在不銹鋼管高速漏磁檢測實(shí)施過程中，感生磁場引起了不銹鋼管中磁化狀態(tài)的差異，進(jìn)而產(chǎn)生不同的缺陷漏磁場，導(dǎo)致檢測設(shè)備誤判或者漏判。消除這一影響的目的，就是讓同尺寸缺陷產(chǎn)生同樣的漏磁檢測信號，以實(shí)現(xiàn)鋼管質(zhì)量的一致性評價(jià)。
一、管體漏磁場差異消除方法
不銹鋼管橫向缺陷漏磁檢測系統(tǒng)主要由穿過式磁化線圈和位于線圈內(nèi)部的探頭陣列組成。在鋼管通過檢測系統(tǒng)時(shí)，探頭陣列中某一個(gè)傳感單元對局部缺陷的掃查具有隨機(jī)性，因此必須保證探頭中所有傳感單元掃查同尺寸缺陷時(shí)獲得相同的檢測信號。當(dāng)鋼管高速運(yùn)行時(shí)，感生磁場會(huì)使鋼管磁化狀態(tài)呈現(xiàn)不均勻，離開區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于進(jìn)入?yún)^(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖5-18所示，檢測區(qū)域內(nèi)依次分布四個(gè)尺寸相同的橫向缺陷，其中C2和C21位于進(jìn)入?yún)^(qū)，和位于離開區(qū)。當(dāng)鋼管運(yùn)行速度較低時(shí)，感生磁場對鋼管磁化狀態(tài)的影響可以忽略。此時(shí)，磁化場關(guān)于線圈中心對稱分布，檢測區(qū)域內(nèi)鋼管磁感應(yīng)強(qiáng)度差異較小，C2、C21、C22和C23生的漏磁場強(qiáng)度B2、B21、B22和B23基本相同。
隨著檢測速度的不斷提高，不銹鋼管離開區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸大于進(jìn)入?yún)^(qū)，從而導(dǎo)致位于離開區(qū)的缺陷漏磁場強(qiáng)度大于位于進(jìn)入?yún)^(qū)的缺陷漏磁場強(qiáng)度，感生磁場造成處于不同空間位置對應(yīng)傳感器單元檢測到了不一致的缺陷漏磁場信號。消除管體缺陷漏磁場差異有兩種途徑：一方面，可以通過消除鋼管中的感生渦流來消除磁化狀態(tài)的差異；另一方面，還可采取修正傳感單元的增益使檢測信號達(dá)到一致。由于鋼管內(nèi)產(chǎn)生的感生渦流無法消除，為此，提出通過修正陣列傳感單元增益來消除同尺寸缺陷產(chǎn)生的漏磁信號差異，如圖5-19所示。
在不銹鋼管中部刻制標(biāo)定圓環(huán)作為標(biāo)定信號的管體漏磁場差異消除方法示意圖源，將鋼管以穩(wěn)定速度依次通過n個(gè)檢測傳感器單元S1、S2、S，時(shí)，圓環(huán)產(chǎn)生的漏磁場信號分別為設(shè)陣列傳感器單元增益修正參數(shù)分別為a1、a2、、a;、、an,且Vs為標(biāo)定參考幅0"SA值。進(jìn)一步可獲得陣列傳感單元增益修正參數(shù)。
在基于陣列傳感單元增益修正的管體漏磁場差異消除方法中，刻制有標(biāo)定圓環(huán)的鋼管以穩(wěn)定速度通過檢測探頭時(shí)，標(biāo)定信號源具有單一性并能夠一次性遍歷每個(gè)傳感器單元。由于感生渦流磁場的作用使得管體形成了非均勻的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致圓環(huán)在經(jīng)過不同傳感器單元時(shí)產(chǎn)生的漏磁信號幅值存在差異。在對自然管進(jìn)行檢測之前，先利用帶有標(biāo)定圓環(huán)的樣管對傳感器單元增益進(jìn)行修正，并且必須保證鋼管檢測速度與標(biāo)定速度相同。最終，采用標(biāo)定圓環(huán)作為勵(lì)磁源來修正傳感器單元的增益，可有效消除同尺寸缺陷在管體不同位置處產(chǎn)生的檢測信號差異。
二、管端漏磁場差異消除方法
感生磁場對鋼管管端磁化狀態(tài)的影響主要來自鋼管中產(chǎn)生的感生渦流和磁化線圈產(chǎn)生的感生電流，因此，消除管端缺陷漏磁場差異包括兩個(gè)方面內(nèi)容：一方面需要消除當(dāng)鋼管端部進(jìn)入和離開磁化線圈時(shí)由于磁通量劇烈變化而在線圈中產(chǎn)生的感生電流；另一方面需要消除當(dāng)鋼管端部與磁化線圈耦合時(shí)僅存在單一方向感生渦流磁場的影響。
感生磁場會(huì)引起鋼管管端磁化狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)一步導(dǎo)致位于鋼管管頭、管體和管尾的具有相同尺寸的缺陷產(chǎn)生不同的漏磁場強(qiáng)度。如圖5-20所示，在感生磁場的作用下，位于鋼管管頭、管體和管尾處的缺陷C1C2和C3產(chǎn)產(chǎn)生的漏磁場Bc1、Bc2和Bc3的強(qiáng)度依次增大，為消除感生磁場引起的管端漏磁場差異，將感生磁場的影響由鋼管本體轉(zhuǎn)移到延伸區(qū)內(nèi)。如圖5-21所示，在鋼管端部補(bǔ)充鐵磁性物質(zhì)，使鋼管整體長度向兩端延伸，從而在端部發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象將轉(zhuǎn)移到延伸區(qū)內(nèi)。由于延伸區(qū)的存在，當(dāng)鋼管端部進(jìn)入和離開磁化線圈時(shí)，磁化線圈內(nèi)部磁介質(zhì)總量已基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，線圈磁通量保持恒定而不會(huì)產(chǎn)生感生電流；由于在鋼管進(jìn)入?yún)^(qū)和離開區(qū)同時(shí)產(chǎn)生反向的感生渦流磁場，從而減弱了單一方向感生渦流磁場的劇烈影響。將鋼管端部進(jìn)行延伸之后，管端缺陷漏磁場差異與管體相似，僅存在鋼管進(jìn)入?yún)^(qū)和離開區(qū)產(chǎn)生的感生渦流磁場，因此可采用管體缺陷漏磁場差異消除方法進(jìn)一步處理。
圖5-22所示為含有延伸導(dǎo)磁極靴的鋼管自動(dòng)化漏磁檢測設(shè)備，主要包括雙層磁化線圈、管頭延伸極靴、管尾延伸極靴、磁化回路以及探頭陣列等。
當(dāng)鋼管管頭進(jìn)入檢測區(qū)域時(shí)，管頭與管頭導(dǎo)磁延伸極靴形成對接，此時(shí)磁化線圈內(nèi)部鐵磁性物質(zhì)總量變化緩慢，線圈的磁通總量基本保持不變，從而極大地削弱了磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流，如圖5-23所示。同樣，當(dāng)不銹鋼管管尾離開檢測區(qū)域時(shí)，其與管尾導(dǎo)磁延伸極靴對接，此時(shí)，磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流也將大大削弱，如圖5-24所示。
對不銹鋼管整體同尺寸缺陷產(chǎn)生的漏磁場強(qiáng)度差異而言，感生磁場對鋼管管端缺陷漏磁場的影響遠(yuǎn)大于管體。一方面，由于管端進(jìn)入和離開磁化線圈時(shí)，劇烈的磁通量變化會(huì)在線圈中產(chǎn)生較大的感生電流；另一方面，由于僅在鋼管進(jìn)入?yún)^(qū)或者離開區(qū)產(chǎn)生單一方向的感生渦流，相應(yīng)的感生磁場將在管頭減弱并在管尾增強(qiáng)缺陷漏磁場。施加延伸極靴后將鋼管端部的電磁感應(yīng)作用轉(zhuǎn)移到延伸區(qū)，從而可有效削弱感生磁場對鋼管端部缺陷漏磁場的影響。
建立EMT-P48／180 不銹鋼管高速漏磁檢測系統(tǒng)，如圖5-25所示。鋼管漏磁檢測系統(tǒng)包括輸送輥道、磁化電源、磁化線圈和探頭信號系統(tǒng)等。圖5-26所示為輸送輥道，在變壓器控制下實(shí)現(xiàn)變速輸出。圖5-27所示的磁化電源具有恒壓和恒流兩種功能模式，當(dāng)采用恒壓模式時(shí)，磁化線圈中通過的電流為初始磁化電流與線圈感生電流疊加之和；如將磁化電源設(shè)置為恒流模式，電源內(nèi)部的穩(wěn)流模塊電路將對線圈感生電流進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證線圈中通過的電流值始終保持不變。磁化線圈的內(nèi)徑、外徑和厚度分別為400mm、800mm和300mm，線圈總匝數(shù)為5000匝。圖5-28所示為探頭系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼管周向360°全覆蓋檢測。
首先，分析磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流與鋼管運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系。將磁化電源設(shè)置為恒壓模式，電壓設(shè)定為20V，當(dāng)磁化線圈中沒有鋼管時(shí)，線圈內(nèi)部電流為19A。管端缺陷漏磁場差異測試樣管如圖5-29所示，在樣管兩端及中部刻制三個(gè)尺寸相同的圓環(huán)缺陷。如圖5-26所示，利用變頻輸送輥道驅(qū)動(dòng)鋼管分別以速度1.0m／s、1.3m／1.61.9m2.2m/s、2.5m／s通過漏磁檢測設(shè)備。當(dāng)鋼管管頭、管體和管尾分別通過磁化線圈時(shí)，測量線圈中通過的電流值，獲得磁化線圈內(nèi)部通過電流與運(yùn)行速度關(guān)系曲線，如圖5-30所示。
從圖5-30中可以看出，當(dāng)不銹鋼管不同部位運(yùn)動(dòng)至磁化線圈中時(shí)，磁化線圈內(nèi)部通過電流幅值差異較大：管尾處線圈內(nèi)部電流最大，管體次之，管頭最弱；并且，隨著鋼管運(yùn)行速度不斷提升，管頭處線圈內(nèi)部電流不斷減小，管體基本不變，管尾處電流不斷增加，試驗(yàn)結(jié)果與圖5-18所示的仿真結(jié)論吻合。鋼管在進(jìn)入和離開磁化線圈時(shí)，線圈磁通總量發(fā)生劇烈變化而在其中產(chǎn)生感生電流。當(dāng)管體通過磁化線圈時(shí)，由于線圈中磁通量基本不變而無感生電流產(chǎn)生。
進(jìn)一步分析感生磁場對缺陷漏磁場的影響。在恒壓模式下，對處于管頭、管體和管尾的圓環(huán)缺陷進(jìn)行檢測，當(dāng)鋼管運(yùn)行速度為1.0m／s時(shí)檢測信號如圖5-31所示。從圖中可以看出，不同位置處的圓環(huán)缺陷產(chǎn)生的信號幅值不同，其中管尾處缺陷幅值最大，管體次之，管頭處缺陷信號最小。
在恒壓模式下，同尺寸缺陷多樣漏磁場產(chǎn)生源包括磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流和鋼管中的感生渦流。為單獨(dú)分析鋼管中感生渦流對缺陷漏磁場的影響，可將磁化電源設(shè)置為恒流模式以消除磁化線圈感生電流的影響。分別在恒壓和恒流兩種模式下對樣管缺陷進(jìn)行檢測，樣管分別以速度1.0m／s、1.3m／1.6m／s、1.9m／s、2.2m／s和2.5m／s通過檢測設(shè)備并記錄缺陷漏磁信號幅值，最終獲得不同位置圓環(huán)缺陷檢測信號幅值與運(yùn)行速度的關(guān)系曲線，如圖5-32所示。
從圖5-32中可以看出，當(dāng)磁化電源設(shè)置為恒壓模式時(shí)，管尾缺陷信號最強(qiáng)，管體次之，管頭缺陷信號最弱；隨著檢測速度的提高，管頭缺陷信號幅值不斷減弱，管體基本不變，管尾逐漸增加，三者幅值差異逐漸增大。將磁化電源設(shè)置為恒流模式消除磁化線圈感生電流影響之后，同樣，管尾缺陷信號最強(qiáng)，管體其次，管頭最弱。當(dāng)鋼管運(yùn)行速度相同時(shí)，與恒壓模式相比，不同位置缺陷在恒流模式下產(chǎn)生的檢測信號差異更小。
從圖5-32中還可以看出，感生磁場在管端引起的缺陷漏磁場差異遠(yuǎn)大于管體；線圈感生電流磁場引起的管端缺陷漏磁場差異大于鋼管感生渦流磁場；在管體處磁化線圈中幾乎不產(chǎn)生感生電流，管體缺陷漏磁場差異源主要來自不銹鋼管中產(chǎn)生的感生渦流。
根據(jù)圖5-22所示的設(shè)備方案制作了相應(yīng)的管端延伸導(dǎo)磁極靴，如圖5-33所示。將延伸極靴固定在橫向磁化線圈上，在完全相同的條件下進(jìn)行測試，獲得在恒壓模式下磁化線圈內(nèi)部通過電流與運(yùn)行速度的關(guān)系曲線，如圖5-34所示。
從圖5-34中可以看出，磁化線圈電流幅值變化規(guī)律與未施加延伸極靴時(shí)相同，仍然是管頭處電流幅值最小，管體基本不變，而管尾處電流幅值最大，并且隨著運(yùn)行速度的增加，差異逐漸增大。但是，延伸極靴極大地削弱了磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流，與未施加延伸極靴相比，當(dāng)運(yùn)行速度為2.5m／s時(shí)，管頭處線圈電流由10.2A上升至16.2A，管尾處線圈電流由25.8A降為21.9A。
同樣，將磁化電源設(shè)置為恒壓和恒流兩種模式，在施加延伸極靴的情況下，對樣管上不同位置圓環(huán)缺陷進(jìn)行檢測，獲得相應(yīng)漏磁檢測信號幅值與運(yùn)行速度的關(guān)系曲線，如圖5-35所示。
從圖5-35中可以看出，一方面，施加延伸極靴之后缺陷漏磁信號變化規(guī)律與未施加極靴時(shí)相同。感生磁場造成管尾圓環(huán)缺陷漏磁信號強(qiáng)度最高，管體次之，而管頭缺陷漏磁信號強(qiáng)度最低，并且磁化線圈感生電流對管端缺陷檢測信號的影響大于鋼管中的感生渦流。另一方面，由于延伸導(dǎo)磁極靴的作用，感生磁場對端部缺陷漏磁場的影響由鋼管本體轉(zhuǎn)移到延伸極靴上，從而有效削弱了管端缺陷漏磁信號差異。此外，由于延伸極靴降低了整個(gè)磁化回路的磁阻，故從整體上增強(qiáng)了所有缺陷的漏磁信號幅值。
為分析比較延伸導(dǎo)磁極靴的缺陷漏磁場差異消除效果，分別計(jì)算不同運(yùn)行速度下鋼管管端圓環(huán)缺陷漏磁場檢測信號的幅值差異，見表5-1。從表中可以看出，延伸極靴可有效消除感生磁場引起的同尺寸缺陷漏磁場差異。當(dāng)鋼管運(yùn)行速度為2.5m／s時(shí)，磁化電源設(shè)置為恒流模式并施加延伸極靴時(shí)，感生磁場引起的不同位置同尺寸缺陷檢測信號差異為0.45dB，已能滿足鋼管檢測要求。因此，在不銹鋼管漏磁檢測過程中，可根據(jù)鋼管外徑制作對應(yīng)尺寸的延伸導(dǎo)磁極靴，從而可消除由于感生磁場帶來的管端缺陷漏磁場差異。
當(dāng)不銹鋼管管體通過磁化線圈時(shí)，缺陷漏磁場差異主要受鋼管感生渦流磁場的影響。由于進(jìn)入?yún)^(qū)感生渦流磁場與原始磁化場方向相反，而在離開區(qū)兩者方向相同，因此感生渦流造成磁化場分布不均勻，進(jìn)而引起缺陷漏磁場差異。
為消除感生磁場引起的管體同尺寸缺陷漏磁場差異，以圓環(huán)作為標(biāo)定信號源對陣列傳感單元增益進(jìn)行修正，樣管如圖5-36所示。檢測信號系統(tǒng)共32個(gè)通道，初始采集時(shí)各通道增益統(tǒng)一設(shè)置為200，如圖5-37所示。當(dāng)樣管以速度1.0m／s通過檢測探頭時(shí)，獲得編號25～32八個(gè)通道缺陷漏磁信號波形，如圖5-38所示，其中每一條曲線代表一個(gè)通道。從圖中可以看出，標(biāo)定圓環(huán)在各傳感單元中產(chǎn)生的漏磁信號幅值不同。進(jìn)一步，將目標(biāo)信號幅值Vs設(shè)置為90，根據(jù)式（5-12）算法獲得各通道的修正參數(shù)，如圖5-39所示。將標(biāo)定圓環(huán)再次以相同速度通過橫向檢測系統(tǒng)時(shí)獲得如圖5-40所示的檢測信號，其中一條曲線為一個(gè)通道。從圖中可以看出，經(jīng)過增益修正之后，各通道之間的缺陷信號差異基本得到消除。
當(dāng)不銹鋼管通過磁化線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種電磁感應(yīng)現(xiàn)象：一方面，鋼管電介質(zhì)切割磁力線而產(chǎn)生感生渦流；另一方面，磁化線圈由于內(nèi)部鋼管磁介質(zhì)總量發(fā)生變化而產(chǎn)生感生電流。鋼管感生渦流和線圈感生電流產(chǎn)生的磁場會(huì)改變磁化場的強(qiáng)度與分布，進(jìn)一步改變鋼管的磁化狀態(tài)，最終導(dǎo)致不同位置的同尺寸缺陷產(chǎn)生不同的漏磁場。可得出以下結(jié)論：
1. 不銹鋼管電介質(zhì)通過磁化線圈時(shí)，在進(jìn)入?yún)^(qū)內(nèi)形成與原始磁化電流方向相反的感生渦流；在離開區(qū)形成與原始磁化電流方向相同的感生渦流；在中間區(qū)域基本沒有感生渦流產(chǎn)生。
2. 當(dāng)不銹鋼管管頭進(jìn)入磁化線圈時(shí)，線圈中形成與原始磁化電流方向相反的感生電流；隨著鋼管進(jìn)一步深入磁化線圈，當(dāng)管體通過磁化線圈時(shí)，線圈中無感生電流產(chǎn)生；當(dāng)管尾離開磁化線圈時(shí)，線圈中無感生電流產(chǎn)生；當(dāng)管尾離開磁化線圈時(shí)，線圈中產(chǎn)生與原始磁化電流方向相同的感生電流。
3. 管體同尺寸缺陷漏磁場差異主要來自鋼管內(nèi)部的感生渦流磁場的影響。在進(jìn)入?yún)^(qū)，感生磁場與原始磁化場方向相反；在離開區(qū)，感生磁場與原始磁化場方向相同。從而使得鋼管離開區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度高于進(jìn)入?yún)^(qū)，最終導(dǎo)致位于離開區(qū)的缺陷漏磁場強(qiáng)度高于進(jìn)入?yún)^(qū)的缺陷漏磁場強(qiáng)度。
4. 管端同尺寸缺陷漏磁場差異同時(shí)受到鋼管內(nèi)部感生渦流和磁化線圈感生電流的影響。當(dāng)鋼管管頭進(jìn)入磁化線圈時(shí)，鋼管內(nèi)部感生渦流和磁化線圈感生電流產(chǎn)生的磁場均與原始磁化場方向相反，從而降低了鋼管管頭磁感應(yīng)強(qiáng)度；當(dāng)管尾離開磁化線圈時(shí)，鋼管內(nèi)部感生渦流和磁化線圈感生電流產(chǎn)生的磁場均與原始磁化場方向相同，從而增強(qiáng)了管尾磁感應(yīng)強(qiáng)度。最終，感生磁場導(dǎo)致位于鋼管管頭、管體和管尾處的同尺寸缺陷形成了依次增加的漏磁場強(qiáng)度。
5. 為實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行時(shí)不銹鋼管同尺寸缺陷的一致性檢測與評價(jià)，基于陣列傳感單元增益修正和延伸導(dǎo)磁極靴的檢測方法可消除同尺寸缺陷漏磁場差異，使得同尺寸缺陷在管體和管端處產(chǎn)生相同的漏磁檢測信號。
6. 此外，在研究磁化線圈內(nèi)部感生電流形成機(jī)制及變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，可采取在管頭處提前增加磁化電流并在管尾處提前減小磁化電流的控制方式，用于抵消線圈中的感生電流，從而可有效提高磁化電流的穩(wěn)定性。
