不銹鋼管自動(dòng)化漏磁檢測(cè)系統(tǒng)一般采用復(fù)合磁化方式對(duì)不銹鋼管進(jìn)行全方位檢測(cè)，軸向磁化檢測(cè)橫向缺陷和周向磁化檢測(cè)縱向缺陷，并且以縱向和橫向刻槽作為質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。然而在不銹鋼管檢測(cè)過程中，自然缺陷的形狀位置卻有別于標(biāo)準(zhǔn)缺陷，即自然缺陷走向通常與標(biāo)準(zhǔn)磁化場(chǎng)方向存在一定傾角。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12604-1999關(guān)于缺陷形狀位置對(duì)檢測(cè)靈敏度差異的影響做如下描述：“當(dāng)缺陷走向與磁力線垂直時(shí)，缺陷處漏磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，檢測(cè)靈敏度也最高。隨著缺陷走向的偏斜，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低，直至兩者走向一致時(shí)，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度接近為零。因此，當(dāng)采用縱向、橫向檢測(cè)設(shè)備時(shí)，對(duì)斜向缺陷反應(yīng)不甚敏感，易形成盲角區(qū)域”。
一、缺陷走向?qū)β┐艌?chǎng)分布的影響
由于軋制工藝不完善而產(chǎn)生的鋼管自然缺陷一般與軸線成一定斜角。與標(biāo)準(zhǔn)橫、縱向缺陷相比，斜向缺陷漏磁場(chǎng)強(qiáng)度更低。斜向缺陷是不銹鋼管生產(chǎn)過程中最為常見的一種缺陷，但在實(shí)際檢測(cè)過程中往往以標(biāo)準(zhǔn)垂直缺陷作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，從而容易造成斜向缺陷的漏檢。為實(shí)現(xiàn)對(duì)具有不同走向的同尺寸缺陷的一致性檢測(cè)與評(píng)價(jià)，必須提出相應(yīng)的漏磁場(chǎng)差異消除方法。
1. 斜向缺陷的漏磁場(chǎng)分布特性
圖4-58所示缺陷分別為用于校驗(yàn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)人工刻槽和鋼管軋制過程中形成的自然斜向缺陷。與標(biāo)準(zhǔn)刻槽相比，斜向缺陷走向與磁化場(chǎng)之間存在一定傾斜夾角，會(huì)導(dǎo)致相同尺寸斜向缺陷的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度更低，從而容易形成漏檢。
建立如圖4-59所示的斜向缺陷漏磁場(chǎng)分析模型，缺陷1、缺陷2和缺陷3依次與磁化場(chǎng)B。形成夾角a1、α2和3，深度和寬度分別為d和2b，并形成漏磁場(chǎng)分布B2和B3。
當(dāng)缺陷走向垂直于磁化場(chǎng)方向時(shí)，由于在磁化方向上缺陷左右兩側(cè)磁介質(zhì)具有完全對(duì)稱性，漏磁場(chǎng)可簡(jiǎn)化為(y,z)二維模型；但如果缺陷走向與磁化方向不垂直，此時(shí)，缺陷左右兩側(cè)磁介質(zhì)在磁化方向上不對(duì)稱，會(huì)對(duì)磁力線路徑造成擾動(dòng)，從而形成三維空間分布的非對(duì)稱漏磁場(chǎng)。
以缺陷兩側(cè)面上P1、P2和P3點(diǎn)作為研究對(duì)象，分析缺陷兩側(cè)面磁勢(shì)分布。圖4-60a所示為斜向缺陷漏磁場(chǎng)分析模型，根據(jù)磁路原理，沿著磁力線路徑分布的P1、P2和P3處磁勢(shì)Uml、Um2和Um3滿足如下關(guān)系式：
Um1>Um2,Uml>Um3 (4-27)
因此，磁化場(chǎng)磁通量達(dá)到1點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生分流，一部分磁通量2會(huì)沿著平行于缺陷Φ方向達(dá)到磁勢(shì)更低的P2點(diǎn)，而剩余部分磁通量則經(jīng)過缺陷到達(dá)P3點(diǎn)，從而形成漏磁場(chǎng)B1，根據(jù)磁路的基爾霍夫第一定律，磁通量滿足以下關(guān)系式：
建立如圖4-61所示的仿真模型，計(jì)算缺陷走向?qū)β┐艌?chǎng)分布的影響。測(cè)試鋼板的長(zhǎng)、寬和高分別為500mm、100mm和10mm，鋼管材質(zhì)為25鋼。穿過式磁化線圈內(nèi)腔寬度和高度分別116mm和12mm，外輪廓寬度和高度分別為216mm和112mm，線圈厚度為100mm，，方向如圖所示。漏磁場(chǎng)提取路徑l位于鋼板上方中心位置處，提離值為1.0mm，并建立如圖所示坐標(biāo)系(x,y,z)
當(dāng)α=90°以及α=60°時(shí)計(jì)算缺陷漏磁場(chǎng)矢量分布，如圖4-62所示。當(dāng)缺陷走向與磁化方向垂直時(shí)，所有磁力線均垂直通過缺陷，如圖4-62a所示；當(dāng)缺陷走向與磁化方向存在一定夾角時(shí)，一部分磁力線沿著平行于缺陷方向分布，其余部分磁力線則沿著近似垂直于缺陷方向通過，如圖4-62b所示。
采用圖4-61所示的模型，夾角α分別取0°、15°、30°、45°、60°和75°，沿路徑l提取磁場(chǎng)分量Bx、By、、B2以及磁通量密度B，并繪制成如圖4-63～圖4-66所示的關(guān)系曲線。
從圖4-63中可以看出，隨著夾角α的增大，漏磁場(chǎng)分量B2幅值呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。從圖4-64～圖4-66中可以看出，隨著夾角α的不斷增大，By、和磁通量密度B幅值均呈不斷上升趨勢(shì)，當(dāng)缺陷走向與磁化場(chǎng)方向垂直時(shí)，幅值達(dá)到最大值。
從圖中還可以看出，隨著夾角α的不斷增大，BxB、B2和B分布寬度均在不斷減小。進(jìn)一步提取漏磁場(chǎng)分量B，峰-峰值點(diǎn)寬度，繪制其與夾角α的關(guān)系曲線，如圖4-67所示。從圖中可以看出，隨著夾角α的增大，漏磁場(chǎng)分量B，峰-峰值點(diǎn)寬度不斷變??；當(dāng)夾角α較小時(shí)，峰-峰值點(diǎn)寬度下降較快；當(dāng)夾角α較大時(shí)，峰-峰值點(diǎn)寬度下降緩慢。
由于磁力線經(jīng)過斜向缺陷時(shí)基本沿著垂直于缺陷方向通過，因此，提取路徑l與漏磁場(chǎng)分布方向會(huì)存在夾角，為此，將漏磁場(chǎng)變換到提取路徑l方向上，即
z≈z'/sino (4-31) 式中，z＇為垂直于缺陷方向的坐標(biāo)軸。
繪制漏磁場(chǎng)分量B，峰-峰值點(diǎn)寬度與1／sina之間的關(guān)系曲線，如圖4-68所示。從圖中可以看出，峰-峰值點(diǎn)寬度與1／sina之間成近似正比關(guān)系，與式（4-31）所示的變換關(guān)系相符。
2. 缺陷走向?qū)β┐艌?chǎng)分布的影響
在鋼板上刻制不同走向的缺陷，并進(jìn)行漏磁檢測(cè)試驗(yàn)。鋼板的長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為750mm、100mm和10mm，并在其表面加工4個(gè)走向不同的缺陷，深度和寬度分別為2mm和1.5mm，夾角α分別為20°、45°、70°和90°，如圖4-69所示。
磁化電流設(shè)置為5A且傳感器提離值為1.0mm。將鋼板以恒定速度0.5m／s通過檢測(cè)系統(tǒng)，使傳感器依次掃查缺陷Crk1、Ck2、Ck3和Crk4，并分別記錄漏磁場(chǎng)x、y、z軸分量檢測(cè)信號(hào)，如圖 4-70~圖 4-72所示。
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著夾角α的不斷增大，漏磁場(chǎng)分量B，幅值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而漏磁場(chǎng)分量B，和B，則不斷增強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。
從圖中還可以看出，隨著夾角α的不斷增大，檢測(cè)信號(hào)寬度不斷減小。進(jìn)一步提取缺陷Ck1、Ck2、Ck3和Crk4漏磁場(chǎng)分量B，的信號(hào)峰-峰值點(diǎn)寬度，并繪制其與夾角α和1／sina的關(guān)系曲線，如圖4-73和圖4-74所示。從圖中可以看出，隨著夾角α的不斷增大，B，信號(hào)峰-峰值點(diǎn)寬度不斷減小，并與1／sina成近似正比關(guān)系，與仿真及理論分析結(jié)論相同。
二、消除缺陷走向影響的方法
不銹鋼管漏磁檢測(cè)分別采用軸向和周向磁化場(chǎng)激發(fā)周向和軸向裂紋產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，因此，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)周向和軸向裂紋缺陷最為敏感，而45°斜向裂紋靈敏度最低。此外，檢測(cè)規(guī)程常以標(biāo)準(zhǔn)周向和軸向裂紋作為質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，從而容易導(dǎo)致斜向缺陷漏檢。由于具有靈敏度高、性能穩(wěn)定和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，感應(yīng)線圈是目前使用最為廣泛的漏磁檢測(cè)傳感器。磁場(chǎng)拾取系統(tǒng)一般以垂直缺陷作為傳感器敏感方向設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，從而感應(yīng)線圈敏感方向會(huì)與斜向缺陷形成夾角，最終產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)幅值差異。為實(shí)現(xiàn)同尺寸斜向缺陷的一致性檢測(cè)與評(píng)價(jià)，需要根據(jù)感應(yīng)線圈敏感方向與缺陷走向之間的夾角對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值差異的影響機(jī)制，提出合理的感應(yīng)線圈布置方法。
1. 感應(yīng)線圈與裂紋夾角對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響
分析感應(yīng)線圈敏感方向與缺陷走向夾角對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響。感應(yīng)線圈敏感方向也即感應(yīng)線圈長(zhǎng)軸方向，如圖4-75所示，感應(yīng)線圈敏感方向與試件軸向垂直，當(dāng)試件上存在不同走向缺陷時(shí)，感應(yīng)線圈將與其形成不同的夾角，從而引起檢測(cè)信號(hào)幅值差異。
圖4-76所示為水平線圈與缺陷走向存在一定夾角時(shí)的漏磁場(chǎng)檢測(cè)原理。線圈長(zhǎng)度為l，寬度為2w，提離值為h，水平線圈敏感方向與缺陷走向之間的夾角為β。建立如圖所示坐標(biāo)系（x，，缺x,y)陷走向平行于y軸，缺陷漏磁場(chǎng)分布滿足磁偶極子模型，水平線圈運(yùn)動(dòng)方向與x軸平行。從圖中可以看出，當(dāng)水平線圈敏感方向與缺陷走向形成一定夾角時(shí)，組成水平線圈的四段導(dǎo)線均會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此水平線圈整體輸出為四段導(dǎo)線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差。設(shè)四段導(dǎo)線L1、和L4產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出分別為e1e2和，則可獲得水平線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出Δehorizontal為：
如圖4-77所示，進(jìn)一步將四段導(dǎo)線交界點(diǎn)沿x軸投影，將水平線圈分解為和L6六段導(dǎo)線，其交界點(diǎn)x軸坐標(biāo)分別為x1、x2、x3、x4、x5和此時(shí)，水平線圈09x感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為處于前端三段導(dǎo)線和尾部三段導(dǎo)線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差
進(jìn)一步設(shè)線圈寬度參數(shù)w=0.3253mm，線圈長(zhǎng)度mm，水平線圈運(yùn)行速度為1m／s，根據(jù)式（4-37），繪制水平線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與夾角β的關(guān)系曲線，如圖4-79所示。從圖中可以看出，隨著夾角β不斷增大，水平線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不斷減小；當(dāng)水平線圈與缺陷走向平行時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值最大，當(dāng)兩者垂直時(shí)幾乎沒有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。
利用鋼板漏磁檢測(cè)試驗(yàn)研究水平線圈敏感方向與缺陷走向夾角對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值的影響，感應(yīng)線圈的長(zhǎng)度、寬度和高度分別為11mm、2mm和2mm，線徑為0.13mm，共30匝，水平線圈中心提離值h為1.5mm。一共進(jìn)行四組試驗(yàn)，使水平線圈與不同走向缺陷平行放置進(jìn)行檢測(cè)，如圖4-80所示。水平線圈以恒定速度0.5m／s依次通過缺陷Crk1、Ck2、Ck3和Cyk4獲得如圖4-81所示的檢測(cè)信號(hào)。
從圖4-81中可以看出，按不同方向布置的水平線圈產(chǎn)生了不同的漏磁信號(hào)幅值輸出：當(dāng)水平線圈以90°方向依次掃過四個(gè)缺陷時(shí)，檢測(cè)信號(hào)依次減小，其中Ckt缺陷信號(hào)幅值最大，4缺陷信號(hào)幅值最??；當(dāng)水平線圈以70°方向依次掃過四個(gè)缺陷時(shí)，Ck2缺陷信號(hào)幅值最大，信號(hào)幅值次之，然后依次為Crk3和C,k4當(dāng)水平線圈以45°方向依次掃過四個(gè)缺陷時(shí)，Ck3缺陷信號(hào)幅值明顯增加，C,k4信號(hào)幅值有所增加，而Cukl和Ck2信號(hào)幅值均降低；當(dāng)水平線圈以20°方向依次掃過四個(gè)缺陷時(shí)，Ck4缺陷信號(hào)幅值增加，其余三個(gè)缺陷信號(hào)幅值都降低，而且C,k1Crk2和C,k3信號(hào)幅值依次由小到大排列。
繪制不同走向缺陷檢測(cè)信號(hào)峰值與水平線圈布置方向的關(guān)系曲線，如圖4-82所示。從圖中可以看出，當(dāng)水平線圈以不同方向掃查同一缺陷時(shí)將產(chǎn)生不同的檢測(cè)信號(hào)幅值。當(dāng)水平線圈敏感方向與缺陷走向平行時(shí)，信號(hào)幅值最大；隨著兩者方向夾角的增大，信號(hào)幅值逐漸降低。
圖4-83所示為垂直線圈敏感方向與缺陷走向存在一定夾角時(shí)的漏磁場(chǎng)掃查原理圖，線圈長(zhǎng)度為l，寬度為2w，線圈中心提離值為H，垂直線圈敏感方向與缺陷走向之間的夾角為β。建立如圖所示坐標(biāo)系（x,y)），缺陷走向平行于y軸，垂直線圈運(yùn)動(dòng)方向與x軸平行。
垂直線圈由四段導(dǎo)線L1、L2、L3和L組成，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出分別為e1e2、e3和e4，
設(shè)線圈寬度參數(shù)w＝0.15mm，線圈長(zhǎng)度l＝12.5mm，垂直線圈運(yùn)l=12.行速度為1.0m／s，根據(jù)式（4-42）繪制垂直線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與夾角β的關(guān)系曲線，如圖4-85所示。從圖中可以看出，隨著夾角β的不斷增大，垂直線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不斷減小。當(dāng)垂直線圈敏感方向與缺陷走向平行時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出最大；當(dāng)兩者垂直時(shí)，幾乎沒有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。
采用與水平線圈相同的試驗(yàn)方法，研究垂直線圈敏感方向與缺陷走向夾角對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響。將感應(yīng)線圈垂直擺放，垂直線圈中心提離值H為2mm。同樣本試驗(yàn)分為四組，分別使垂直線圈以不同的布置方向依次掃查四個(gè)缺陷Ck1、Ck2、Ck3和Crk4，速度為0.5ms，如圖4-86所示，并獲得不同走向缺陷的信號(hào)幅值與垂直線圈布置方向的關(guān)系曲線，如圖4-87所示。
從圖4-87中可以看出，當(dāng)垂直線圈以不同布置方向掃查四個(gè)缺陷時(shí)，檢測(cè)信號(hào)變化規(guī)律與水平線圈相同：當(dāng)垂直線圈以90°方向依次掃過四個(gè)缺陷時(shí)，檢測(cè)信號(hào)依次減小，其中C，k1缺陷信號(hào)幅值最大，C4缺陷信號(hào)幅值最?。划?dāng)垂直線圈以70°方向依次掃過四個(gè)缺陷時(shí)，缺陷信號(hào)幅值最大，C信號(hào)幅值次之，然后依次為Ck3和C4k4；當(dāng)垂直線圈以45°方向依次掃過四個(gè)缺陷時(shí)，C,k3缺陷信號(hào)幅值明顯增加，C,k4信號(hào)幅值有所增加，而Ck1和Ck2信號(hào)幅值均降低；當(dāng)垂直線圈以20°方向依次掃過四個(gè)缺陷時(shí)，Crk4缺陷信號(hào)幅值增加，其余三個(gè)缺陷信號(hào)幅值都降低，而且Ck1、Crk2和Crk3信號(hào)幅值依次由小到大排列。
繪制不同走向缺陷檢測(cè)信號(hào)峰值與垂直線圈布置方向的關(guān)系曲線，如圖4-88所示。從圖中可以看出，當(dāng)垂直線圈以不同布置方向掃查同一缺陷時(shí)將產(chǎn)生不同的檢測(cè)信號(hào)幅值。當(dāng)垂直線圈敏感方向與缺陷走向平行時(shí)，信號(hào)幅值最大，隨著兩者方向夾角的增大，信號(hào)幅值逐漸降低。
2. 多向性陣列感應(yīng)線圈消除方法
與標(biāo)準(zhǔn)缺陷相比，斜向缺陷檢測(cè)信號(hào)幅值更低的原因有：一方面，不銹鋼管漏磁檢測(cè)采用軸向和周向復(fù)合磁化方式對(duì)不銹鋼管進(jìn)行局部磁化，從而導(dǎo)致與磁化方向形成夾角的斜向缺陷漏磁場(chǎng)強(qiáng)度更低；另一方面，在缺陷漏磁場(chǎng)拾取過程中，檢測(cè)線圈敏感方向與斜向缺陷會(huì)形成一定夾角，從而降低缺陷檢測(cè)信號(hào)的幅值。為實(shí)現(xiàn)具有不同走向的同尺寸缺陷的一致性檢測(cè)與評(píng)價(jià)，提出基于多向性陣列感應(yīng)線圈的布置方法。水平線圈與垂直線圈布置方法相同，以水平線圈作為消除方法的闡述對(duì)象。
在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)生產(chǎn)工藝參數(shù)確定后，同批鋼管中自然缺陷走向往往大致相同。如圖4-89所示，設(shè)鋼管中存在斜向缺陷1，并與磁化場(chǎng)方向形成夾角ao，由于在物料運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)鋼管方向倒置，因此，斜向缺陷走向也可能會(huì)與磁化場(chǎng)方向形成夾角ππ-α0，如斜向缺陷3。對(duì)此，在探頭內(nèi)部布置多向性陣列感應(yīng)線圈S1、S2和S3，分別與磁化場(chǎng)形成夾角a1、α2和α3其中，第一排陣列感應(yīng)線圈S，對(duì)斜向缺陷1進(jìn)行掃查，根據(jù)水平線圈敏感方向與缺陷走向夾角對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值的影響規(guī)律，線圈敏感方向應(yīng)該與缺陷1走向平行，即α1=α0；第二排陣列感應(yīng)線圈S2用于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)垂直缺陷2和校驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)，因此線圈敏感方向與磁化方向垂直，即a2=90°第三排陣列感應(yīng)線圈S3方向與缺陷3走向平行，即α3=π-α0。
從而，通過多向性陣列感應(yīng)線圈布置方式可以最大限度地提高斜向缺陷的檢測(cè)信號(hào)幅值，并消除線圈敏感方向與缺陷走向夾角引起的檢測(cè)信號(hào)幅值差異。圖4-90所示為針對(duì)鋼管上有30°斜向自然缺陷而制作的多向性陣列感應(yīng)線圈探頭芯。
在消除了水平線圈敏感方向與缺陷走向夾角引起的檢測(cè)信號(hào)差異之后，需要進(jìn)一步消除由于缺陷走向帶來的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度差異，為此對(duì)斜向缺陷檢測(cè)通道進(jìn)行增益補(bǔ)償。陣列感應(yīng)線圈S1、S2和S3分別通過斜向缺陷1、標(biāo)準(zhǔn)缺陷2和斜向缺陷3之后輸出信號(hào)峰值分別為e1、2和e3，設(shè)陣列感應(yīng)線圈S1和S3增益補(bǔ)償參數(shù)分別為和a3，經(jīng)補(bǔ)償后使得不同走向缺陷10具有相同的信號(hào)幅值。
