磁(ci)(ci)力(li)線(xian)在兩介質分界面上(shang)的(de)磁(ci)(ci)折(zhe)射作用(yong)方程(cheng)：
式中(zhong)為(wei)垂(chui)直于分(fen)界面的(de)單位矢量；B1(H1)和B2(H2)分(fen)別為(wei)介(jie)質1和介(jie)質2內的(de)磁感應強(qiang)度(du)（磁場強(qiang)度(du)）；為(wei)分(fen)界面上的(de)電流線密度(du)。
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
根據式(shi)（4-12），由于(yu)鋼(gang)介(jie)(jie)質磁(ci)導(dao)率遠遠大(da)于(yu)空氣(qi)介(jie)(jie)質磁(ci)導(dao)率，即，因此磁(ci)力線(xian)與(yu)(yu)分(fen)界(jie)(jie)面(mian)法(fa)向在磁(ci)介(jie)(jie)質中(zhong)(zhong)的(de)夾角大(da)于(yu)在空氣(qi)介(jie)(jie)質中(zhong)(zhong)的(de)夾角，即由于(yu)磁(ci)化場方向平行于(yu)鋼(gang)管(guan)表面(mian)，因此，在鋼(gang)／空氣(qi)分(fen)界(jie)(jie)面(mian)附近，磁(ci)力線(xian)在鋼(gang)介(jie)(jie)質中(zhong)(zhong)幾乎平行于(yu)分(fen)界(jie)(jie)面(mian)，而在空氣(qi)介(jie)(jie)質中(zhong)(zhong)磁(ci)力線(xian)幾乎與(yu)(yu)分(fen)界(jie)(jie)面(mian)垂直(zhi)，如(ru)(ru)圖4-36a所(suo)示。同樣，根據式(shi)（4-12）可(ke)獲得(de)磁(ci)力線(xian)在空氣(qi)／鋼(gang)分(fen)界(jie)(jie)面(mian)上的(de)傳遞(di)路徑，如(ru)(ru)圖4-36b所(suo)示。
根(gen)據(ju)圖4-36所(suo)示的(de)磁(ci)折射原理，并結合圖4-35所(suo)示的(de)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)減(jian)薄(bo)磁(ci)力(li)線(xian)(xian)作用過程(cheng)①和②，以及(ji)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)增大(da)磁(ci)力(li)線(xian)(xian)作用過程(cheng)①和②，可(ke)分(fen)別獲(huo)得壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)減(jian)薄(bo)與壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)增大(da)產生的(de)擾(rao)動背景磁(ci)場B1和B2的(de)分(fen)布特性，如圖4-37所(suo)示。從圖中可(ke)以看出，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)減(jian)薄(bo)與壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)增大(da)形(xing)成(cheng)了方向相反的(de)擾(rao)動背景磁(ci)場：在(zai)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)減(jian)薄(bo)處，部(bu)分(fen)磁(ci)力(li)線(xian)(xian)泄漏出鋼(gang)管表面；而(er)在(zai)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)增大(da)處的(de)外部(bu)磁(ci)力(li)線(xian)(xian)被吸收入(ru)鋼(gang)管內部(bu)。
磁(ci)(ci)場(chang)特性通(tong)(tong)過(guo)磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)表征：①. 磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)形(xing)成(cheng)閉合路(lu)(lu)徑(jing)；②. 磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)具有彈(dan)性且不交叉；③. 磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)存在(zai)相(xiang)互(hu)擠壓作(zuo)用(yong)；④. 磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)總(zong)是走磁(ci)(ci)阻最小(xiao)(xiao)(xiao)的路(lu)(lu)徑(jing)。當(dang)鋼管(guan)壁厚(hou)均勻(yun)時(shi)，磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)均勻(yun)通(tong)(tong)過(guo)管(guan)壁截(jie)面，磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強度(du)(du)為(wei)；如圖4-37所(suo)示(shi)，當(dang)鋼管(guan)壁厚(hou)減(jian)薄時(shi)，磁(ci)(ci)化場(chang)磁(ci)(ci)通(tong)(tong)路(lu)(lu)徑(jing)由Z。減(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)到，磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)之間的相(xiang)互(hu)擠壓作(zuo)用(yong)使(shi)得(de)小(xiao)(xiao)(xiao)部分(fen)(fen)磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)折射入(ru)空氣中，而絕大(da)部分(fen)(fen)磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)通(tong)(tong)過(guo)磁(ci)(ci)阻更小(xiao)(xiao)(xiao)的鋼介(jie)質，造(zao)成(cheng)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強度(du)(du)由Bo增(zeng)加到近似BoZo/(Zo-Zdec)；同樣，當(dang)壁厚(hou)增(zeng)大(da)、磁(ci)(ci)通(tong)(tong)路(lu)(lu)徑(jing)由Z。增(zeng)加到Zo+Zinc時(shi)，磁(ci)(ci)力(li)(li)(li)線(xian)(xian)會基本均勻(yun)分(fen)(fen)布于整個壁厚(hou)截(jie)面，造(zao)成(cheng)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強度(du)(du)由Bo減(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)到近似
建立如圖4-38所示的(de)仿(fang)(fang)真模型，不銹鋼管(guan)外(wai)徑為(wei)250mm，壁厚(hou)為(wei)20mm，長度為(wei)1200mm，材質為(wei)25鋼。磁(ci)化線圈內徑為(wei)290mm，外(wai)徑為(wei)590mm，厚(hou)度為(wei)300mm，磁(ci)化電流密(mi)度i＝。仿(fang)(fang)真中(zhong)(zhong)分(fen)別用減薄、均勻和(he)增(zeng)大三種(zhong)壁厚(hou)特性進(jin)行(xing)對(dui)比，其(qi)中(zhong)(zhong)壁厚(hou)減薄和(he)增(zeng)大程(cheng)度均為(wei)12.5％，獲得不同壁厚(hou)特性形成的(de)背景磁(ci)場和(he)磁(ci)感應(ying)強(qiang)度分(fen)布，如圖4-39和(he)圖4-40所示。
圖(tu)4-39所示(shi)的(de)(de)(de)鋼管壁厚(hou)變(bian)化(hua)(hua)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)背(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)仿真結果(guo)與圖(tu)4-37所示(shi)的(de)(de)(de)理論分析結論吻合：壁厚(hou)減薄形(xing)成(cheng)(cheng)鋼／空(kong)(kong)(kong)(kong)氣和空(kong)(kong)(kong)(kong)氣／鋼分界面，進而(er)產(chan)生(sheng)從(cong)鋼管管壁向空(kong)(kong)(kong)(kong)氣中(zhong)泄漏磁(ci)力線的(de)(de)(de)背(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)；壁厚(hou)均(jun)(jun)勻形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)背(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)與鋼管表面近(jin)似平行；壁厚(hou)增(zeng)大形(xing)成(cheng)(cheng)空(kong)(kong)(kong)(kong)氣／鋼和鋼／空(kong)(kong)(kong)(kong)氣分界面，進而(er)形(xing)成(cheng)(cheng)從(cong)外部(bu)空(kong)(kong)(kong)(kong)氣中(zhong)吸引磁(ci)力線進入鋼管內部(bu)的(de)(de)(de)背(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)。另外，壁厚(hou)變(bian)化(hua)(hua)使磁(ci)化(hua)(hua)場(chang)磁(ci)通路徑(jing)發生(sheng)改變(bian)，鋼管壁厚(hou)減薄、均(jun)(jun)勻和增(zeng)大部(bu)位(wei)形(xing)成(cheng)(cheng)不(bu)同的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度，分別為2.2844T、2.1474T和1.9473T，如圖(tu)4-40所示(shi)。由此可見，與鋼管壁厚(hou)均(jun)(jun)勻相比，壁厚(hou)減薄與增(zeng)大會形(xing)成(cheng)(cheng)不(bu)同的(de)(de)(de)擾動(dong)背(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)和磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度。
二、壁厚(hou)不均(jun)對缺陷漏磁場(chang)的(de)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所示為不銹鋼管缺陷漏磁場測量原理。
從本質上講，磁(ci)敏傳感器所測量的(de)(de)缺(que)陷總漏(lou)磁(ci)場(chang)(chang)由三(san)部(bu)分磁(ci)場(chang)(chang)疊(die)加(jia)而成，包括磁(ci)化線(xian)圈在(zai)鋼管表面(mian)處形成的(de)(de)初始(shi)背景(jing)磁(ci)場(chang)(chang)，鋼管壁厚變化產生的(de)(de)擾動(dong)背景(jing)磁(ci)場(chang)(chang)以(yi)及缺(que)陷產生的(de)(de)漏(lou)磁(ci)場(chang)(chang)，即
式(shi)中，為(wei)傳(chuan)感器(qi)測量(liang)的總(zong)漏(lou)(lou)磁場；Bo(r,z)為(wei)磁化線圈產(chan)生的初始背景(jing)磁場；Bwallz)為(wei)壁厚變化形成的擾動背景(jing)磁場；為(wei)缺(que)陷漏(lou)(lou)磁場。進一步(bu)將式(shi)（4-13）按徑向(xiang)和軸向(xiang)進行矢量(liang)分解(jie)，即
磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)線圈在(zai)測(ce)(ce)(ce)點(dian)(dian)處形(xing)成(cheng)的(de)初始背景磁(ci)(ci)(ci)(ci)場在(zai)檢測(ce)(ce)(ce)過程中基本(ben)不(bu)(bu)發生變化(hua)。然而不(bu)(bu)同壁厚特性會產生不(bu)(bu)同的(de)擾(rao)動背景磁(ci)(ci)(ci)(ci)場，其(qi)疊(die)加于(yu)缺陷漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場之后會影響測(ce)(ce)(ce)點(dian)(dian)處總磁(ci)(ci)(ci)(ci)場的(de)分布。結合圖(tu)4-41所示(shi)的(de)鋼管(guan)缺陷漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場測(ce)(ce)(ce)量原(yuan)理(li)，對(dui)測(ce)(ce)(ce)點(dian)(dian)處各磁(ci)(ci)(ci)(ci)場進行矢(shi)量分解(jie)，如圖(tu)4-42所示(shi)。
圖4-42a所示為壁厚減(jian)(jian)薄(bo)(bo)不銹鋼管表面磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)矢量(liang)(liang)(liang)分(fen)解圖，從(cong)圖中可(ke)以看出，缺(que)陷(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)Brmnl與壁厚減(jian)(jian)薄(bo)(bo)擾動(dong)背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)Brvall方向(xiang)相同，而(er)與磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)線圈(quan)初始(shi)(shi)背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)B,01方向(xiang)相反；缺(que)陷(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)、壁厚減(jian)(jian)薄(bo)(bo)擾動(dong)背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)和(he)(he)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)線圈(quan)初始(shi)(shi)背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)三者的軸向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)方向(xiang)相同，從(cong)而(er)可(ke)獲(huo)得壁厚減(jian)(jian)薄(bo)(bo)鋼管表面缺(que)陷(xian)總(zong)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)Brmsl和(he)(he)軸向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)Bzmsl如式（4-）和(he)(he)式（4-17）所示。可(ke)以看出，磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)線圈(quan)初始(shi)(shi)背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)削弱了缺(que)陷(xian)總(zong)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)強度(du)(du)，并(bing)增強了缺(que)陷(xian)總(zong)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)軸向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)強度(du)(du)；壁厚減(jian)(jian)薄(bo)(bo)形成(cheng)的背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)對(dui)缺(que)陷(xian)總(zong)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)徑向(xiang)和(he)(he)軸向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)(liang)均(jun)具有增強作(zuo)用(yong)。
圖4-42b所示為壁(bi)厚均勻不(bu)銹鋼管表面磁(ci)(ci)場(chang)(chang)矢(shi)(shi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)解圖，由于不(bu)存在壁(bi)厚變化(hua)(hua)形成的擾動背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)，缺(que)陷(xian)總漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)由磁(ci)(ci)化(hua)(hua)線(xian)圈產生的背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)和缺(que)陷(xian)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)矢(shi)(shi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)合成。其中，缺(que)陷(xian)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)與(yu)初(chu)始(shi)背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)方向(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)反，軸向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)方向(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)同，從(cong)而(er)可獲得壁(bi)厚均勻時缺(que)陷(xian)總漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)(xiang)(xiang)和軸向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)Brmw2和Bzms2，如式(shi)（）和式(shi)（419）所示。同樣，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)線(xian)圈初(chu)始(shi)背(bei)景(jing)(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)削(xue)弱(ruo)了缺(que)陷(xian)總漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)徑向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)強度，而(er)對其軸向(xiang)(xiang)(xiang)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)具有增強作用。
圖4-42c所示為壁(bi)厚增大(da)不銹鋼管表面磁(ci)(ci)場(chang)矢量(liang)(liang)分(fen)(fen)解圖，缺陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)徑(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)Bmm壁(bi)厚增大(da)擾動背景磁(ci)(ci)場(chang)徑(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)BrwlB和(he)(he)磁(ci)(ci)化(hua)線圈(quan)初始(shi)(shi)背景磁(ci)(ci)場(chang)徑(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)B,m西者(zhe)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)均(jun)相l"^u反；缺陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)、壁(bi)厚增大(da)擾動背景磁(ci)(ci)場(chang)和(he)(he)磁(ci)(ci)化(hua)線圈(quan)初始(shi)(shi)背景磁(ci)(ci)場(chang)三者(zhe)的軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)相同，從而(er)可獲得壁(bi)厚增大(da)時(shi)(shi)缺陷總漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)徑(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)B,ma3和(he)(he)軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)B4m3如式(shi)（4）和(he)(he)式(shi)（4-21）所示。可以看出(chu)，磁(ci)(ci)化(hua)線圈(quan)初始(shi)(shi)背景磁(ci)(ci)場(chang)與壁(bi)厚增大(da)擾動背景磁(ci)(ci)場(chang)對(dui)缺陷總漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)徑(jing)(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)同時(shi)(shi)具有(you)削弱作(zuo)用，而(er)對(dui)其軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)同時(shi)(shi)具有(you)增強作(zuo)用。
進一步(bu)，采(cai)圖(tu)(tu)4-38所(suo)(suo)示模型仿真研究壁(bi)厚變化形成(cheng)的(de)背景(jing)磁場(chang)分布特性(xing)。磁場(chang)提取路徑ム、2和的(de)提離值(zhi)均為(wei)2mm，如圖(tu)(tu)4-43所(suo)(suo)示。通過數值(zhi)有限(xian)元仿真計算壁(bi)厚減薄、壁(bi)厚均勻和壁(bi)厚增大時(shi)鋼管表面磁場(chang)的(de)徑向(xiang)和軸向(xiang)分量，如圖(tu)(tu)4-44所(suo)(suo)示。
由(you)于不(bu)存在缺陷漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，此(ci)時不(bu)銹鋼(gang)管表面形成(cheng)由(you)磁(ci)(ci)(ci)化線(xian)圈初始背(bei)(bei)(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)和(he)壁厚(hou)(hou)變化擾(rao)動背(bei)(bei)(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)疊加而成(cheng)的背(bei)(bei)(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，即中(zhong)可(ke)以看出，壁厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)、壁厚(hou)(hou)均(jun)勻(yun)和(he)壁厚(hou)(hou)增(zeng)(zeng)大(da)形成(cheng)的背(bei)(bei)(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)的方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)同(tong)，但強度(du)存在差異：壁厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)B強度(du)最大(da)，壁厚(hou)(hou)均(jun)勻(yun)Brm2強度(du)次之，壁厚(hou)(hou)增(zeng)(zeng)大(da)Brma3強度(du)最弱。壁厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)與(yu)壁厚(hou)(hou)均(jun)勻(yun)Bma2以及壁厚(hou)(hou)增(zeng)(zeng)大(da)Bm3方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)反，其中(zhong)壁厚(hou)(hou)均(jun)勻(yun)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)強度(du)微弱。究其原因，與(yu)壁厚(hou)(hou)均(jun)勻(yun)相(xiang)比，壁厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)形成(cheng)由(you)鋼(gang)管內部(bu)向(xiang)(xiang)(xiang)空（中(zhong)泄漏磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)的背(bei)(bei)(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，而壁厚(hou)(hou)增(zeng)(zeng)大(da)則(ze)產(chan)生(sheng)從外部(bu)空中(zhong)吸引磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)進(jin)人鋼(gang)管中(zhong)的背(bei)(bei)(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，從而使(shi)得鋼(gang)管表面的總背(bei)(bei)(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)強度(du)滿足(zu)關系(xi)：并且徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)Brmsl與(yu)Brmm3方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)反。
下面(mian)以缺(que)陷漏磁(ci)場軸向(xiang)分量為討論(lun)對象，研究相(xiang)同(tong)尺寸缺(que)陷在不同(tong)壁厚下產生的總漏磁(ci)場差異(yi)。仿(fang)真模型(xing)如圖(tu)4-45所示，其中缺(que)陷寬度(du)和(he)深度(du)分別為4mm和(he)6mm，建立提離值均為2mm的磁(ci)場拾取路徑l4、ls和(he)l6，并通過仿(fang)真計算獲得(de)相(xiang)應的軸向(xiang)分量Bzms4、Bzms5和(he)Bzms6，如圖(tu)4-46所示。
從仿真(zhen)結果可以看出，相(xiang)同(tong)尺寸缺(que)陷(xian)(xian)在不(bu)同(tong)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)特(te)性處(chu)產生的(de)總漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)強(qiang)度差異較大：壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)減薄(bo)處(chu)的(de)缺(que)陷(xian)(xian)總漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)軸向分量(liang)Bzms4最大，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)均勻(yun)B2ms5次之(zhi)，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)增大Bzms6信號最弱。究其原因包括：①. 不(bu)同(tong)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)變化(hua)會(hui)在鋼管表面產生不(bu)同(tong)的(de)擾(rao)動(dong)背景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，疊加于缺(que)陷(xian)(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)之(zhi)后會(hui)造成(cheng)不(bu)同(tong)程度的(de)基線(xian)(xian)漂移，如圖4-46所示(shi)，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)減薄(bo)、壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)均勻(yun)和壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)增大處(chu)產生的(de)缺(que)陷(xian)(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)軸向分量(liang)處(chu)于不(bu)同(tong)的(de)基線(xian)(xian)上；②. 壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)變化(hua)使磁(ci)(ci)(ci)化(hua)場(chang)磁(ci)(ci)(ci)通路徑發(fa)生改變，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)減薄(bo)、壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)均勻(yun)與壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)(hou)(hou)增大處(chu)形成(cheng)依次減弱的(de)磁(ci)(ci)(ci)感應強(qiang)度，進而產生不(bu)同(tong)強(qiang)度的(de)缺(que)陷(xian)(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)。
三、消除壁(bi)厚不均(jun)影響(xiang)的方(fang)法
為實現(xian)在不同(tong)壁(bi)(bi)厚(hou)特性處的(de)相(xiang)同(tong)尺寸缺陷的(de)一(yi)致性評價，一(yi)方(fang)面需(xu)要(yao)消除壁(bi)(bi)厚(hou)變化產生的(de)背景磁(ci)場，另一(yi)方(fang)面需(xu)要(yao)消除由于壁(bi)(bi)厚(hou)變化引起的(de)磁(ci)感應(ying)強度差異。為此，提出基于陣列(lie)式(shi)差動傳感布置和深度飽和磁(ci)化方(fang)法，用于消除壁(bi)(bi)厚(hou)不均引起的(de)漏磁(ci)場差異。
1. 背景磁場消除(chu)方法
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。
由于壁厚(hou)變化主要(yao)為緩慢變化的大面(mian)積鋼管損(sun)失(shi)或增加，從(cong)而傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)單元(yuan)S；和Si-1所處空(kong)間位(wei)置的鋼管壁厚(hou)特性基本(ben)相同，進一步傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)單元(yuan)S；和S;-1拾取的背(bei)景磁(ci)場Bzwall也基本(ben)相同。設(she)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)S；和拾取的磁(ci)場軸向(xiang)分量分別(bie)為B2i和，并且局部橫(heng)向(xiang)缺陷(xian)經過傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)Si，根據式(shi)（4-15），Bi和可表示(shi)為
式中，Bswall為壁厚變化產生的(de)(de)擾動背(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)軸向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量；Bzmn為缺陷漏磁(ci)場(chang)軸向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量；Bo為磁(ci)化線(xian)圈形(xing)成(cheng)的(de)(de)初始背(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)軸向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量。將傳感器S；和-測(ce)量的(de)(de)磁(ci)場(chang)軸向(xiang)分(fen)(fen)(fen)量進(jin)行差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理，即
通過式（4-24）可(ke)知，經(jing)(jing)過差(cha)(cha)分處(chu)(chu)理之后的(de)漏磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)檢(jian)(jian)測信(xin)號等(deng)于(yu)缺(que)(que)陷漏磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)軸(zhou)向(xiang)分量Bzcko將(jiang)圖(tu)(tu)4-46和圖(tu)(tu)4-44所示的(de)缺(que)(que)陷總漏磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)軸(zhou)向(xiang)分量和背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)軸(zhou)向(xiang)分量進行(xing)差(cha)(cha)分處(chu)(chu)理，即：Bzms2和可(ke)獲得(de)如圖(tu)(tu)4-48所示的(de)漏磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)檢(jian)(jian)測信(xin)號。從圖(tu)(tu)中可(ke)以看出(chu)，經(jing)(jing)過差(cha)(cha)分處(chu)(chu)理之后，相(xiang)同(tong)尺寸缺(que)(que)陷在壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)減薄、壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)均勻和壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)增大處(chu)(chu)產(chan)(chan)生的(de)漏磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)檢(jian)(jian)測信(xin)號Bzck4、Bzcks和Bzck6處(chu)(chu)于(yu)同(tong)一基(ji)線上，從而有(you)效(xiao)消除(chu)了壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)變(bian)化(hua)產(chan)(chan)生的(de)背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)。同(tong)樣，將(jiang)傳感(gan)器S，和Sj-1拾(shi)取的(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)軸(zhou)向(xiang)分量進行(xing)差(cha)(cha)分處(chu)(chu)理可(ke)有(you)效(xiao)消除(chu)橫向(xiang)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)變(bian)化(hua)產(chan)(chan)生的(de)背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)，即
2. 磁感應(ying)強度差異(yi)消除(chu)方法
從圖4-48中(zhong)可以看出，在(zai)消(xiao)除背景磁(ci)(ci)(ci)場后，處于(yu)不同壁(bi)厚特性(xing)處的相同尺寸缺(que)陷產(chan)生的漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場檢測信號仍存在(zai)較大(da)差異。為(wei)此(ci)，提出一(yi)種深度飽和磁(ci)(ci)(ci)化(hua)方法，用于(yu)消(xiao)除壁(bi)厚變(bian)化(hua)引起的磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強度差異。根據線(xian)磁(ci)(ci)(ci)偶(ou)極子模型，建(jian)立矩形(xing)缺(que)陷漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場Bmn的表達式(shi)為(wei)
Bmn=2/·f(b,d) (4-26) 式(shi)中，f(b,d，d）為(wei)缺陷的寬度(du)與(yu)深度(du)參數(shu)方程；M為(wei)磁化(hua)強度(du)矢(shi)量。
由式（4-26）可知，當(dang)尺寸大(da)小確定時(shi)，缺(que)陷產生的漏磁場強度主要由不(bu)銹鋼管磁化(hua)強度決定。
在(zai)外加(jia)磁(ci)化(hua)場(chang)強(qiang)(qiang)度(du)逐步(bu)增(zeng)大的(de)過程中(zhong)(zhong)，不(bu)銹鋼(gang)管(guan)(guan)內(nei)部依次將發生磁(ci)疇壁移動(dong)和磁(ci)矩轉(zhuan)動(dong)，磁(ci)化(hua)強(qiang)(qiang)度(du)M從零逐漸增(zeng)大，當所(suo)有磁(ci)疇的(de)磁(ci)矩都轉(zhuan)到與外場(chang)方向相同(tong)(tong)時，磁(ci)化(hua)強(qiang)(qiang)度(du)M達到最大值。因(yin)此(ci)，如(ru)(ru)果(guo)使得檢測(ce)區域內(nei)鋼(gang)管(guan)(guan)磁(ci)化(hua)強(qiang)(qiang)度(du)處于最大值，則可使相同(tong)(tong)尺寸缺陷產生相同(tong)(tong)強(qiang)(qiang)度(du)的(de)漏磁(ci)場(chang)。采用圖4-45所(suo)示的(de)模型仿真計(ji)算不(bu)同(tong)(tong)壁厚(hou)(hou)特性部位(wei)磁(ci)化(hua)強(qiang)(qiang)度(du)與勵(li)磁(ci)電流密度(du)的(de)關系曲(qu)線，如(ru)(ru)圖4-49所(suo)示。從圖中(zhong)(zhong)可以看出，在(zai)勵(li)磁(ci)電流密度(du)較弱時，不(bu)同(tong)(tong)壁厚(hou)(hou)特性部位(wei)磁(ci)化(hua)強(qiang)(qiang)度(du)差(cha)異較大，其中(zhong)(zhong)壁厚(hou)(hou)減薄磁化強(qiang)度M21最大，壁厚均(jun)勻M2次之(zhi)，壁厚增(zeng)大M3最小(xiao)。隨著勵磁電(dian)流密度的進一步增(zeng)強(qiang)，磁化強(qiang)度差異逐(zhu)漸減(jian)小(xiao)，并最終(zhong)到(dao)達(da)相同的幅值而保持(chi)不變。
進(jin)一步(bu)比較位于不同(tong)(tong)壁厚特性處的(de)(de)(de)缺陷(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)軸向分(fen)(fen)(fen)量檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信號幅值(zhi)與勵磁(ci)(ci)電流密度的(de)(de)(de)關系曲線，如圖4-50所示(shi)。其中，B24、B25和B6分(fen)(fen)(fen)別為(wei)壁厚減薄、壁厚均勻(yun)和壁厚增(zeng)大處鋼管(guan)(guan)表(biao)面的(de)(de)(de)缺陷(xian)總磁(ci)(ci)場(chang)(chang)軸向分(fen)(fen)(fen)量，其包(bao)含(han)了磁(ci)(ci)化(hua)線圈(quan)產生的(de)(de)(de)初始背景磁(ci)(ci)場(chang)(chang)、壁厚變化(hua)形成的(de)(de)(de)擾動背景磁(ci)(ci)場(chang)(chang)以及缺陷(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)。進(jin)一步(bu)通(tong)過(guo)差(cha)分(fen)(fen)(fen)處理消除背景磁(ci)(ci)場(chang)(chang)，從而獲(huo)得位于不同(tong)(tong)壁厚特性處的(de)(de)(de)缺陷(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信號B＇4、B's和B'6。從圖4-50中可(ke)以看出，在漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方(fang)法(fa)常用的(de)(de)(de)近飽和磁(ci)(ci)化(hua)區(qu)(qu)，不銹(xiu)鋼管(guan)(guan)壁厚不均引起較大的(de)(de)(de)缺陷(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信號差(cha)異；但在深度飽和磁(ci)(ci)化(hua)區(qu)(qu)，相(xiang)同(tong)(tong)尺寸缺陷(xian)可(ke)獲(huo)得相(xiang)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信號，從而可(ke)實現處于不同(tong)(tong)壁厚特性處的(de)(de)(de)相(xiang)同(tong)(tong)尺寸缺陷(xian)的(de)(de)(de)一致性檢(jian)測(ce)(ce)(ce)與評(ping)價(jia)。
進一步(bu)討論不(bu)銹鋼(gang)管壁厚(hou)變化(hua)對缺陷漏磁(ci)(ci)(ci)場的(de)影響，對內外加(jia)厚(hou)鉆桿(gan)孔缺陷進行漏磁(ci)(ci)(ci)檢測試(shi)(shi)驗。內外加(jia)厚(hou)鉆桿(gan)幾何(he)結構尺(chi)寸如圖4-51所示(shi)，鉆桿(gan)桿(gan)體、過(guo)渡(du)區(qu)和(he)加(jia)厚(hou)區(qu)的(de)壁厚(hou)不(bu)同(tong)。在(zai)鉆桿(gan)不(bu)同(tong)壁厚(hou)部(bu)位處刻制尺(chi)寸相同(tong)的(de)不(bu)通孔，直徑(jing)和(he)深度分別為(wei)1.6mm和(he)3.0mm。鉆桿(gan)漏磁(ci)(ci)(ci)檢測試(shi)(shi)驗平臺如圖4-52所示(shi)，其由穿(chuan)過(guo)式磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈、勵(li)磁(ci)(ci)(ci)電源、傳感器、鉆桿(gan)、支撐輪、采集卡和(he)帶(dai)有數據分析軟件的(de)計算機組成。
檢(jian)測過程(cheng)中，保持磁(ci)(ci)場(chang)(chang)傳感(gan)器(qi)與鉆(zhan)桿表面提離值(zhi)恒定為(wei)0.5mm，并使鉆(zhan)桿以(yi)0.5m／s勻速沿軸向(xiang)移動。如圖(tu)4-53所(suo)示(shi)，傳感(gan)器(qi)拾取路(lu)徑分兩種：路(lu)徑①所(suo)拾取的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)為(wei)無缺陷(xian)(xian)背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)，主要為(wei)壁(bi)厚(hou)變化(hua)和磁(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)產生的(de)(de)背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)；路(lu)徑②測量的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)包含背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)以(yi)及缺陷(xian)(xian)漏磁(ci)(ci)場(chang)(chang)。試驗(yan)中，沿路(lu)徑①和②往復掃(sao)查(cha)過渡區(qu)并獲得相(xiang)應的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)軸向(xiang)分量檢(jian)測信號，如圖(tu)4-54和圖(tu)4-55所(suo)示(shi)。從圖(tu)中可以(yi)看出，過渡區(qu)壁(bi)厚(hou)變化(hua)形成了較大幅值(zhi)的(de)(de)背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)信號。當傳感(gan)器(qi)掃(sao)查(cha)過渡區(qu)缺陷(xian)(xian)時，缺陷(xian)(xian)漏磁(ci)(ci)信號疊加于(yu)背景(jing)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)信號之上，形成基線(xian)偏移。
為(wei)消除鉆(zhan)桿過渡區壁厚變化引起(qi)的(de)背(bei)景磁(ci)(ci)場，采用差分式(shi)傳感檢測方式(shi)對缺陷(xian)進行掃查，即將路(lu)徑①和(he)路(lu)徑②處(chu)的(de)兩個傳感器檢測信(xin)(xin)號進行差分輸出，獲得如圖(tu)4-56所示差分式(shi)缺陷(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)信(xin)(xin)號。從(cong)圖(tu)中可以看出，采用差分式(shi)傳感器布置方法可基本消除基線漂移，從(cong)而消除了(le)由背(bei)景磁(ci)(ci)場引起(qi)的(de)缺陷(xian)漏(lou)磁(ci)(ci)場差異。
進一步采用(yong)差分式(shi)傳(chuan)感布置(zhi)法對(dui)不(bu)通(tong)(tong)孔(kong)H1、H2和H3進行檢測。在常(chang)規的磁(ci)化條(tiao)件下(xia)，由于磁(ci)化場磁(ci)通(tong)(tong)路徑不(bu)同，鉆桿桿體(ti)、過(guo)渡(du)區和加厚(hou)區會形成不(bu)同的磁(ci)感應強(qiang)度(du)，進一步使得(de)不(bu)同位置(zhi)不(bu)通(tong)(tong)孔(kong)產(chan)生不(bu)同的漏磁(ci)場強(qiang)度(du)。為驗(yan)證深度(du)飽和磁(ci)化法的有效(xiao)性(xing)，采用(yong)差分式(shi)傳(chuan)感布置(zhi)法，試驗(yan)獲得(de)不(bu)通(tong)(tong)孔(kong)H1、H2和H3產(chan)生的漏磁(ci)場軸向分量信號幅值B21B22和B3與(yu)磁(ci)化電流的關系曲線，如圖4-57所示。
從圖4-57中可(ke)以看出，當磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)電流較小(xiao)(xiao)時(shi)，桿體處(chu)不通(tong)孔(kong)H3漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)強度(du)(du)最(zui)大，過渡區不通(tong)孔(kong)H2信(xin)號(hao)強度(du)(du)次之(zhi)，加厚(hou)區不通(tong)孔(kong)H1信(xin)號(hao)強度(du)(du)最(zui)小(xiao)(xiao)；隨著(zhu)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)電流的不斷(duan)增大，三(san)處(chu)不通(tong)孔(kong)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)強度(du)(du)不斷(duan)增加且差異(yi)逐(zhu)漸減小(xiao)(xiao)；當磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)電流增加到45A之(zhi)后，三(san)處(chu)不通(tong)孔(kong)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測信(xin)號(hao)基本相等(deng)并保(bao)持不變(bian)。在對鉆(zhan)桿進行深(shen)度(du)(du)飽和磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)后，由于缺(que)陷處(chu)所有磁(ci)(ci)(ci)疇(chou)的磁(ci)(ci)(ci)矩都翻(fan)轉到與(yu)外磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)場(chang)相同(tong)的方(fang)向上，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)強度(du)(du)達到最(zui)大值，此時(shi)缺(que)陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)強度(du)(du)只與(yu)缺(que)陷尺寸(cun)有關，從而可(ke)消除由于磁(ci)(ci)(ci)感應強度(du)(du)不同(tong)引起的缺(que)陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)差異(yi)。
