壁厚不均对缺陷漏磁场的影响

钢管漏磁检测利用磁敏感元件测量钢管表面的磁场分布，并将磁场量依次转换为模拟信号和数字信号进入计算机进行数字化处理，图4-41所示为钢管缺陷漏磁场测量原理。

从本质上讲，磁敏传感器所测量的缺陷总漏磁场由三部分磁场叠加而成，包括磁化线圈在钢管表面处形成的初始背景磁场，钢管壁厚变化产生的扰动背景磁场以及缺陷产生的漏磁场，即

B_ms（r，z）=B_mfl（r，z）+B₀（r，z）+B_wall（r，z） （4-13）

图4-41 钢管缺陷漏磁场测量原理

式中，B_ms（r，z）为传感器测量的总漏磁场；B₀（r，z）为磁化线圈产生的初始背景磁场；B_wall（r，z）为壁厚变化形成的扰动背景磁场；B_mfl（r，z）为缺陷漏磁场。进一步将式（4-13）按径向和轴向进行矢量分解，即

磁化线圈在测点处形成的初始背景磁场B₀（r，z）在检测过程中基本不发生变化。然而不同壁厚特性会产生不同的扰动背景磁场B_wall（r，z），其叠加于缺陷漏磁场之后会影响测点处总磁场的分布。结合图4-41所示的钢管缺陷漏磁场测量原理，对测点处各磁场进行矢量分解，如图4-42所示。

图4-42a所示为壁厚减薄钢管表面磁场矢量分解图，从图中可以看出，缺陷漏磁场径向分量B_rmfl1与壁厚减薄扰动背景磁场径向分量B_rwall1方向相同，而与磁化线圈初始背景磁场径向分量B_r01方向相反；缺陷漏磁场、壁厚减薄扰动背景磁场和磁化线圈初始背景磁场三者的轴向分量方向相同，从而可获得壁厚减薄钢管表面缺陷总漏磁场径向分量B_rms1和轴向分量B_zms1，如式（4-16）和式（4-17）所示。可以看出，磁化线圈初始背景磁场削弱了缺陷总漏磁场径向分量强度，并增强了缺陷总漏磁场轴向分量强度；壁厚减薄形成的背景磁场对缺陷总漏磁场径向和轴向分量均具有增强作用。

图4-42b所示为壁厚均匀钢管表面磁场矢量分解图，由于不存在壁厚变化形成的扰动背景磁场，缺陷总漏磁场由磁化线圈产生的背景磁场和缺陷漏磁场矢量合成。其中，缺陷漏磁场与初始背景磁场径向分量方向相反，轴向分量方向相同，从而可获得壁厚均匀时缺陷总漏磁场径向和轴向分量B_rms2和B_zms2，如式（4-18）和式（4-19）所示。同样，磁化线圈初始背景磁场削弱了缺陷总漏磁场径向分量强度，而对其轴向漏磁场分量具有增强作用。

图4-42c所示为壁厚增大钢管表面磁场矢量分解图，缺陷漏磁场径向分量B_rmfl3与壁厚增大扰动背景磁场B_wall3径向分量B_rwall3和磁化线圈初始背景磁场径向分量B_r03两者方向均相反；缺陷漏磁场、壁厚增大扰动背景磁场和磁化线圈初始背景磁场三者的轴向分量方向相同，从而可获得壁厚增大时缺陷总漏磁场径向分量B_rms3和轴向分量B_zms3，如式（4-20）和式（4-21）所示。可以看出，磁化线圈初始背景磁场与壁厚增大扰动背景磁场对缺陷总漏磁场径向分量同时具有削弱作用，而对其轴向分量同时具有增强作用。

进一步，采用图4-38所示模型仿真研究壁厚变化形成的背景磁场分布特性。磁场提取路径l₁、l₂和l₃的提离值均为2mm，如图4-43所示。通过数值有限元仿真计算壁厚减薄、壁厚均匀和壁厚增大时钢管表面磁场的径向和轴向分量，如图4-44所示。(www.xing528.com)

图4-42 壁厚变化钢管表面磁场矢量分解图

a）壁厚减薄钢管表面磁场矢量分解图 b）壁厚均匀钢管表面磁场矢量分解图 c）壁厚增大钢管表面磁场矢量分解图

由于不存在缺陷漏磁场，此时钢管表面形成由磁化线圈初始背景磁场和壁厚变化扰动背景磁场叠加而成的背景磁场，即B_ms（r，z）=B₀（r，z）+B_wall（r，z）。从图4-44中可以看出，壁厚减薄、壁厚均匀和壁厚增大形成的背景磁场轴向分量的方向相同，但强度存在差异：壁厚减薄B_zms1强度最大，壁厚均匀B_zms2强度次之，壁厚增大B_zms3强度最弱。壁厚减薄径向分量B_rms1与壁厚均匀B_rms2以及壁厚增大B_rms3方向相反，其中壁厚均匀径向分量强度微弱。究其原因，与壁厚均匀相比，壁厚减薄形成由钢管内部向空气中泄漏磁力线的背景磁场，而壁厚增大则产生从外部空气中吸引磁力线进入钢管中的背景磁场，从而使得钢管表面的总背景磁场轴向分量强度满足关系：B_zms1＞B_zms2＞B_zms3，并且径向分量B_rms1与B_rms3方向相反。

下面以缺陷漏磁场轴向分量为讨论对象，研究相同尺寸缺陷在不同壁厚下产生的总漏磁场差异。仿真模型如图4-45所示，其中缺陷宽度和深度分别为4mm和6mm，建立提离值均为2mm的磁场拾取路径l₄、l₅和l₆，并通过仿真计算获得相应的轴向分量B_zms4、B_zms5和B_zms6，如图4-46所示。

图4-43 不同壁厚特性背景磁场拾取路径

图4-44 不同壁厚特性产生的背景磁场

图4-45 壁厚不均处缺陷总漏磁场拾取路径

图4-46 不同壁厚特性处缺陷总漏磁场轴向分量

从仿真结果可以看出，相同尺寸缺陷在不同壁厚特性处产生的总漏磁场强度差异较大：壁厚减薄处的缺陷总漏磁场轴向分量B_zms4最大，壁厚均匀B_zms5次之，壁厚增大B_zms6信号最弱。究其原因包括：①不同壁厚变化会在钢管表面产生不同的扰动背景磁场，叠加于缺陷漏磁场之后会造成不同程度的基线漂移，如图4-46所示，壁厚减薄、壁厚均匀和壁厚增大处产生的缺陷漏磁场轴向分量处于不同的基线上；②壁厚变化使磁化场磁通路径发生改变，壁厚减薄、壁厚均匀与壁厚增大处形成依次减弱的磁感应强度，进而产生不同强度的缺陷漏磁场。