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(yi)、壁(bi)厚(hou)不均的磁場分布(bu)
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(bu)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(fen)界(jie)面上磁(ci)力線作用過(guo)程進(jin)行梳(shu)理，主要歸納(na)為磁(ci)力線在鋼／空(kong)氣(qi)(qi)、空(kong)氣(qi)(qi)／鋼界(jie)面上的折射作用。由麥克斯韋方(fang)程組和(he)電(dian)磁(ci)場邊值條件可獲得磁(ci)力線在兩介質分(fen)界(jie)面上的磁(ci)折射作用方(fang)程：
式中為垂(chui)直于分(fen)界(jie)面的(de)單位矢量；B1(H1)和B2(H2)分(fen)別為介質(zhi)1和介質(zhi)2內的(de)磁(ci)感應強度（磁(ci)場強度）；為分(fen)界(jie)面上的(de)電流線密度。
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（4-12），由于(yu)鋼介(jie)質(zhi)磁(ci)(ci)導率(lv)遠(yuan)遠(yuan)大(da)于(yu)空(kong)氣介(jie)質(zhi)磁(ci)(ci)導率(lv)，即，因此(ci)磁(ci)(ci)力(li)(li)線(xian)與分(fen)界(jie)(jie)面法(fa)向在(zai)磁(ci)(ci)介(jie)質(zhi)中(zhong)的夾(jia)角大(da)于(yu)在(zai)空(kong)氣介(jie)質(zhi)中(zhong)的夾(jia)角，即由于(yu)磁(ci)(ci)化場方向平(ping)行于(yu)鋼管(guan)表(biao)面，因此(ci)，在(zai)鋼／空(kong)氣分(fen)界(jie)(jie)面附近，磁(ci)(ci)力(li)(li)線(xian)在(zai)鋼介(jie)質(zhi)中(zhong)幾乎平(ping)行于(yu)分(fen)界(jie)(jie)面，而(er)在(zai)空(kong)氣介(jie)質(zhi)中(zhong)磁(ci)(ci)力(li)(li)線(xian)幾乎與分(fen)界(jie)(jie)面垂直，如圖4-36a所示(shi)。同(tong)樣，根據式（4-12）可獲得磁(ci)(ci)力(li)(li)線(xian)在(zai)空(kong)氣／鋼分(fen)界(jie)(jie)面上(shang)的傳(chuan)遞路徑，如圖4-36b所示(shi)。
根據圖(tu)(tu)4-36所示的(de)磁(ci)(ci)折射原理(li)，并結合圖(tu)(tu)4-35所示的(de)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)減(jian)薄(bo)磁(ci)(ci)力線作用過程(cheng)①和(he)(he)②，以及壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)增(zeng)大(da)磁(ci)(ci)力線作用過程(cheng)①和(he)(he)②，可分別獲得壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)減(jian)薄(bo)與壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)增(zeng)大(da)產生(sheng)的(de)擾動背景磁(ci)(ci)場B1和(he)(he)B2的(de)分布特性，如圖(tu)(tu)4-37所示。從圖(tu)(tu)中(zhong)可以看(kan)出，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)減(jian)薄(bo)與壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)增(zeng)大(da)形成了方(fang)向(xiang)相反的(de)擾動背景磁(ci)(ci)場：在壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)減(jian)薄(bo)處，部分磁(ci)(ci)力線泄漏出鋼管(guan)表面；而(er)在壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)(hou)增(zeng)大(da)處的(de)外部磁(ci)(ci)力線被吸收(shou)入鋼管(guan)內(nei)部。
磁(ci)場(chang)特(te)性(xing)(xing)通(tong)過(guo)磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線表征：①. 磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線形(xing)成閉合(he)路徑；②. 磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線具有彈性(xing)(xing)且不交叉；③. 磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線存(cun)在(zai)相互(hu)擠(ji)壓作用；④. 磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線總是走磁(ci)阻最小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)的路徑。當鋼(gang)管(guan)壁厚(hou)均勻(yun)時，磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線均勻(yun)通(tong)過(guo)管(guan)壁截面(mian)，磁(ci)感(gan)應強度為；如圖4-37所示，當鋼(gang)管(guan)壁厚(hou)減(jian)(jian)薄(bo)時，磁(ci)化場(chang)磁(ci)通(tong)路徑由(you)Z。減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)到(dao)(dao)(dao)，磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線之間的相互(hu)擠(ji)壓作用使(shi)得小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)部(bu)分磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線折射(she)入空氣中(zhong)，而絕大(da)(da)部(bu)分磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線通(tong)過(guo)磁(ci)阻更小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)的鋼(gang)介質，造(zao)成磁(ci)感(gan)應強度由(you)Bo增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)(dao)(dao)近似BoZo/(Zo-Zdec)；同樣，當壁厚(hou)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)、磁(ci)通(tong)路徑由(you)Z。增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)到(dao)(dao)(dao)Zo+Zinc時，磁(ci)力(li)(li)(li)(li)線會(hui)基本均勻(yun)分布于整(zheng)個壁厚(hou)截面(mian)，造(zao)成磁(ci)感(gan)應強度由(you)Bo減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)到(dao)(dao)(dao)近似
建立如(ru)圖(tu)4-38所示的仿真(zhen)(zhen)模型，不(bu)銹鋼管外徑(jing)為(wei)250mm，壁厚(hou)為(wei)20mm，長(chang)度(du)(du)為(wei)1200mm，材質為(wei)25鋼。磁化線圈內徑(jing)為(wei)290mm，外徑(jing)為(wei)590mm，厚(hou)度(du)(du)為(wei)300mm，磁化電(dian)流密度(du)(du)i＝。仿真(zhen)(zhen)中(zhong)分(fen)別用減薄、均勻(yun)和(he)(he)增大三(san)種(zhong)壁厚(hou)特(te)性(xing)進行對(dui)比，其中(zhong)壁厚(hou)減薄和(he)(he)增大程(cheng)度(du)(du)均為(wei)12.5％，獲得不(bu)同壁厚(hou)特(te)性(xing)形成的背景磁場和(he)(he)磁感應強度(du)(du)分(fen)布，如(ru)圖(tu)4-39和(he)(he)圖(tu)4-40所示。
圖(tu)4-39所(suo)示的鋼(gang)管(guan)壁(bi)厚(hou)變化產(chan)生(sheng)的背(bei)(bei)景磁(ci)場仿真(zhen)結果與圖(tu)4-37所(suo)示的理論分(fen)析結論吻合(he)：壁(bi)厚(hou)減(jian)薄(bo)形(xing)(xing)成鋼(gang)／空(kong)氣(qi)和(he)空(kong)氣(qi)／鋼(gang)分(fen)界面，進(jin)而產(chan)生(sheng)從鋼(gang)管(guan)管(guan)壁(bi)向空(kong)氣(qi)中泄漏磁(ci)力線的背(bei)(bei)景磁(ci)場；壁(bi)厚(hou)均勻形(xing)(xing)成的背(bei)(bei)景磁(ci)場與鋼(gang)管(guan)表(biao)面近似平行；壁(bi)厚(hou)增大(da)形(xing)(xing)成空(kong)氣(qi)／鋼(gang)和(he)鋼(gang)／空(kong)氣(qi)分(fen)界面，進(jin)而形(xing)(xing)成從外部(bu)空(kong)氣(qi)中吸引磁(ci)力線進(jin)入(ru)鋼(gang)管(guan)內(nei)部(bu)的背(bei)(bei)景磁(ci)場。另(ling)外，壁(bi)厚(hou)變化使磁(ci)化場磁(ci)通路(lu)徑發生(sheng)改變，鋼(gang)管(guan)壁(bi)厚(hou)減(jian)薄(bo)、均勻和(he)增大(da)部(bu)位形(xing)(xing)成不同的磁(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)，分(fen)別為(wei)2.2844T、2.1474T和(he)1.9473T，如圖(tu)4-40所(suo)示。由此可見，與鋼(gang)管(guan)壁(bi)厚(hou)均勻相比，壁(bi)厚(hou)減(jian)薄(bo)與增大(da)會形(xing)(xing)成不同的擾動背(bei)(bei)景磁(ci)場和(he)磁(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)。
二、壁(bi)厚不均對缺陷漏磁場的影響(xiang)
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(xiu)鋼管缺陷漏磁場測量原理。
從本(ben)質上講，磁(ci)(ci)(ci)敏傳(chuan)感(gan)器(qi)所(suo)測量的(de)缺(que)陷(xian)總漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)由三部分磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)疊加而成，包括(kuo)磁(ci)(ci)(ci)化線圈(quan)在(zai)鋼(gang)管表面處形成的(de)初始背景(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)，鋼(gang)管壁(bi)厚變(bian)化產生的(de)擾動背景(jing)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)以及缺(que)陷(xian)產生的(de)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)，即
式(shi)中，為(wei)(wei)傳感器測量的總漏磁(ci)場；Bo(r,z)為(wei)(wei)磁(ci)化線圈產生(sheng)的初始背景磁(ci)場；Bwallz)為(wei)(wei)壁厚變(bian)化形成的擾(rao)動背景磁(ci)場；為(wei)(wei)缺陷(xian)漏磁(ci)場。進一步將式(shi)（4-13）按徑向和軸向進行(xing)矢量分解，即
磁(ci)(ci)化線圈在測(ce)(ce)點(dian)(dian)處形成的初(chu)始背景磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)在檢(jian)測(ce)(ce)過程(cheng)中基(ji)本(ben)不(bu)發生變(bian)化。然而(er)不(bu)同壁厚特性會(hui)產生不(bu)同的擾動背景磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)，其疊(die)加于缺(que)陷漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)之后會(hui)影響測(ce)(ce)點(dian)(dian)處總磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)的分(fen)布。結合圖(tu)4-41所示(shi)的鋼管缺(que)陷漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)測(ce)(ce)量原理，對測(ce)(ce)點(dian)(dian)處各(ge)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)進(jin)行(xing)矢量分(fen)解，如圖(tu)4-42所示(shi)。
圖(tu)4-42a所示為(wei)壁(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)(bo)不銹鋼管表(biao)面磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)矢量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)解圖(tu)，從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出，缺陷(xian)(xian)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)Brmnl與壁(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)(bo)擾動背景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)Brvall方向相(xiang)(xiang)同，而與磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)初(chu)(chu)始背景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)B,01方向相(xiang)(xiang)反(fan)；缺陷(xian)(xian)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)、壁(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)(bo)擾動背景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)和(he)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)初(chu)(chu)始背景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)三者的(de)軸(zhou)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)方向相(xiang)(xiang)同，從(cong)而可(ke)獲得壁(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)(bo)鋼管表(biao)面缺陷(xian)(xian)總(zong)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)Brmsl和(he)軸(zhou)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)Bzmsl如(ru)式(shi)（4-）和(he)式(shi)（4-17）所示。可(ke)以(yi)看(kan)出，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)初(chu)(chu)始背景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)削弱了缺陷(xian)(xian)總(zong)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)強度(du)，并增(zeng)強了缺陷(xian)(xian)總(zong)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)軸(zhou)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)強度(du)；壁(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)(bo)形成的(de)背景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)對缺陷(xian)(xian)總(zong)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)徑(jing)(jing)向和(he)軸(zhou)向分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)均具有增(zeng)強作用(yong)。
圖4-42b所示(shi)為壁厚(hou)(hou)均勻(yun)(yun)不銹鋼管表面磁場(chang)(chang)(chang)矢(shi)量分解圖，由于不存在壁厚(hou)(hou)變化(hua)形成的擾動背(bei)(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)(chang)，缺(que)(que)陷(xian)總(zong)漏(lou)磁場(chang)(chang)(chang)由磁化(hua)線(xian)圈產生的背(bei)(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)(chang)和(he)(he)缺(que)(que)陷(xian)漏(lou)磁場(chang)(chang)(chang)矢(shi)量合成。其中，缺(que)(que)陷(xian)漏(lou)磁場(chang)(chang)(chang)與初(chu)始(shi)背(bei)(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)(chang)徑向分量方向相反，軸(zhou)向分量方向相同，從而(er)可獲得壁厚(hou)(hou)均勻(yun)(yun)時缺(que)(que)陷(xian)總(zong)漏(lou)磁場(chang)(chang)(chang)徑向和(he)(he)軸(zhou)向分量Brmw2和(he)(he)Bzms2，如式（）和(he)(he)式（419）所示(shi)。同樣，磁化(hua)線(xian)圈初(chu)始(shi)背(bei)(bei)景(jing)磁場(chang)(chang)(chang)削弱了缺(que)(que)陷(xian)總(zong)漏(lou)磁場(chang)(chang)(chang)徑向分量強(qiang)度，而(er)對其軸(zhou)向漏(lou)磁場(chang)(chang)(chang)分量具(ju)有增強(qiang)作用。
圖4-42c所示為壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)增大(da)(da)不(bu)銹鋼管表面磁(ci)場(chang)(chang)(chang)矢(shi)量(liang)分(fen)解圖，缺陷(xian)漏磁(ci)場(chang)(chang)(chang)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)Bmm壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)增大(da)(da)擾(rao)(rao)動(dong)(dong)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)BrwlB和(he)磁(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)初(chu)(chu)始(shi)(shi)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)B,m西者方向(xiang)(xiang)(xiang)均相(xiang)l"^u反；缺陷(xian)漏磁(ci)場(chang)(chang)(chang)、壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)增大(da)(da)擾(rao)(rao)動(dong)(dong)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)和(he)磁(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)初(chu)(chu)始(shi)(shi)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)三者的(de)軸向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)方向(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)同(tong)，從(cong)而(er)(er)可(ke)獲(huo)得(de)壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)增大(da)(da)時(shi)缺陷(xian)總漏磁(ci)場(chang)(chang)(chang)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)B,ma3和(he)軸向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)B4m3如式(shi)（4）和(he)式(shi)（4-21）所示。可(ke)以看出，磁(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)初(chu)(chu)始(shi)(shi)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)與壁(bi)厚(hou)(hou)(hou)增大(da)(da)擾(rao)(rao)動(dong)(dong)背(bei)(bei)景(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)對缺陷(xian)總漏磁(ci)場(chang)(chang)(chang)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)同(tong)時(shi)具(ju)有(you)(you)削弱(ruo)作(zuo)用(yong)，而(er)(er)對其軸向(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)量(liang)同(tong)時(shi)具(ju)有(you)(you)增強作(zuo)用(yong)。
進一步(bu)，采圖4-38所示模型仿真研究壁(bi)厚變化(hua)形成的背景(jing)磁場(chang)分布特(te)性。磁場(chang)提(ti)取路徑(jing)ム、2和(he)的提(ti)離值(zhi)均(jun)為2mm，如圖4-43所示。通(tong)過數值(zhi)有限元仿真計算壁(bi)厚減(jian)薄、壁(bi)厚均(jun)勻和(he)壁(bi)厚增大時鋼管表面磁場(chang)的徑(jing)向和(he)軸向分量，如圖4-44所示。
由于不存(cun)在(zai)缺陷漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)，此(ci)時不銹鋼(gang)管(guan)(guan)表面形(xing)成由磁(ci)(ci)(ci)化線(xian)圈初(chu)始背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)和(he)壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)變化擾動背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)疊(die)加(jia)而(er)成的(de)(de)背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)，即中(zhong)(zhong)可以看出，壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)、壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)均(jun)勻和(he)壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增(zeng)大形(xing)成的(de)(de)背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)軸(zhou)向(xiang)分(fen)量(liang)的(de)(de)方向(xiang)相(xiang)同，但(dan)強(qiang)度存(cun)在(zai)差異：壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)B強(qiang)度最大，壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)均(jun)勻Brm2強(qiang)度次之，壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增(zeng)大Brma3強(qiang)度最弱。壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)徑向(xiang)分(fen)量(liang)與壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)均(jun)勻Bma2以及壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增(zeng)大Bm3方向(xiang)相(xiang)反，其中(zhong)(zhong)壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)均(jun)勻徑向(xiang)分(fen)量(liang)強(qiang)度微弱。究其原因，與壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)均(jun)勻相(xiang)比，壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減薄(bo)形(xing)成由鋼(gang)管(guan)(guan)內部向(xiang)空（中(zhong)(zhong)泄漏磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)的(de)(de)背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)，而(er)壁(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增(zeng)大則(ze)產(chan)生從(cong)外部空中(zhong)(zhong)吸引磁(ci)(ci)(ci)力線(xian)進人鋼(gang)管(guan)(guan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)，從(cong)而(er)使得鋼(gang)管(guan)(guan)表面的(de)(de)總背(bei)景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)軸(zhou)向(xiang)分(fen)量(liang)強(qiang)度滿(man)足關系：并且(qie)徑向(xiang)分(fen)量(liang)Brmsl與Brmm3方向(xiang)相(xiang)反。
下面以缺陷(xian)漏(lou)磁場(chang)(chang)軸向分(fen)量(liang)為(wei)(wei)討論對象(xiang)，研(yan)究相(xiang)同(tong)尺寸缺陷(xian)在不(bu)同(tong)壁厚下產生(sheng)的(de)總漏(lou)磁場(chang)(chang)差異。仿真模型(xing)如圖(tu)4-45所示(shi)，其中缺陷(xian)寬度和(he)深度分(fen)別為(wei)(wei)4mm和(he)6mm，建立(li)提離值均為(wei)(wei)2mm的(de)磁場(chang)(chang)拾取路(lu)徑l4、ls和(he)l6，并通過仿真計(ji)算獲得相(xiang)應的(de)軸向分(fen)量(liang)Bzms4、Bzms5和(he)Bzms6，如圖(tu)4-46所示(shi)。
從仿真結(jie)果可以看出，相同尺寸(cun)缺(que)陷(xian)在(zai)不(bu)同壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)特性(xing)處產(chan)生(sheng)的總(zong)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)強(qiang)度(du)差異較大(da)(da)：壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)處的缺(que)陷(xian)總(zong)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)軸(zhou)向分量Bzms4最大(da)(da)，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)均勻(yun)(yun)B2ms5次之，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增(zeng)大(da)(da)Bzms6信號最弱。究其原(yuan)因包(bao)括：①. 不(bu)同壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)變(bian)化(hua)會(hui)在(zai)鋼(gang)管表面產(chan)生(sheng)不(bu)同的擾動(dong)背景磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，疊加于缺(que)陷(xian)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)之后會(hui)造成不(bu)同程度(du)的基線漂移，如圖(tu)4-46所示，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)、壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)均勻(yun)(yun)和壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增(zeng)大(da)(da)處產(chan)生(sheng)的缺(que)陷(xian)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)軸(zhou)向分量處于不(bu)同的基線上；②. 壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)變(bian)化(hua)使磁(ci)(ci)(ci)化(hua)場(chang)磁(ci)(ci)(ci)通路(lu)徑發(fa)生(sheng)改變(bian)，壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)減(jian)薄(bo)(bo)、壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)均勻(yun)(yun)與(yu)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)增(zeng)大(da)(da)處形成依次減(jian)弱的磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)，進而(er)產(chan)生(sheng)不(bu)同強(qiang)度(du)的缺(que)陷(xian)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)。
三、消除壁厚不均(jun)影響(xiang)的方法
為實現在(zai)不同(tong)壁(bi)厚(hou)特(te)性(xing)處的相同(tong)尺寸缺陷的一致性(xing)評價(jia)，一方面(mian)需要(yao)消除壁(bi)厚(hou)變化產生的背景磁場，另一方面(mian)需要(yao)消除由于壁(bi)厚(hou)變化引起(qi)的磁感應強度差(cha)(cha)異。為此，提出基(ji)于陣列(lie)式差(cha)(cha)動(dong)傳感布置和(he)深(shen)度飽和(he)磁化方法(fa)，用于消除壁(bi)厚(hou)不均引起(qi)的漏磁場差(cha)(cha)異。
1. 背景磁(ci)場消除方法
不銹(xiu)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(bi)厚變(bian)化主要為(wei)(wei)緩慢變(bian)化的(de)(de)(de)大面積(ji)鋼管損失或增加，從而傳(chuan)感(gan)器(qi)單(dan)元S；和(he)(he)Si-1所處空(kong)間位置的(de)(de)(de)鋼管壁(bi)厚特性基本(ben)相(xiang)同，進(jin)一步傳(chuan)感(gan)器(qi)單(dan)元S；和(he)(he)S;-1拾取(qu)的(de)(de)(de)背景磁(ci)(ci)場(chang)Bzwall也基本(ben)相(xiang)同。設(she)傳(chuan)感(gan)器(qi)S；和(he)(he)拾取(qu)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)軸向(xiang)分量(liang)分別為(wei)(wei)B2i和(he)(he)，并(bing)且局部(bu)橫向(xiang)缺陷經過傳(chuan)感(gan)器(qi)Si，根據式（4-15），Bi和(he)(he)可表示為(wei)(wei)
式中，Bswall為壁厚變(bian)化(hua)產生(sheng)的(de)(de)擾動背(bei)景磁(ci)場(chang)軸向分(fen)量(liang)；Bzmn為缺(que)陷(xian)漏磁(ci)場(chang)軸向分(fen)量(liang)；Bo為磁(ci)化(hua)線(xian)圈形成(cheng)的(de)(de)初始背(bei)景磁(ci)場(chang)軸向分(fen)量(liang)。將(jiang)傳(chuan)感器S；和-測量(liang)的(de)(de)磁(ci)場(chang)軸向分(fen)量(liang)進行(xing)差分(fen)處理，即(ji)
通過式(shi)（4-24）可知，經過差(cha)分(fen)處理(li)(li)之后的漏(lou)磁場檢(jian)測信號(hao)等于缺(que)陷漏(lou)磁場軸(zhou)向(xiang)分(fen)量(liang)Bzcko將圖(tu)4-46和圖(tu)4-44所(suo)示的缺(que)陷總漏(lou)磁場軸(zhou)向(xiang)分(fen)量(liang)和背景(jing)磁場軸(zhou)向(xiang)分(fen)量(liang)進行差(cha)分(fen)處理(li)(li)，即：Bzms2和可獲得如圖(tu)4-48所(suo)示的漏(lou)磁場檢(jian)測信號(hao)。從(cong)圖(tu)中可以看出(chu)，經過差(cha)分(fen)處理(li)(li)之后，相同尺(chi)寸缺(que)陷在壁厚(hou)(hou)減薄、壁厚(hou)(hou)均勻和壁厚(hou)(hou)增大處產生(sheng)的漏(lou)磁場檢(jian)測信號(hao)Bzck4、Bzcks和Bzck6處于同一基線上，從(cong)而有效消(xiao)除(chu)了(le)壁厚(hou)(hou)變(bian)化(hua)產生(sheng)的背景(jing)磁場。同樣，將傳感器S，和Sj-1拾(shi)取的磁場軸(zhou)向(xiang)分(fen)量(liang)進行差(cha)分(fen)處理(li)(li)可有效消(xiao)除(chu)橫向(xiang)壁厚(hou)(hou)變(bian)化(hua)產生(sheng)的背景(jing)磁場，即
2. 磁感應強度差異消(xiao)除方法
從圖4-48中可(ke)以(yi)看(kan)出，在(zai)消除(chu)背景磁(ci)(ci)(ci)(ci)場后，處于(yu)不同壁厚特性處的(de)(de)相(xiang)同尺寸缺陷產生的(de)(de)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場檢測信號仍存(cun)在(zai)較(jiao)大差異(yi)。為此，提出一種(zhong)深度飽和磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)方(fang)法(fa)，用(yong)于(yu)消除(chu)壁厚變化(hua)引起(qi)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)感應強度差異(yi)。根據線磁(ci)(ci)(ci)(ci)偶極子模型(xing)，建立矩形缺陷漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場Bmn的(de)(de)表達(da)式(shi)為
Bmn=2/·f(b,d) (4-26) 式中，f(b,d，d）為(wei)缺陷的寬度(du)(du)與深度(du)(du)參數(shu)方程；M為(wei)磁化強度(du)(du)矢量。
由式（4-26）可知，當尺(chi)寸大小確定時，缺陷產生(sheng)的漏(lou)磁場強度主要由不銹(xiu)鋼管磁化強度決定。
在外加磁化(hua)(hua)(hua)場強(qiang)度逐步增大的過程中，不銹鋼管內部(bu)依(yi)次(ci)將發生磁疇壁移動和(he)磁矩轉(zhuan)動，磁化(hua)(hua)(hua)強(qiang)度M從(cong)零逐漸(jian)增大，當所有磁疇的磁矩都轉(zhuan)到與外場方向相(xiang)同時(shi)，磁化(hua)(hua)(hua)強(qiang)度M達到最大值(zhi)。因此，如果使得(de)檢(jian)測區域內鋼管磁化(hua)(hua)(hua)強(qiang)度處于(yu)最大值(zhi)，則可使相(xiang)同尺寸缺陷產生相(xiang)同強(qiang)度的漏磁場。采用(yong)圖(tu)4-45所示的模型仿真計算不同壁厚(hou)特(te)性(xing)部(bu)位磁化(hua)(hua)(hua)強(qiang)度與勵(li)(li)磁電流(liu)密(mi)度的關系曲線(xian)，如圖(tu)4-49所示。從(cong)圖(tu)中可以看出，在勵(li)(li)磁電流(liu)密(mi)度較弱時(shi)，不同壁厚(hou)特(te)性(xing)部(bu)位磁化(hua)(hua)(hua)強(qiang)度差(cha)異較大，其中壁厚(hou)減薄(bo)磁(ci)化強度(du)M21最(zui)大(da)，壁(bi)厚(hou)均勻M2次之，壁(bi)厚(hou)增(zeng)(zeng)大(da)M3最(zui)小(xiao)。隨(sui)著勵磁(ci)電流密度(du)的進一步(bu)增(zeng)(zeng)強，磁(ci)化強度(du)差異逐(zhu)漸減小(xiao)，并最(zui)終到(dao)達相同的幅(fu)值而保持不變。
進一步比較(jiao)(jiao)位(wei)于(yu)不同壁厚(hou)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)處(chu)的(de)(de)缺(que)陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場軸向分量檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)幅值與勵(li)磁(ci)(ci)(ci)電流(liu)密度的(de)(de)關系曲線(xian)，如圖4-50所示。其(qi)中，B24、B25和(he)B6分別為壁厚(hou)減(jian)薄、壁厚(hou)均(jun)勻和(he)壁厚(hou)增大處(chu)鋼管表面的(de)(de)缺(que)陷總磁(ci)(ci)(ci)場軸向分量，其(qi)包含了磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈產生(sheng)的(de)(de)初始背景磁(ci)(ci)(ci)場、壁厚(hou)變化(hua)形成的(de)(de)擾動背景磁(ci)(ci)(ci)場以及缺(que)陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)場。進一步通(tong)過差分處(chu)理消除(chu)背景磁(ci)(ci)(ci)場，從(cong)而獲(huo)得(de)位(wei)于(yu)不同壁厚(hou)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)處(chu)的(de)(de)缺(que)陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)B＇4、B's和(he)B'6。從(cong)圖4-50中可(ke)以看(kan)出，在漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)方法(fa)常(chang)用(yong)的(de)(de)近(jin)飽和(he)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)區，不銹(xiu)鋼管壁厚(hou)不均(jun)引起較(jiao)(jiao)大的(de)(de)缺(que)陷漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)差異；但(dan)在深(shen)度飽和(he)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)區，相同尺寸缺(que)陷可(ke)獲(huo)得(de)相同的(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)信號(hao)，從(cong)而可(ke)實現處(chu)于(yu)不同壁厚(hou)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)處(chu)的(de)(de)相同尺寸缺(que)陷的(de)(de)一致(zhi)性(xing)(xing)(xing)檢(jian)測(ce)(ce)與評價。
進一步討(tao)論不(bu)銹鋼管壁厚(hou)變化對缺陷(xian)漏磁(ci)場的影響，對內(nei)外加(jia)厚(hou)鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿孔缺陷(xian)進行漏磁(ci)檢測(ce)試驗。內(nei)外加(jia)厚(hou)鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿幾何結構尺寸如圖(tu)4-51所(suo)示，鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿桿體、過渡區和(he)加(jia)厚(hou)區的壁厚(hou)不(bu)同。在鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿不(bu)同壁厚(hou)部(bu)位處刻制尺寸相同的不(bu)通孔，直(zhi)徑和(he)深度分別(bie)為1.6mm和(he)3.0mm。鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿漏磁(ci)檢測(ce)試驗平臺如圖(tu)4-52所(suo)示，其由穿過式磁(ci)化線圈、勵磁(ci)電源(yuan)、傳感器、鉆(zhan)(zhan)(zhan)桿、支撐(cheng)輪、采集(ji)卡和(he)帶有(you)數據分析軟件的計算(suan)機組成。
檢測過(guo)程中(zhong)，保持磁(ci)場(chang)(chang)(chang)傳感(gan)器與鉆(zhan)桿表面提離值恒定(ding)為(wei)0.5mm，并(bing)使鉆(zhan)桿以(yi)(yi)0.5m／s勻(yun)速沿(yan)軸向(xiang)移動。如圖(tu)4-53所示，傳感(gan)器拾(shi)取路(lu)徑(jing)分兩種：路(lu)徑(jing)①所拾(shi)取的(de)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)為(wei)無缺陷(xian)(xian)(xian)背(bei)(bei)景(jing)(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)，主要為(wei)壁厚變化和(he)磁(ci)化線(xian)圈產生的(de)背(bei)(bei)景(jing)(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)；路(lu)徑(jing)②測量的(de)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)包含背(bei)(bei)景(jing)(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)以(yi)(yi)及缺陷(xian)(xian)(xian)漏磁(ci)場(chang)(chang)(chang)。試(shi)驗中(zhong)，沿(yan)路(lu)徑(jing)①和(he)②往復掃查(cha)過(guo)渡(du)區(qu)并(bing)獲得相應的(de)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)軸向(xiang)分量檢測信號(hao)(hao)，如圖(tu)4-54和(he)圖(tu)4-55所示。從圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)(yi)看(kan)出，過(guo)渡(du)區(qu)壁厚變化形(xing)成(cheng)了較大幅值的(de)背(bei)(bei)景(jing)(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)信號(hao)(hao)。當傳感(gan)器掃查(cha)過(guo)渡(du)區(qu)缺陷(xian)(xian)(xian)時(shi)，缺陷(xian)(xian)(xian)漏磁(ci)信號(hao)(hao)疊加于(yu)背(bei)(bei)景(jing)(jing)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)信號(hao)(hao)之上(shang)，形(xing)成(cheng)基(ji)線(xian)偏(pian)移。
為消除鉆桿(gan)過渡區壁厚變化引起的(de)背景磁場(chang)，采(cai)用差分(fen)式傳感(gan)檢測方(fang)式對缺(que)陷進行(xing)掃(sao)查，即將(jiang)路徑①和路徑②處(chu)的(de)兩個傳感(gan)器檢測信號(hao)進行(xing)差分(fen)輸出(chu)，獲得如圖(tu)4-56所示差分(fen)式缺(que)陷漏(lou)磁信號(hao)。從圖(tu)中可以看出(chu)，采(cai)用差分(fen)式傳感(gan)器布置方(fang)法可基(ji)本(ben)消除基(ji)線(xian)漂移，從而(er)消除了由背景磁場(chang)引起的(de)缺(que)陷漏(lou)磁場(chang)差異。
進(jin)一步(bu)采用(yong)差分式(shi)傳(chuan)感布置(zhi)(zhi)法對不通(tong)(tong)孔H1、H2和(he)H3進(jin)行檢測(ce)。在常規的(de)(de)(de)磁(ci)化條件下，由于磁(ci)化場(chang)(chang)磁(ci)通(tong)(tong)路徑不同(tong)，鉆桿(gan)桿(gan)體、過渡(du)區(qu)和(he)加厚區(qu)會形成不同(tong)的(de)(de)(de)磁(ci)感應強度，進(jin)一步(bu)使(shi)得(de)不同(tong)位(wei)置(zhi)(zhi)不通(tong)(tong)孔產(chan)生(sheng)不同(tong)的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)(chang)強度。為(wei)驗證深度飽和(he)磁(ci)化法的(de)(de)(de)有(you)效性，采用(yong)差分式(shi)傳(chuan)感布置(zhi)(zhi)法，試驗獲得(de)不通(tong)(tong)孔H1、H2和(he)H3產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)(chang)軸(zhou)向分量信(xin)號幅值B21B22和(he)B3與磁(ci)化電流的(de)(de)(de)關系曲線，如圖4-57所示。
從(cong)(cong)圖4-57中可以看(kan)出，當磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化電(dian)流(liu)較小時，桿(gan)體處不(bu)通(tong)(tong)(tong)孔(kong)(kong)H3漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)信(xin)(xin)號強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)最(zui)大，過渡區(qu)不(bu)通(tong)(tong)(tong)孔(kong)(kong)H2信(xin)(xin)號強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)次之，加厚區(qu)不(bu)通(tong)(tong)(tong)孔(kong)(kong)H1信(xin)(xin)號強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)最(zui)小；隨著磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化電(dian)流(liu)的(de)(de)不(bu)斷增(zeng)(zeng)大，三處不(bu)通(tong)(tong)(tong)孔(kong)(kong)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)信(xin)(xin)號強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)不(bu)斷增(zeng)(zeng)加且差異逐漸減小；當磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化電(dian)流(liu)增(zeng)(zeng)加到45A之后，三處不(bu)通(tong)(tong)(tong)孔(kong)(kong)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測信(xin)(xin)號基本相(xiang)等并保(bao)持不(bu)變。在對(dui)鉆桿(gan)進行深(shen)度(du)(du)(du)(du)(du)飽和磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化后，由于缺(que)陷處所有磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)疇的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)矩都翻轉到與外(wai)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化場相(xiang)同的(de)(de)方(fang)向上，磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)達到最(zui)大值，此時缺(que)陷漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)只與缺(que)陷尺寸有關，從(cong)(cong)而可消除由于磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)不(bu)同引起的(de)(de)缺(que)陷漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場差異。
