由于制造工具缺陷、温度控制不均和原料属性差异等因素的影响，造成钢管在穿孔、顶管和张减等成形工艺中产生壁厚不均，如图4-33a所示。另外，不锈钢管在使用(yòng)过程中，由于受到腐蚀介质和交变应力作用(yòng)，同样会形成如图4-33b所示的腐蚀、偏磨等局部壁厚变化。壁厚不均对不锈钢管性能(néng)的影响与缺陷有(yǒu)所不同，壁厚不均一般為(wèi)大面积材料的缓慢损失或增加，一定范围内的壁厚变化对不锈钢管力學(xué)特性和使用(yòng)性能(néng)的影响较小(xiǎo)；缺陷為(wèi)突变的局部材料损失，容易产生应力集中，并会往深度方向加速扩展，进而造成钢管使用(yòng)性能(néng)失效。根据美國(guó)石油协会API标准要求，钢管壁厚偏差允许范围為(wèi)≤±12.5％，缺陷深度要求范围為(wèi)≤5％。
根据磁力線(xiàn)传递机制，壁厚不均会形成扰动背景磁场，叠加于原缺陷漏磁场上会改变漏磁场特征；另一方面，壁厚不均会改变磁化场磁通路径，引起不锈钢管磁化状态发生变化，进一步影响缺陷漏磁场强度。从而，相同尺寸的缺陷在壁厚减薄和增大处会产生不同于壁厚均匀处的漏磁场。
一、壁厚不均的磁场分(fēn)布
不锈钢管壁厚不均主要包括横向壁厚不均和纵向壁厚不均，如图4-34所示。横向壁厚不均主要指钢管横截面上形成的局部壁厚增大和减薄，如青線(xiàn)；纵向壁厚不均是指钢管在長(cháng)度方向上形成的局部壁厚增大和减薄，如腐蚀坑。不锈钢管漏磁检测一般采用(yòng)复合磁化方法对缺陷进行全面检测，即轴向磁化检测横向缺陷和周向磁化检测纵向缺陷。
不锈钢管漏磁检测的本质為(wèi)磁场、空气介质与钢介质之间的電(diàn)磁耦合作用(yòng)，主要體(tǐ)现為(wèi)磁力線(xiàn)在空气介质、磁介质及其分(fēn)界面上的传递过程。不锈钢管壁厚减薄和增大时，在磁介质与空气介质之间会形成具有(yǒu)一定角度的作用(yòng)界面。壁厚减薄磁力線(xiàn)传递过程為(wèi)：①. 磁力線(xiàn)在钢／空气分(fēn)界面处发生折射；②. 磁力線(xiàn)在空气／钢分(fēn)界面处发生折射。壁厚增大磁力線(xiàn)传递过程為(wèi)：①. 磁力線(xiàn)在空气／钢分(fēn)界面处发生折射；②. 磁力線(xiàn)在钢／空气分(fēn)界面处发生折射，如图4-35所示。
对分(fēn)界面上磁力線(xiàn)作用(yòng)过程进行梳理(lǐ)，主要归纳為(wèi)磁力線(xiàn)在钢／空气、空气／钢界面上的折射作用(yòng)。由麦克斯韦方程组和電(diàn)磁场边值条件可(kě)获得磁力線(xiàn)在两介质分(fēn)界面上的磁折射作用(yòng)方程：
式中為(wèi)垂直于分(fēn)界面的单位矢量；B1(H1)和B2(H2)分(fēn)别為(wèi)介质1和介质2内的磁感应强度（磁场强度）；為(wèi)分(fēn)界面上的電(diàn)流線(xiàn)密度。
设钢介质磁导率為(wèi)μ1，空气介质磁导率為(wèi)H2，由于不锈钢管表面不存在電(diàn)流分(fēn)布，因而，从而可(kě)获得钢介质内、外磁场的关系：（切向分(fēn)量），（法向分(fēn)量）。图4-36a所示為(wèi)在钢介质与空气介质分(fēn)界面处的磁力線(xiàn)折射作用(yòng)原理(lǐ)图，磁力線(xiàn)与分(fēn)界面法向形成入射角01，经分(fēn)界面折射入空气中，并与分(fēn)界面法向形成折射角02o根据式（4-11），并结合磁感应强度和磁场强度关系，可(kě)获得磁力線(xiàn)在分(fēn)界面上走向与介质磁导率的关系，即
根据式（4-12），由于钢介质磁导率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空气介质磁导率，即，因此磁力線(xiàn)与分(fēn)界面法向在磁介质中的夹角大于在空气介质中的夹角，即由于磁化场方向平行于钢管表面，因此，在钢／空气分(fēn)界面附近，磁力線(xiàn)在钢介质中几乎平行于分(fēn)界面，而在空气介质中磁力線(xiàn)几乎与分(fēn)界面垂直，如图4-36a所示。同样，根据式（4-12）可(kě)获得磁力線(xiàn)在空气／钢分(fēn)界面上的传递路径，如图4-36b所示。
根据图4-36所示的磁折射原理(lǐ)，并结合图4-35所示的壁厚减薄磁力線(xiàn)作用(yòng)过程①和②，以及壁厚增大磁力線(xiàn)作用(yòng)过程①和②，可(kě)分(fēn)别获得壁厚减薄与壁厚增大产生的扰动背景磁场B1和B2的分(fēn)布特性，如图4-37所示。从图中可(kě)以看出，壁厚减薄与壁厚增大形成了方向相反的扰动背景磁场：在壁厚减薄处，部分(fēn)磁力線(xiàn)泄漏出钢管表面；而在壁厚增大处的外部磁力線(xiàn)被吸收入钢管内部。
磁场特性通过磁力線(xiàn)表征：①. 磁力線(xiàn)形成闭合路径；②. 磁力線(xiàn)具有(yǒu)弹性且不交叉；③. 磁力線(xiàn)存在相互挤压作用(yòng)；④. 磁力線(xiàn)总是走磁阻最小(xiǎo)的路径。当钢管壁厚均匀时，磁力線(xiàn)均匀通过管壁截面，磁感应强度為(wèi)；如图4-37所示，当钢管壁厚减薄时，磁化场磁通路径由Z。减小(xiǎo)到，磁力線(xiàn)之间的相互挤压作用(yòng)使得小(xiǎo)部分(fēn)磁力線(xiàn)折射入空气中，而绝大部分(fēn)磁力線(xiàn)通过磁阻更小(xiǎo)的钢介质，造成磁感应强度由Bo增加到近似BoZo/(Zo-Zdec)；同样，当壁厚增大、磁通路径由Z。增加到Zo+Zinc时，磁力線(xiàn)会基本均匀分(fēn)布于整个壁厚截面，造成磁感应强度由Bo减小(xiǎo)到近似
建立如图4-38所示的仿真模型，不锈钢管外径為(wèi)250mm，壁厚為(wèi)20mm，長(cháng)度為(wèi)1200mm，材质為(wèi)25钢。磁化線(xiàn)圈内径為(wèi)290mm，外径為(wèi)590mm，厚度為(wèi)300mm，磁化電(diàn)流密度i＝。仿真中分(fēn)别用(yòng)减薄、均匀和增大三种壁厚特性进行对比，其中壁厚减薄和增大程度均為(wèi)12.5％，获得不同壁厚特性形成的背景磁场和磁感应强度分(fēn)布，如图4-39和图4-40所示。
图4-39所示的钢管壁厚变化产生的背景磁场仿真结果与图4-37所示的理(lǐ)论分(fēn)析结论吻合：壁厚减薄形成钢／空气和空气／钢分(fēn)界面，进而产生从钢管管壁向空气中泄漏磁力線(xiàn)的背景磁场；壁厚均匀形成的背景磁场与钢管表面近似平行；壁厚增大形成空气／钢和钢／空气分(fēn)界面，进而形成从外部空气中吸引磁力線(xiàn)进入钢管内部的背景磁场。另外，壁厚变化使磁化场磁通路径发生改变，钢管壁厚减薄、均匀和增大部位形成不同的磁感应强度，分(fēn)别為(wèi)2.2844T、2.1474T和1.9473T，如图4-40所示。由此可(kě)见，与钢管壁厚均匀相比，壁厚减薄与增大会形成不同的扰动背景磁场和磁感应强度。
二、壁厚不均对缺陷漏磁场的影响
不锈钢管漏磁检测利用(yòng)磁敏感元件测量钢管表面的磁场分(fēn)布，并将磁场量依次转换為(wèi)模拟信号和数字信号进入计算机进行数字化处理(lǐ)，图4-41所示為(wèi)不锈钢管缺陷漏磁场测量原理(lǐ)。
从本质上讲，磁敏传感器所测量的缺陷总漏磁场由三部分(fēn)磁场叠加而成，包括磁化線(xiàn)圈在钢管表面处形成的初始背景磁场，钢管壁厚变化产生的扰动背景磁场以及缺陷产生的漏磁场，即
式中，為(wèi)传感器测量的总漏磁场；Bo(r,z)為(wèi)磁化線(xiàn)圈产生的初始背景磁场；Bwallz)為(wèi)壁厚变化形成的扰动背景磁场；為(wèi)缺陷漏磁场。进一步将式（4-13）按径向和轴向进行矢量分(fēn)解，即
磁化線(xiàn)圈在测点处形成的初始背景磁场在检测过程中基本不发生变化。然而不同壁厚特性会产生不同的扰动背景磁场，其叠加于缺陷漏磁场之后会影响测点处总磁场的分(fēn)布。结合图4-41所示的钢管缺陷漏磁场测量原理(lǐ)，对测点处各磁场进行矢量分(fēn)解，如图4-42所示。
图4-42a所示為(wèi)壁厚减薄不锈钢管表面磁场矢量分(fēn)解图，从图中可(kě)以看出，缺陷漏磁场径向分(fēn)量Brmnl与壁厚减薄扰动背景磁场径向分(fēn)量Brvall方向相同，而与磁化線(xiàn)圈初始背景磁场径向分(fēn)量B,01方向相反；缺陷漏磁场、壁厚减薄扰动背景磁场和磁化線(xiàn)圈初始背景磁场三者的轴向分(fēn)量方向相同，从而可(kě)获得壁厚减薄钢管表面缺陷总漏磁场径向分(fēn)量Brmsl和轴向分(fēn)量Bzmsl如式（4-）和式（4-17）所示。可(kě)以看出，磁化線(xiàn)圈初始背景磁场削弱了缺陷总漏磁场径向分(fēn)量强度，并增强了缺陷总漏磁场轴向分(fēn)量强度；壁厚减薄形成的背景磁场对缺陷总漏磁场径向和轴向分(fēn)量均具有(yǒu)增强作用(yòng)。
图4-42b所示為(wèi)壁厚均匀不锈钢管表面磁场矢量分(fēn)解图，由于不存在壁厚变化形成的扰动背景磁场，缺陷总漏磁场由磁化線(xiàn)圈产生的背景磁场和缺陷漏磁场矢量合成。其中，缺陷漏磁场与初始背景磁场径向分(fēn)量方向相反，轴向分(fēn)量方向相同，从而可(kě)获得壁厚均匀时缺陷总漏磁场径向和轴向分(fēn)量Brmw2和Bzms2，如式（）和式（419）所示。同样，磁化線(xiàn)圈初始背景磁场削弱了缺陷总漏磁场径向分(fēn)量强度，而对其轴向漏磁场分(fēn)量具有(yǒu)增强作用(yòng)。
图4-42c所示為(wèi)壁厚增大不锈钢管表面磁场矢量分(fēn)解图，缺陷漏磁场径向分(fēn)量Bmm壁厚增大扰动背景磁场径向分(fēn)量BrwlB和磁化線(xiàn)圈初始背景磁场径向分(fēn)量B,m西者方向均相l"^u反；缺陷漏磁场、壁厚增大扰动背景磁场和磁化線(xiàn)圈初始背景磁场三者的轴向分(fēn)量方向相同，从而可(kě)获得壁厚增大时缺陷总漏磁场径向分(fēn)量B,ma3和轴向分(fēn)量B4m3如式（4）和式（4-21）所示。可(kě)以看出，磁化線(xiàn)圈初始背景磁场与壁厚增大扰动背景磁场对缺陷总漏磁场径向分(fēn)量同时具有(yǒu)削弱作用(yòng)，而对其轴向分(fēn)量同时具有(yǒu)增强作用(yòng)。
进一步，采图4-38所示模型仿真研究壁厚变化形成的背景磁场分(fēn)布特性。磁场提取路径ム、2和的提离值均為(wèi)2mm，如图4-43所示。通过数值有(yǒu)限元仿真计算壁厚减薄、壁厚均匀和壁厚增大时钢管表面磁场的径向和轴向分(fēn)量，如图4-44所示。
由于不存在缺陷漏磁场，此时不锈钢管表面形成由磁化線(xiàn)圈初始背景磁场和壁厚变化扰动背景磁场叠加而成的背景磁场，即中可(kě)以看出，壁厚减薄、壁厚均匀和壁厚增大形成的背景磁场轴向分(fēn)量的方向相同，但强度存在差异：壁厚减薄B强度最大，壁厚均匀Brm2强度次之，壁厚增大Brma3强度最弱。壁厚减薄径向分(fēn)量与壁厚均匀Bma2以及壁厚增大Bm3方向相反，其中壁厚均匀径向分(fēn)量强度微弱。究其原因，与壁厚均匀相比，壁厚减薄形成由钢管内部向空（中泄漏磁力線(xiàn)的背景磁场，而壁厚增大则产生从外部空中吸引磁力線(xiàn)进人钢管中的背景磁场，从而使得钢管表面的总背景磁场轴向分(fēn)量强度满足关系：并且径向分(fēn)量Brmsl与Brmm3方向相反。
下面以缺陷漏磁场轴向分(fēn)量為(wèi)讨论对象，研究相同尺寸缺陷在不同壁厚下产生的总漏磁场差异。仿真模型如图4-45所示，其中缺陷宽度和深度分(fēn)别為(wèi)4mm和6mm，建立提离值均為(wèi)2mm的磁场拾取路径l4、ls和l6，并通过仿真计算获得相应的轴向分(fēn)量Bzms4、Bzms5和Bzms6，如图4-46所示。
从仿真结果可(kě)以看出，相同尺寸缺陷在不同壁厚特性处产生的总漏磁场强度差异较大：壁厚减薄处的缺陷总漏磁场轴向分(fēn)量Bzms4最大，壁厚均匀B2ms5次之，壁厚增大Bzms6信号最弱。究其原因包括：①. 不同壁厚变化会在钢管表面产生不同的扰动背景磁场，叠加于缺陷漏磁场之后会造成不同程度的基線(xiàn)漂移，如图4-46所示，壁厚减薄、壁厚均匀和壁厚增大处产生的缺陷漏磁场轴向分(fēn)量处于不同的基線(xiàn)上；②. 壁厚变化使磁化场磁通路径发生改变，壁厚减薄、壁厚均匀与壁厚增大处形成依次减弱的磁感应强度，进而产生不同强度的缺陷漏磁场。
三、消除壁厚不均影响的方法
為(wèi)实现在不同壁厚特性处的相同尺寸缺陷的一致性评价，一方面需要消除壁厚变化产生的背景磁场，另一方面需要消除由于壁厚变化引起的磁感应强度差异。為(wèi)此，提出基于阵列式差动传感布置和深度饱和磁化方法，用(yòng)于消除壁厚不均引起的漏磁场差异。
1. 背景磁场消除方法
不锈钢管自动化漏磁检测通过轴向和周向复合磁化技术实现，如图4-47所示。轴向磁化技术用(yòng)于检测横向缺陷，磁场传感器阵列S；沿钢管周向布置，从而纵向壁厚变化会引起横向缺陷的漏磁场差异；与此对应，周向磁化技术用(yòng)于检测纵向缺陷，磁场传感器阵列S，沿钢管轴向布置，因此横向壁厚变化主要引起纵向缺陷漏磁场差异。
由于壁厚变化主要為(wèi)缓慢变化的大面积钢管损失或增加，从而传感器单元S；和Si-1所处空间位置的钢管壁厚特性基本相同，进一步传感器单元S；和S;-1拾取的背景磁场Bzwall也基本相同。设传感器S；和拾取的磁场轴向分(fēn)量分(fēn)别為(wèi)B2i和，并且局部横向缺陷经过传感器Si，根据式（4-15），Bi和可(kě)表示為(wèi)
式中，Bswall為(wèi)壁厚变化产生的扰动背景磁场轴向分(fēn)量；Bzmn為(wèi)缺陷漏磁场轴向分(fēn)量；Bo為(wèi)磁化線(xiàn)圈形成的初始背景磁场轴向分(fēn)量。将传感器S；和-测量的磁场轴向分(fēn)量进行差分(fēn)处理(lǐ)，即
通过式（4-24）可(kě)知，经过差分(fēn)处理(lǐ)之后的漏磁场检测信号等于缺陷漏磁场轴向分(fēn)量Bzcko将图4-46和图4-44所示的缺陷总漏磁场轴向分(fēn)量和背景磁场轴向分(fēn)量进行差分(fēn)处理(lǐ)，即：Bzms2和可(kě)获得如图4-48所示的漏磁场检测信号。从图中可(kě)以看出，经过差分(fēn)处理(lǐ)之后，相同尺寸缺陷在壁厚减薄、壁厚均匀和壁厚增大处产生的漏磁场检测信号Bzck4、Bzcks和Bzck6处于同一基線(xiàn)上，从而有(yǒu)效消除了壁厚变化产生的背景磁场。同样，将传感器S，和Sj-1拾取的磁场轴向分(fēn)量进行差分(fēn)处理(lǐ)可(kě)有(yǒu)效消除横向壁厚变化产生的背景磁场，即
2. 磁感应强度差异消除方法
从图4-48中可(kě)以看出，在消除背景磁场后，处于不同壁厚特性处的相同尺寸缺陷产生的漏磁场检测信号仍存在较大差异。為(wèi)此，提出一种深度饱和磁化方法，用(yòng)于消除壁厚变化引起的磁感应强度差异。根据線(xiàn)磁偶极子模型，建立矩形缺陷漏磁场Bmn的表达式為(wèi)
Bmn=2/·f(b,d) (4-26) 式中，f(b,d，d）為(wèi)缺陷的宽度与深度参数方程；M為(wèi)磁化强度矢量。
由式（4-26）可(kě)知，当尺寸大小(xiǎo)确定时，缺陷产生的漏磁场强度主要由不锈钢管磁化强度决定。
在外加磁化场强度逐步增大的过程中，不锈钢管内部依次将发生磁畴壁移动和磁矩转动，磁化强度M从零逐渐增大，当所有(yǒu)磁畴的磁矩都转到与外场方向相同时，磁化强度M达到最大值。因此，如果使得检测區(qū)域内钢管磁化强度处于最大值，则可(kě)使相同尺寸缺陷产生相同强度的漏磁场。采用(yòng)图4-45所示的模型仿真计算不同壁厚特性部位磁化强度与励磁電(diàn)流密度的关系曲線(xiàn)，如图4-49所示。从图中可(kě)以看出，在励磁電(diàn)流密度较弱时，不同壁厚特性部位磁化强度差异较大，其中壁厚减薄磁化强度M21最大，壁厚均匀M2次之，壁厚增大M3最小(xiǎo)。随着励磁電(diàn)流密度的进一步增强，磁化强度差异逐渐减小(xiǎo)，并最终到达相同的幅值而保持不变。
进一步比较位于不同壁厚特性处的缺陷漏磁场轴向分(fēn)量检测信号幅值与励磁電(diàn)流密度的关系曲線(xiàn)，如图4-50所示。其中，B24、B25和B6分(fēn)别為(wèi)壁厚减薄、壁厚均匀和壁厚增大处钢管表面的缺陷总磁场轴向分(fēn)量，其包含了磁化線(xiàn)圈产生的初始背景磁场、壁厚变化形成的扰动背景磁场以及缺陷漏磁场。进一步通过差分(fēn)处理(lǐ)消除背景磁场，从而获得位于不同壁厚特性处的缺陷漏磁检测信号B＇4、B's和B'6。从图4-50中可(kě)以看出，在漏磁检测方法常用(yòng)的近饱和磁化區(qū)，不锈钢管壁厚不均引起较大的缺陷漏磁检测信号差异；但在深度饱和磁化區(qū)，相同尺寸缺陷可(kě)获得相同的漏磁检测信号，从而可(kě)实现处于不同壁厚特性处的相同尺寸缺陷的一致性检测与评价。
进一步讨论不锈钢管壁厚变化对缺陷漏磁场的影响，对内外加厚钻杆孔缺陷进行漏磁检测试验。内外加厚钻杆几何结构尺寸如图4-51所示，钻杆杆體(tǐ)、过渡區(qū)和加厚區(qū)的壁厚不同。在钻杆不同壁厚部位处刻制尺寸相同的不通孔，直径和深度分(fēn)别為(wèi)1.6mm和3.0mm。钻杆漏磁检测试验平台如图4-52所示，其由穿过式磁化線(xiàn)圈、励磁電(diàn)源、传感器、钻杆、支撑轮、采集卡和带有(yǒu)数据分(fēn)析软件的计算机组成。
检测过程中，保持磁场传感器与钻杆表面提离值恒定為(wèi)0.5mm，并使钻杆以0.5m／s匀速沿轴向移动。如图4-53所示，传感器拾取路径分(fēn)两种：路径①所拾取的磁场為(wèi)无缺陷背景磁场，主要為(wèi)壁厚变化和磁化線(xiàn)圈产生的背景磁场；路径②测量的磁场包含背景磁场以及缺陷漏磁场。试验中，沿路径①和②往复扫查过渡區(qū)并获得相应的磁场轴向分(fēn)量检测信号，如图4-54和图4-55所示。从图中可(kě)以看出，过渡區(qū)壁厚变化形成了较大幅值的背景磁场信号。当传感器扫查过渡區(qū)缺陷时，缺陷漏磁信号叠加于背景磁场信号之上，形成基線(xiàn)偏移。
為(wèi)消除钻杆过渡區(qū)壁厚变化引起的背景磁场，采用(yòng)差分(fēn)式传感检测方式对缺陷进行扫查，即将路径①和路径②处的两个传感器检测信号进行差分(fēn)输出，获得如图4-56所示差分(fēn)式缺陷漏磁信号。从图中可(kě)以看出，采用(yòng)差分(fēn)式传感器布置方法可(kě)基本消除基線(xiàn)漂移，从而消除了由背景磁场引起的缺陷漏磁场差异。
进一步采用(yòng)差分(fēn)式传感布置法对不通孔H1、H2和H3进行检测。在常规的磁化条件下，由于磁化场磁通路径不同，钻杆杆體(tǐ)、过渡區(qū)和加厚區(qū)会形成不同的磁感应强度，进一步使得不同位置不通孔产生不同的漏磁场强度。為(wèi)验证深度饱和磁化法的有(yǒu)效性，采用(yòng)差分(fēn)式传感布置法，试验获得不通孔H1、H2和H3产生的漏磁场轴向分(fēn)量信号幅值B21B22和B3与磁化電(diàn)流的关系曲線(xiàn)，如图4-57所示。
从图4-57中可(kě)以看出，当磁化電(diàn)流较小(xiǎo)时，杆體(tǐ)处不通孔H3漏磁信号强度最大，过渡區(qū)不通孔H2信号强度次之，加厚區(qū)不通孔H1信号强度最小(xiǎo)；随着磁化電(diàn)流的不断增大，三处不通孔漏磁信号强度不断增加且差异逐渐减小(xiǎo)；当磁化電(diàn)流增加到45A之后，三处不通孔漏磁检测信号基本相等并保持不变。在对钻杆进行深度饱和磁化后，由于缺陷处所有(yǒu)磁畴的磁矩都翻转到与外磁化场相同的方向上，磁化强度达到最大值，此时缺陷漏磁场强度只与缺陷尺寸有(yǒu)关，从而可(kě)消除由于磁感应强度不同引起的缺陷漏磁场差异。
