连续油管漏磁检测技术

漏磁检测中要求磁场方向与裂纹走向间的夹角大于30°，该裂纹才能够被激发出足够的漏磁场，这也就是常规漏磁检测中伤的垂直磁化理论。连续油管漏磁无损检测标准中，按照裂纹相对于连续油管的走向将裂纹分为：轴向裂纹（即轴向）和横向裂纹（即周向）。轴向裂纹平行于连续油管轴向，横向裂纹沿连续油管的周向。

磁化矢量与裂纹走向的正交磁化检出性可描述为

其中，为直角坐标里磁场矢量场；f_i（x，y，z，t）为矢量场f（x，y，z，t）在坐标轴i上的投影；f（c，l，z）为裂纹形状所决定的走向。

基于正交磁化检测理论，漏磁无损检测中形成了连续油管轴向磁化检测横向裂纹和周向磁化检测轴向裂纹的基本检测形式和无损检测设备结构。

连续油管的轴向磁化通常采用穿过式磁化线圈，如图6-1所示。

连续油管轴向磁化检测横向（管道周向）裂纹的具体实施较为简单，检测时的相对扫查运动也只需要轴向直线运动方式。而对于连续油管周向磁化检测纵向（管道轴向）伤的实施则较为复杂，其磁化方式通常采用周向磁化极对实现，如图6-2所示。在两磁极正对的管壁中央区形成均匀的磁场，对该区域内（DZ或DZ′）的轴向裂纹激发漏磁场。在磁极正对的管壁处形成的磁化非均匀且磁力线方向也不一致，不可能激发出合适的漏磁场，所以该区域为轴向裂纹检测的盲区。

图6-1 钢管轴向磁化穿过式磁化线圈

图6-2 连续油管周向磁化

轴向裂纹检测探头最好布置于两磁极正对的管壁中央区的轴剖面上，为此，检测探头与连续油管之间实现相对螺旋扫查才能达到无盲区的检测。所以，为了完成连续油管上任意走向裂纹的全面检测，通常需要两种独立的检测单元：周向伤检测单元和轴向伤检测单元。检测探头与连续油管的相对螺旋扫查运动有两种组合形式：①探头静止，连续油管做螺旋推进；②轴向伤检测单元的磁化器与检测探头一起旋转，连续油管做直线运动，分别如图6-3a、b所示。

这两种相对螺旋扫查方式均限制了无损检测速度的提高，不适应直行速度大于2.5m/s的高速或超高速无损检测。另外，有些构件本身不能做螺旋运动（如连续油管、直线焊管线等）或工作中不能穿过回旋的旋转探头（如在用的连续油管），也不能采用上述运动形式。

传统的漏磁检测理论认为，连续油管轴向磁化只能激发出其上周向伤的漏磁场，而对平行于轴向的纵向裂纹则无能为力。倘若单一轴向磁化能够激发出连续油管上轴向裂纹的漏磁场并可被圆环式检测探头探测，则可实现在单一轴向磁化下的各向裂纹检测，这样检测装备结构得到了简化，同样能够满足高速无损检测的要求。

组建如图6-4所示的试验装置，对单一轴向磁化下轴向裂纹检测进行可行性验证。选用长为2000mm的ϕ73mm（壁厚为5.5mm）油管作为试验样管，并在其上等距离地制作出宽为0.5mm、深为0.5mm，长分别为6mm、12mm、25mm、37mm、50mm及100mm的轴向人工刻槽。为了与周向伤进行对比，也另外制作了0.5mm×0.5mm×25mm的周向人工刻槽。采用匝数为3000的穿过式线圈对上述样管进行局部轴向磁化，另外用检测线圈及高斯计靠近人工刻槽经过处，用以拾取漏磁场。与此同时，类似于上述试验装置建立有限元模型进行数值模拟，其中线圈单元为36，其他为53。通过对应增大安匝数来调节励磁强度。

图6-3 连续油管漏磁检测方法

图6-4 连续油管单一轴向磁化检测轴向伤试验装置示意图及磁化仿真

试验时，油管以恒定直线速度移动通过固定不动的穿过式磁化线圈和磁敏元件。通过4个60V、30A可调直流电源对磁化线圈提供可调电流，逐渐加大电流以增大磁场。在每个磁化阶段，记录检出信号及采用高斯计直接测量的漏磁场值。在试验与仿真过程中，获取人工刻槽漏磁场的轴向和径向分量，并进行矢量求和，形成离散数据样点，采用B样条曲线对所得离散数据样点进行拟合处理，研究纵向、周向人工刻槽的检出漏磁场与磁场强度的关系。

结果表明：随着连续油管中单一轴向磁化强度的不断增大，当管道内磁感应强度超过1T时，轴向刻槽产生信噪比较高的缺陷漏磁场，形成了可观测检出信号，如图6-5所示。其中图6-5a所示为连续油管上人工轴向刻槽，图6-5b、c所示分别为轴向刻槽漏磁感应强度的轴向和径向分量检出信号。

另外，连续油管轴向伤长度的极限为轴向全部贯通，对此特地制作了通长轴向裂纹，在采用轴向方向运动扫查时，无检出信号；但沿着连续油管周向扫查时，可检测到漏磁场信号，如图6-6所示。贯穿型（连续油管全长贯通）的轴向伤也存在着可检测的漏磁场，当连续油管圆周方向上布置磁敏元件时，对相邻阵列元件上漏磁感应强度值进行周向比较可获得这一信号。

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图6-5 轴向伤刻槽及漏磁检出信号

a）连续油管上人工轴向刻槽 b）轴向刻槽的轴向分量检出信号 c）轴向刻槽的径向分量检出信号

图6-6 连续油管贯穿型轴向裂纹周向扫查检出信号

在漏磁检测中，连续油管上周向刻槽和孔的检出信号在形状上相似，均为单峰或正负双峰特征。轴向刻槽实质上为多个孔沿着连续油管轴向的扩展。图6-7所示的信号曲线1～7分别为宽0.5mm、深0.5mm、长25mm的周向刻槽及宽0.5mm、深0.5mm、长分别为6mm、12mm、25mm、37mm、50mm和100mm的轴向刻槽检出信号。

图6-7 不同长度刻槽漏磁场检出信号

a）不同长度刻槽的轴向分量漏磁场检出信号 b）不同长度刻槽的径向分量漏磁场检出信号

从图6-7中可以看出，随着轴向刻槽长度的增大，径向分量所形成的正负双峰信号的峰峰跨距逐渐拉大，离散成形状上相似的多个单峰特征信号，难以逐一将同一刻槽的正负波峰信号对应起来；而轴向分量却在形状上有着较大的差异：轴向刻槽“矮而宽”，呈矩形状；周向刻槽“高而窄”，呈单峰状。轴向与周向刻槽检出信号的这些特征的转化，主要是伤在轴向上长度变化所致。

漏磁检测的工程应用主要依靠信号的幅值来判定伤的量级，对于损伤当量相同的轴向、周向伤在信号幅值上存在差异，所以为了实现轴向、周向刻槽的一致判别，有必要对轴向、周向刻槽的检出信号进行幅值归一化处理。

依据轴向、周向刻槽的检测信号特征，将测量轴向分量漏磁场的磁敏元件沿连续油管轴向阵列布置，扫查周向刻槽时，输出信号均存在着时间的交错性，对每个磁敏元件叠加求和后信号幅值不会增大；但当扫查轴向刻槽时，在同一时间段内可能有多个元件同时覆盖于轴向伤上方，均有缺陷检出信号，可将该若干磁敏元件的输出值进行求和，则会增大其信号幅值，同时轴向刻槽越长，叠加次数越多，这样就可弥补轴向刻槽长度越长，检出信号幅值越小的问题。为了减少磁敏元件的个数，也可通过采取先对轴向、周向刻槽进行识别，再进行单独补偿的方法实现归一化判断。依据周向刻槽信号“轴向窄、周向宽”及轴向刻槽信号“轴向宽、周向窄”的形状特点，漏磁场的空间布局也相应地具有该特征，所以进行轴向和周向元件阵列布局如图6-8所示。

当阵列元件扫查到周向刻槽时，周向阵列点具有幅值的重叠性，而轴向阵列点却具有幅值的时间交错性；与之相反，扫查轴向刻槽时，轴向阵列点具有幅值的重叠性，而周向却具有幅值的时间交错性。所以，对上述阵列进行数值重叠性与交错性的处理为

图6-8 元件阵列轴向、周向刻槽识别原理

式中，n=1，2，3，…，N；m=1，2。

可知，当式（6-2）成立时，判断为周向刻槽的检出信号；当式（6-3）成立时，判断为轴向刻槽的检出信号。对轴向、周向刻槽加以识别后，可对轴向刻槽进行一定系数的增大补偿或周向刻槽的减小补偿来实现其损伤当量的一致判别。

与单一轴向磁化的漏磁检测技术相对应的漏磁检测系统主要由单一穿过式磁化线圈、检测探靴组件及定位辅助构成。其中，漏磁检测探靴组件为若干具有浮动功能的环状探靴交错布置，形成全待检测面的覆盖扫描范围，且布置于磁真空屏蔽罩内，待检细长构件（如连续油管或钢板）直线前进时即可完成高速无损检测。基于单一轴向磁化漏磁检测技术的连续油管高速漏磁检测系统如图6-9所示。

图6-9所示检测系统在使用中有着较好的检测效果，该系统检测到的长为30mm的N5（深度为管壁厚的5%）人工周向、轴向刻槽的检出信号分别如图6-10a、b所示。由图6-10可以看出，轴向刻槽通过信号补偿最终达到了与周向刻槽接近的检出信号幅值。

图6-9 基于单一轴向磁化漏磁检测技术的连续油管高速漏磁检测系统