钢管漏磁检测技术研究概况

漏磁检测是指铁磁材料被磁化后，利用磁敏感元件检测缺陷附近的漏磁场进而发现缺陷的无损检测方法。漏磁检测是一种高效的电磁无损检测方法，在细长铁磁构件的无损检测中应用十分广泛，如钢管、钢丝绳等。当它与超声检测联合使用时，能对铁磁性构件提供快捷而全面的评定。

1.漏磁检测方法

对磁现象的发现可以追溯到我国春秋时期《吕氏春秋》中关于“慈（磁）石召铁”的描述；但用于无损检测的磁学现象始于1922年，美国工程师霍克（W.F.Hoke）发现，装夹在磁性夹头上的钢件上存在裂纹时，其周围出现铁粉堆积现象，从而拉开了磁性检测的序幕。1923年，美国Sperry博士首次提出采用U形电磁铁作为磁化器对铁磁性材料进行磁化，然后采用感应线圈拾取裂纹漏磁场，并于1932获得了专利。1947年，美国标准石油开发公司的Joseph F.Bayhi发明漏磁检测“管道猪”，用于在役管道内检测，利用U形永磁铁和感应线圈作为励磁源和传感器，整个检测装置在钢管内壁形成螺旋扫查路径。1949年，美国Tuboscope公司的Donald Lloyd提出了以穿过式线圈磁化器作为轴向磁化器的钢管横向缺陷检测方法。1960年，美国机械及铸造公司的HubertA.Deem采用N-S磁极对，产生周向磁化场来检测纵向劈缝，检测过程中磁化器和探头做旋转运动。到1967—1969年，美国的Alfred E.Crouch发明了同时可以检测横向缺陷和纵向缺陷的“管道猪”。与此同时，Tubo-scope公司的Fenton M.Wood等人也发现了钢管上纵、横向缺陷同时检测时周向和轴向磁化必须同时施加的关系，最终发明了基于钢管螺旋推进的钢管横纵向漏磁检测设备。2009年，华中科技大学的康宜华和孙燕华等提出基于多维正交磁化的检测方法，在钢管直线前进和检测探头固定的情况下实现了纵、横向缺陷的检测。之后，在此基础上，他们提出了单一轴向磁化方法，实现了纵、横向缺陷的全面检测。

上述各类钢管漏磁检测方法一直沿用至今，在具体实施钢管漏磁检测的过程中，需要根据具体检测条件来选择合适的检测方法，如钢管轧制工艺、钢管运行状态、检测灵敏度要求以及成本等。

2.漏磁检测设备

在漏磁检测方法研究基础上，立足于漏磁检测具体需求，形成了各种类型的漏磁检测设备，与之相关的关键技术主要包括漏磁场高灵敏度拾取、高强度均匀磁化以及传感器扫查路径规划。

（1）传感器 1959年，瑞士的Ernt Vogt发明了感应线圈；1970年，美国AMF公司的Noel B.Proctor首次提出了印刷线圈，从而提高了传感器的工艺精度和一致性；1976年，加拿大诺兰达矿业有限公司的Krank Kitzinger等人首次采用霍尔元件测量漏磁场绝对值；1994—1996年，捷克的Ripka和瑞士的Popovic等人综合比较了感应线圈、霍尔元件、磁通门及磁阻的敏感特性；2002年，法国的Jean-Louis Robert等人首次制作了适应高温检测环境的霍尔元件；2008年，印度甘地原子研究中心的W.Sharatchandra Singh发明了巨磁阻传感器。

（2）漏磁检测设备 1980年，日本住友金属工业株式会社发明了移动式漏磁检测设备，美国磁性分析公司、德国NUKEM有限公司相继研制了钢管周向加轴向复合磁化的漏磁检测设备；1994—2000年，荷兰屯特大学、加拿大Pipetronix有限公司及BJ服务公司利用漏磁检测设备“管道猪”实施管道内检测；我国华中科技大学的康宜华等人自1989年报道了自行研制的首台漏磁检测设备以来，进行了大量的漏磁检测设备的开发工作，并开发了数字化磁性无损检测技术；另外，清华大学的黄松岭、沈阳工业大学的杨理践及合肥工业大学的何辅云等人对漏磁检测设备的应用也做了大量研究工作。

3.信号后处理(www.xing528.com)

漏磁检测在实施过程中将铁磁性构件磁化至饱和或者近饱和状态，此时在缺陷附近会产生漏磁场，然后利用磁敏感元件拾取试件表面磁场变化并依次转换为模拟信号和数字信号，最后根据检测信号特征对试件质量状态进行评价。因此，漏磁检测最终是以缺陷检测信号的特性来分析和判断构件质量的。

检测信号进行后续处理的研究进展：1996年，美国爱荷华州立大学的Mandayam等人提出平衡式滤除算法，用于消除电磁感应现象和磁导率不均对漏磁检测信号所产生的影响；1997年，美国的Bubenik等人提出内外缺陷区分的可行性；2000年，印度巴布哈原子研究中心的Mukhopadhyay采用小波分析处理缺陷漏磁场信号；2005年，美国的Mikkola发表了内外缺陷区分方法；2006年，美国的McJunkin等人提出内部缺陷漏磁场强度小，可以采用敏感度小的检测探头来检测外部缺陷，以实现内外部缺陷评价一致性；2007年，印度甘地原子研究中心的R.Baskaran将伪逆方法应用于漏磁信号图像处理中。在国内，康宜华、彭永胜、马凤铭及张勇等同样在检测信号后处理方面做了相关研究工作。

4.漏磁检测理论

为了给漏磁检测技术的应用和推广提供理论支撑，关于漏磁场的形成机制、影响因素、信号解释与反演等相关理论得到快速发展。

缺陷漏磁场分布计算方法主要有：磁偶极法、有限元数值仿真、试验法、全息照相法。1966年，苏联的Zatespin和Shcherbinin提出表面开口无限长缺陷的磁偶极子模型，分别用点磁偶极子、无限长磁偶极线和无限长磁偶极带来模拟工件表面的点状缺陷、浅裂纹和深裂纹。1972年，苏联的Shcherbinin利用面磁偶极子模型计算了截面为矩形开口的长度有限的裂纹的3D漏磁场分布，从而计算位数拓展到了三维空间。1975年，美国爱荷华州立大学（ISU）的Hwang等人采用有限元数值模拟法对漏磁场进行计算。1982—1986年，德国的FörsterF采用试验的方法对美国的Lord和Hwang所提出的有限元漏磁场分析计算进行了验证及部分修正。1986年，英国赫尔大学的Edwards和Palmer通过拉普拉斯方程解得截面为半椭圆形的缺陷的2D漏磁场分布，并且在此基础上给出了有限长表面开口的3D表达式。2003年，乌克兰国家科学院物理研究所的S.Lukyanetsa给出了线性铁磁性材料表面缺陷的漏磁场分布解析模型。

国内研究方面，1982年孙雨施提出了永磁场的计算模型，1984年张琪采用数学建模解析的方法研究了漏磁场分布特性，1990年南京燃气轮机研究所的仲维畅开始对磁偶极子开展大量的研究工作；这期间，华中科技大学的杨叔子及康宜华、清华大学的李路明及军械工程学院的徐章遂及南昌航空大学的任吉林等研究团队对缺陷漏磁场分布计算也做了大量研究工作。

影响漏磁场分布的因素主要包括：检测速度、缺陷特性、构件受力状态、提离效应、激励场强度及磁导率变化等。1993年，美国爱荷华州立大学的YKShin建立了电磁感应现象对漏磁检测影响的数字有限元模型。1995年，日本国家钢铁研究中心的Ichizo Uetake利用磁偶极子模型分析了两平行裂纹的漏磁场分布。1996—1998年，加拿大女王大学的Thomas、Mandal、Atherton及Weihua Mao和Lynann Clapham等人分别研究了压力对漏磁检测信号的影响，分析了相邻缺陷之间或不同走向缺陷之间的漏磁检测信号关系。2000—2003年，日本九州工业大学的M.Katoh、K.Nishio、Y.Yamaguchi、Katoh和Nishio采用有限元法计算材料属性、极靴气隙对漏磁场的影响。2004年，韩国的GwanSooPark通过3D有限元数值仿真和试验法发现电磁感应现象对漏磁信号波形和幅值都会产生影响。2005年，加拿大女王大学的Vijay Babbar研究了凹痕尺寸与残余应力对漏磁检测信号的影响。2006年，英国纽卡斯尔大学的Gui Yun Tian和Yong Li等通过有限元数值仿真研究了在不同缺陷深度下涡流效应对漏磁检测的影响。国内，武汉大学的杜志叶、清华大学的黄松岭和沈阳工业大学的杨理践等也在这方面做了相应的仿真研究工作。

缺陷反演的目的是根据检测信号得出缺陷损伤程度，从而对构件质量进行有效评价，其中一个关键问题就是寻找检测信号与缺陷尺寸的对应关系。1995年，日本京都大学的Koichi Hanasaki提出了一种钢丝绳缺陷反演模型。2000年，美国爱荷华州立大学的Kyungtae和Hwang采用神经网络及小波分析方法研究了反演问题。2002年，我国钟维畅利用磁偶极子理论进行了缺陷的反推工作；同年，德国的Jens Haueisen等人采用最大熵法进行了评估分析，给出了一种可根据检测信号得出缺陷的尺寸及位置的有效算法；密西根州立大学的Ameet Vijay Joshi结合传统反演算法，提出了一种高阶统计法。2009年，合肥工业大学的张勇采用粒子群优化算法对缺陷进行反演，华中科技大学的刘志平及天津大学的蒋奇也做了部分缺陷反演工作。