不锈钢管自动化漏磁检测系统一般采用(yòng)复合磁化方式对不锈钢管进行全方位检测，轴向磁化检测横向缺陷和周向磁化检测纵向缺陷，并且以纵向和横向刻槽作為(wèi)质量评判标准。然而在不锈钢管检测过程中，自然缺陷的形状位置却有(yǒu)别于标准缺陷，即自然缺陷走向通常与标准磁化场方向存在一定倾角。國(guó)家标准GB/T 12604-1999关于缺陷形状位置对检测灵敏度差异的影响做如下描述：“当缺陷走向与磁力線(xiàn)垂直时，缺陷处漏磁场强度最大，检测灵敏度也最高。随着缺陷走向的偏斜，漏磁场强度逐渐降低，直至两者走向一致时，漏磁场强度接近為(wèi)零。因此，当采用(yòng)纵向、横向检测设备时，对斜向缺陷反应不甚敏感，易形成盲角區(qū)域”。
一、缺陷走向对漏磁场分(fēn)布的影响
由于轧制工艺不完善而产生的钢管自然缺陷一般与轴線(xiàn)成一定斜角。与标准横、纵向缺陷相比，斜向缺陷漏磁场强度更低。斜向缺陷是不锈钢管生产过程中最為(wèi)常见的一种缺陷，但在实际检测过程中往往以标准垂直缺陷作為(wèi)评判标准，从而容易造成斜向缺陷的漏检。為(wèi)实现对具有(yǒu)不同走向的同尺寸缺陷的一致性检测与评价，必须提出相应的漏磁场差异消除方法。
1. 斜向缺陷的漏磁场分(fēn)布特性
图4-58所示缺陷分(fēn)别為(wèi)用(yòng)于校验设备的标准人工刻槽和钢管轧制过程中形成的自然斜向缺陷。与标准刻槽相比，斜向缺陷走向与磁化场之间存在一定倾斜夹角，会导致相同尺寸斜向缺陷的漏磁场强度更低，从而容易形成漏检。
建立如图4-59所示的斜向缺陷漏磁场分(fēn)析模型，缺陷1、缺陷2和缺陷3依次与磁化场B。形成夹角a1、α2和3，深度和宽度分(fēn)别為(wèi)d和2b，并形成漏磁场分(fēn)布B2和B3。
当缺陷走向垂直于磁化场方向时，由于在磁化方向上缺陷左右两侧磁介质具有(yǒu)完全对称性，漏磁场可(kě)简化為(wèi)(y,z)二维模型；但如果缺陷走向与磁化方向不垂直，此时，缺陷左右两侧磁介质在磁化方向上不对称，会对磁力線(xiàn)路径造成扰动，从而形成三维空间分(fēn)布的非对称漏磁场。
以缺陷两侧面上P1、P2和P3点作為(wèi)研究对象，分(fēn)析缺陷两侧面磁势分(fēn)布。图4-60a所示為(wèi)斜向缺陷漏磁场分(fēn)析模型，根据磁路原理(lǐ)，沿着磁力線(xiàn)路径分(fēn)布的P1、P2和P3处磁势Uml、Um2和Um3满足如下关系式：
Um1>Um2,Uml>Um3 (4-27)
因此，磁化场磁通量达到1点时会产生分(fēn)流，一部分(fēn)磁通量2会沿着平行于缺陷Φ方向达到磁势更低的P2点，而剩余部分(fēn)磁通量则经过缺陷到达P3点，从而形成漏磁场B1，根据磁路的基尔霍夫第一定律，磁通量满足以下关系式：
建立如图4-61所示的仿真模型，计算缺陷走向对漏磁场分(fēn)布的影响。测试钢板的長(cháng)、宽和高分(fēn)别為(wèi)500mm、100mm和10mm，钢管材质為(wèi)25钢。穿过式磁化線(xiàn)圈内腔宽度和高度分(fēn)别116mm和12mm，外轮廓宽度和高度分(fēn)别為(wèi)216mm和112mm，線(xiàn)圈厚度為(wèi)100mm，，方向如图所示。漏磁场提取路径l位于钢板上方中心位置处，提离值為(wèi)1.0mm，并建立如图所示坐(zuò)标系(x,y,z)
当α=90°以及α=60°时计算缺陷漏磁场矢量分(fēn)布，如图4-62所示。当缺陷走向与磁化方向垂直时，所有(yǒu)磁力線(xiàn)均垂直通过缺陷，如图4-62a所示；当缺陷走向与磁化方向存在一定夹角时，一部分(fēn)磁力線(xiàn)沿着平行于缺陷方向分(fēn)布，其余部分(fēn)磁力線(xiàn)则沿着近似垂直于缺陷方向通过，如图4-62b所示。
采用(yòng)图4-61所示的模型，夹角α分(fēn)别取0°、15°、30°、45°、60°和75°，沿路径l提取磁场分(fēn)量Bx、By、、B2以及磁通量密度B，并绘制成如图4-63～图4-66所示的关系曲線(xiàn)。
从图4-63中可(kě)以看出，随着夹角α的增大，漏磁场分(fēn)量B2幅值呈现先增大后减小(xiǎo)的规律。从图4-64～图4-66中可(kě)以看出，随着夹角α的不断增大，By、和磁通量密度B幅值均呈不断上升趋势，当缺陷走向与磁化场方向垂直时，幅值达到最大值。
从图中还可(kě)以看出，随着夹角α的不断增大，BxB、B2和B分(fēn)布宽度均在不断减小(xiǎo)。进一步提取漏磁场分(fēn)量B，峰-峰值点宽度，绘制其与夹角α的关系曲線(xiàn)，如图4-67所示。从图中可(kě)以看出，随着夹角α的增大，漏磁场分(fēn)量B，峰-峰值点宽度不断变小(xiǎo)；当夹角α较小(xiǎo)时，峰-峰值点宽度下降较快；当夹角α较大时，峰-峰值点宽度下降缓慢。
由于磁力線(xiàn)经过斜向缺陷时基本沿着垂直于缺陷方向通过，因此，提取路径l与漏磁场分(fēn)布方向会存在夹角，為(wèi)此，将漏磁场变换到提取路径l方向上，即
z≈z'/sino (4-31) 式中，z＇為(wèi)垂直于缺陷方向的坐(zuò)标轴。
绘制漏磁场分(fēn)量B，峰-峰值点宽度与1／sina之间的关系曲線(xiàn)，如图4-68所示。从图中可(kě)以看出，峰-峰值点宽度与1／sina之间成近似正比关系，与式（4-31）所示的变换关系相符。
2. 缺陷走向对漏磁场分(fēn)布的影响
在钢板上刻制不同走向的缺陷，并进行漏磁检测试验。钢板的長(cháng)度、宽度和厚度分(fēn)别為(wèi)750mm、100mm和10mm，并在其表面加工4个走向不同的缺陷，深度和宽度分(fēn)别為(wèi)2mm和1.5mm，夹角α分(fēn)别為(wèi)20°、45°、70°和90°，如图4-69所示。
磁化電(diàn)流设置為(wèi)5A且传感器提离值為(wèi)1.0mm。将钢板以恒定速度0.5m／s通过检测系统，使传感器依次扫查缺陷Crk1、Ck2、Ck3和Crk4，并分(fēn)别记录漏磁场x、y、z轴分(fēn)量检测信号，如图 4-70~图 4-72所示。
从试验结果可(kě)以看出，随着夹角α的不断增大，漏磁场分(fēn)量B，幅值呈现先增大后减小(xiǎo)的趋势，而漏磁场分(fēn)量B，和B，则不断增强，试验结果与理(lǐ)论分(fēn)析吻合。
从图中还可(kě)以看出，随着夹角α的不断增大，检测信号宽度不断减小(xiǎo)。进一步提取缺陷Ck1、Ck2、Ck3和Crk4漏磁场分(fēn)量B，的信号峰-峰值点宽度，并绘制其与夹角α和1／sina的关系曲線(xiàn)，如图4-73和图4-74所示。从图中可(kě)以看出，随着夹角α的不断增大，B，信号峰-峰值点宽度不断减小(xiǎo)，并与1／sina成近似正比关系，与仿真及理(lǐ)论分(fēn)析结论相同。
二、消除缺陷走向影响的方法
不锈钢管漏磁检测分(fēn)别采用(yòng)轴向和周向磁化场激发周向和轴向裂纹产生漏磁场，因此，检测系统对标准周向和轴向裂纹缺陷最為(wèi)敏感，而45°斜向裂纹灵敏度最低。此外，检测规程常以标准周向和轴向裂纹作為(wèi)质量评判标准，从而容易导致斜向缺陷漏检。由于具有(yǒu)灵敏度高、性能(néng)稳定和工艺简单等优点，感应線(xiàn)圈是目前使用(yòng)最為(wèi)广泛的漏磁检测传感器。磁场拾取系统一般以垂直缺陷作為(wèi)传感器敏感方向设计基准，从而感应線(xiàn)圈敏感方向会与斜向缺陷形成夹角，最终产生检测信号幅值差异。為(wèi)实现同尺寸斜向缺陷的一致性检测与评价，需要根据感应線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向之间的夹角对检测信号幅值差异的影响机制，提出合理(lǐ)的感应線(xiàn)圈布置方法。
1. 感应線(xiàn)圈与裂纹夹角对检测信号的影响
分(fēn)析感应線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向夹角对漏磁检测信号的影响。感应線(xiàn)圈敏感方向也即感应線(xiàn)圈長(cháng)轴方向，如图4-75所示，感应線(xiàn)圈敏感方向与试件轴向垂直，当试件上存在不同走向缺陷时，感应線(xiàn)圈将与其形成不同的夹角，从而引起检测信号幅值差异。
图4-76所示為(wèi)水平線(xiàn)圈与缺陷走向存在一定夹角时的漏磁场检测原理(lǐ)。線(xiàn)圈長(cháng)度為(wèi)l，宽度為(wèi)2w，提离值為(wèi)h，水平線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向之间的夹角為(wèi)β。建立如图所示坐(zuò)标系（x，，缺x,y)陷走向平行于y轴，缺陷漏磁场分(fēn)布满足磁偶极子模型，水平線(xiàn)圈运动方向与x轴平行。从图中可(kě)以看出，当水平線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向形成一定夹角时，组成水平線(xiàn)圈的四段导線(xiàn)均会产生感应電(diàn)动势，因此水平線(xiàn)圈整體(tǐ)输出為(wèi)四段导線(xiàn)感应電(diàn)动势之差。设四段导線(xiàn)L1、和L4产生的感应電(diàn)动势输出分(fēn)别為(wèi)e1e2和，则可(kě)获得水平線(xiàn)圈感应電(diàn)动势输出Δehorizontal為(wèi)：
如图4-77所示，进一步将四段导線(xiàn)交界点沿x轴投影，将水平線(xiàn)圈分(fēn)解為(wèi)和L6六段导線(xiàn)，其交界点x轴坐(zuò)标分(fēn)别為(wèi)x1、x2、x3、x4、x5和此时，水平線(xiàn)圈09x感应電(diàn)动势為(wèi)处于前端三段导線(xiàn)和尾部三段导線(xiàn)感应電(diàn)动势之差
进一步设線(xiàn)圈宽度参数w=0.3253mm，線(xiàn)圈長(cháng)度mm，水平線(xiàn)圈运行速度為(wèi)1m／s，根据式（4-37），绘制水平線(xiàn)圈感应電(diàn)动势与夹角β的关系曲線(xiàn)，如图4-79所示。从图中可(kě)以看出，随着夹角β不断增大，水平線(xiàn)圈感应電(diàn)动势不断减小(xiǎo)；当水平線(xiàn)圈与缺陷走向平行时感应電(diàn)动势幅值最大，当两者垂直时几乎没有(yǒu)感应電(diàn)动势输出。
利用(yòng)钢板漏磁检测试验研究水平線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向夹角对检测信号幅值的影响，感应線(xiàn)圈的長(cháng)度、宽度和高度分(fēn)别為(wèi)11mm、2mm和2mm，線(xiàn)径為(wèi)0.13mm，共30匝，水平線(xiàn)圈中心提离值h為(wèi)1.5mm。一共进行四组试验，使水平線(xiàn)圈与不同走向缺陷平行放置进行检测，如图4-80所示。水平線(xiàn)圈以恒定速度0.5m／s依次通过缺陷Crk1、Ck2、Ck3和Cyk4获得如图4-81所示的检测信号。
从图4-81中可(kě)以看出，按不同方向布置的水平線(xiàn)圈产生了不同的漏磁信号幅值输出：当水平線(xiàn)圈以90°方向依次扫过四个缺陷时，检测信号依次减小(xiǎo)，其中Ckt缺陷信号幅值最大，4缺陷信号幅值最小(xiǎo)；当水平線(xiàn)圈以70°方向依次扫过四个缺陷时，Ck2缺陷信号幅值最大，信号幅值次之，然后依次為(wèi)Crk3和C,k4当水平線(xiàn)圈以45°方向依次扫过四个缺陷时，Ck3缺陷信号幅值明显增加，C,k4信号幅值有(yǒu)所增加，而Cukl和Ck2信号幅值均降低；当水平線(xiàn)圈以20°方向依次扫过四个缺陷时，Ck4缺陷信号幅值增加，其余三个缺陷信号幅值都降低，而且C,k1Crk2和C,k3信号幅值依次由小(xiǎo)到大排列。
绘制不同走向缺陷检测信号峰值与水平線(xiàn)圈布置方向的关系曲線(xiàn)，如图4-82所示。从图中可(kě)以看出，当水平線(xiàn)圈以不同方向扫查同一缺陷时将产生不同的检测信号幅值。当水平線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向平行时，信号幅值最大；随着两者方向夹角的增大，信号幅值逐渐降低。
图4-83所示為(wèi)垂直線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向存在一定夹角时的漏磁场扫查原理(lǐ)图，線(xiàn)圈長(cháng)度為(wèi)l，宽度為(wèi)2w，線(xiàn)圈中心提离值為(wèi)H，垂直線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向之间的夹角為(wèi)β。建立如图所示坐(zuò)标系（x,y)），缺陷走向平行于y轴，垂直線(xiàn)圈运动方向与x轴平行。
垂直線(xiàn)圈由四段导線(xiàn)L1、L2、L3和L组成，其感应電(diàn)动势输出分(fēn)别為(wèi)e1e2、e3和e4，
设線(xiàn)圈宽度参数w＝0.15mm，線(xiàn)圈長(cháng)度l＝12.5mm，垂直線(xiàn)圈运l=12.行速度為(wèi)1.0m／s，根据式（4-42）绘制垂直線(xiàn)圈感应電(diàn)动势与夹角β的关系曲線(xiàn)，如图4-85所示。从图中可(kě)以看出，随着夹角β的不断增大，垂直線(xiàn)圈感应電(diàn)动势不断减小(xiǎo)。当垂直線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向平行时，感应電(diàn)动势输出最大；当两者垂直时，几乎没有(yǒu)感应電(diàn)动势输出。
采用(yòng)与水平線(xiàn)圈相同的试验方法，研究垂直線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向夹角对漏磁检测信号的影响。将感应線(xiàn)圈垂直摆放，垂直線(xiàn)圈中心提离值H為(wèi)2mm。同样本试验分(fēn)為(wèi)四组，分(fēn)别使垂直線(xiàn)圈以不同的布置方向依次扫查四个缺陷Ck1、Ck2、Ck3和Crk4，速度為(wèi)0.5ms，如图4-86所示，并获得不同走向缺陷的信号幅值与垂直線(xiàn)圈布置方向的关系曲線(xiàn)，如图4-87所示。
从图4-87中可(kě)以看出，当垂直線(xiàn)圈以不同布置方向扫查四个缺陷时，检测信号变化规律与水平線(xiàn)圈相同：当垂直線(xiàn)圈以90°方向依次扫过四个缺陷时，检测信号依次减小(xiǎo)，其中C，k1缺陷信号幅值最大，C4缺陷信号幅值最小(xiǎo)；当垂直線(xiàn)圈以70°方向依次扫过四个缺陷时，缺陷信号幅值最大，C信号幅值次之，然后依次為(wèi)Ck3和C4k4；当垂直線(xiàn)圈以45°方向依次扫过四个缺陷时，C,k3缺陷信号幅值明显增加，C,k4信号幅值有(yǒu)所增加，而Ck1和Ck2信号幅值均降低；当垂直線(xiàn)圈以20°方向依次扫过四个缺陷时，Crk4缺陷信号幅值增加，其余三个缺陷信号幅值都降低，而且Ck1、Crk2和Crk3信号幅值依次由小(xiǎo)到大排列。
绘制不同走向缺陷检测信号峰值与垂直線(xiàn)圈布置方向的关系曲線(xiàn)，如图4-88所示。从图中可(kě)以看出，当垂直線(xiàn)圈以不同布置方向扫查同一缺陷时将产生不同的检测信号幅值。当垂直線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向平行时，信号幅值最大，随着两者方向夹角的增大，信号幅值逐渐降低。
2. 多(duō)向性阵列感应線(xiàn)圈消除方法
与标准缺陷相比，斜向缺陷检测信号幅值更低的原因有(yǒu)：一方面，不锈钢管漏磁检测采用(yòng)轴向和周向复合磁化方式对不锈钢管进行局部磁化，从而导致与磁化方向形成夹角的斜向缺陷漏磁场强度更低；另一方面，在缺陷漏磁场拾取过程中，检测線(xiàn)圈敏感方向与斜向缺陷会形成一定夹角，从而降低缺陷检测信号的幅值。為(wèi)实现具有(yǒu)不同走向的同尺寸缺陷的一致性检测与评价，提出基于多(duō)向性阵列感应線(xiàn)圈的布置方法。水平線(xiàn)圈与垂直線(xiàn)圈布置方法相同，以水平線(xiàn)圈作為(wèi)消除方法的阐述对象。
在实际生产过程中，当生产工艺参数确定后，同批钢管中自然缺陷走向往往大致相同。如图4-89所示，设钢管中存在斜向缺陷1，并与磁化场方向形成夹角ao，由于在物(wù)料运输过程中可(kě)能(néng)出现钢管方向倒置，因此，斜向缺陷走向也可(kě)能(néng)会与磁化场方向形成夹角ππ-α0，如斜向缺陷3。对此，在探头内部布置多(duō)向性阵列感应線(xiàn)圈S1、S2和S3，分(fēn)别与磁化场形成夹角a1、α2和α3其中，第一排阵列感应線(xiàn)圈S，对斜向缺陷1进行扫查，根据水平線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向夹角对检测信号幅值的影响规律，線(xiàn)圈敏感方向应该与缺陷1走向平行，即α1=α0；第二排阵列感应線(xiàn)圈S2用(yòng)于检测标准垂直缺陷2和校验设备状态，因此線(xiàn)圈敏感方向与磁化方向垂直，即a2=90°第三排阵列感应線(xiàn)圈S3方向与缺陷3走向平行，即α3=π-α0。
从而，通过多(duō)向性阵列感应線(xiàn)圈布置方式可(kě)以最大限度地提高斜向缺陷的检测信号幅值，并消除線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向夹角引起的检测信号幅值差异。图4-90所示為(wèi)针对钢管上有(yǒu)30°斜向自然缺陷而制作的多(duō)向性阵列感应線(xiàn)圈探头芯。
在消除了水平線(xiàn)圈敏感方向与缺陷走向夹角引起的检测信号差异之后，需要进一步消除由于缺陷走向带来的漏磁场强度差异，為(wèi)此对斜向缺陷检测通道进行增益补偿。阵列感应線(xiàn)圈S1、S2和S3分(fēn)别通过斜向缺陷1、标准缺陷2和斜向缺陷3之后输出信号峰值分(fēn)别為(wèi)e1、2和e3，设阵列感应線(xiàn)圈S1和S3增益补偿参数分(fēn)别為(wèi)和a3，经补偿后使得不同走向缺陷10具有(yǒu)相同的信号幅值。
