鋼管高速漏磁信號(hào)檢測(cè)與分析

耿 浩，楊理踐，項(xiàng)行鴻

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870；2.陜西省天然氣股份有限公司，陜西西安 710016)

0 引言

漏磁檢測(cè)技術(shù)作為一種支持金屬材料缺陷損傷的非接觸在線無(wú)損檢測(cè)方法，在長(zhǎng)輸油氣管道、鋼管、鋼軌等在線檢測(cè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。漏磁檢測(cè)技術(shù)通過(guò)缺陷處泄漏信號(hào)特征確定缺陷尺寸、形狀、位置等信息，但由于在線檢測(cè)的特殊性，磁化器和被測(cè)構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致渦流，對(duì)在線漏磁檢測(cè)過(guò)程產(chǎn)生影響，增加漏磁信號(hào)的復(fù)雜性與缺陷特征分析難度，研究動(dòng)態(tài)條件下檢測(cè)速度與缺陷漏磁信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系、準(zhǔn)確獲得缺陷漏磁信號(hào)，對(duì)高速被測(cè)材料的高效檢測(cè)、安全運(yùn)行、缺陷信號(hào)的量化分析等至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)動(dòng)態(tài)漏磁檢測(cè)過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究，馮博等人對(duì)靜止和運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)下的內(nèi)、外缺陷信號(hào)進(jìn)行研究，并對(duì)鋼管檢測(cè)時(shí)磁化滯后的時(shí)間進(jìn)行了理論計(jì)算和仿真分析[1-2]；武劍波等人研究了不同參考系下鋼管高速漏磁檢測(cè)過(guò)程中感生磁場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的渦流效應(yīng)的分布特點(diǎn)，分析了其對(duì)管頭、管體和管尾磁化狀態(tài)的影響[3-5]；P.Wang等人研究了被測(cè)試樣的磁導(dǎo)率對(duì)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布的影響以及鐵磁材料的磁化強(qiáng)度和磁導(dǎo)率隨磁化時(shí)間的變化規(guī)律[6]；L. Zhang等人對(duì)管道漏磁內(nèi)檢測(cè)過(guò)程中分析速度對(duì)軸向和徑向漏磁信號(hào)的影響，研究了檢測(cè)傳感器的最佳位置[7]。

本文分析了高速漏磁檢測(cè)過(guò)程中渦流磁場(chǎng)對(duì)鋼管壁磁場(chǎng)及內(nèi)壁缺陷檢測(cè)的影響規(guī)律，提出了一種提高內(nèi)壁缺陷檢測(cè)效果的傳感器安裝方式，研制了速度范圍為0.2～12 m/s高速漏磁檢測(cè)系統(tǒng)?；谟邢拊?jì)算和實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證的方式，表明了運(yùn)動(dòng)速度對(duì)檢測(cè)效果的影響，速度越快，鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)越弱，對(duì)缺陷檢測(cè)影響越明顯；缺陷尺寸增加，檢測(cè)效果受渦流影響程度越嚴(yán)重；隨著速度增加，位于離開區(qū)的磁傳感器的內(nèi)壁缺陷信號(hào)檢測(cè)效果優(yōu)于位于線圈中心位置傳感器檢測(cè)效果，理論和實(shí)驗(yàn)具有很好的一致性。

1 鋼管高速漏磁檢測(cè)原理

采用穿過(guò)式線圈產(chǎn)生軸向磁化場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的磁化，通過(guò)高靈敏度傳感器采集缺陷漏磁信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管出廠前的質(zhì)量在線檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，鋼管以一定速度沿指定方向移動(dòng)，圖1為鋼管高速漏磁檢測(cè)示意圖。

圖1 鋼管高速漏磁檢測(cè)示意圖

當(dāng)進(jìn)行高速在線檢測(cè)時(shí)，由于鋼管和磁化線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，被測(cè)鋼管壁內(nèi)將產(chǎn)生渦流，可以表示為[8]

(1)

式中：ε為管道截面上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；dr為管道截面徑向厚度；R為管道截面電阻；v為管道運(yùn)動(dòng)速度；ρ為管道截面的電阻率；r為管道半徑；Bz為線圈磁場(chǎng)軸向分量。

從式(1)可知，當(dāng)被測(cè)鋼管材質(zhì)和檢測(cè)速度固定時(shí)，渦流分布主要與線圈軸向磁場(chǎng)變化率有關(guān)，由于鋼管存在一定電感，管壁內(nèi)渦流變化無(wú)法瞬間完成，使得檢測(cè)過(guò)程中在磁化線圈中心處仍存在渦流，根據(jù)畢奧薩伐爾定律，管壁內(nèi)渦流將產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，與線圈磁場(chǎng)耦合共同影響缺陷檢測(cè)效果。渦流及渦流磁場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 渦流及渦流磁場(chǎng)分布示意圖

由圖2可知，根據(jù)線圈磁場(chǎng)關(guān)于線圈中心的對(duì)稱分布特點(diǎn)，管壁內(nèi)渦流分布方向關(guān)于線圈中心對(duì)稱，在進(jìn)入線圈及線圈中心處，渦流與線圈內(nèi)電流方向相反，在離開線圈區(qū)域，渦流與線圈內(nèi)電流方向相同。

根據(jù)渦流分布方向可知渦流磁場(chǎng)分布特征，在線圈中心和進(jìn)入線圈區(qū)域，渦流磁場(chǎng)在管道外壁與線圈磁場(chǎng)同向，在管道內(nèi)壁處與線圈磁場(chǎng)反向，使得鋼管外壁處磁場(chǎng)增強(qiáng)，鋼管內(nèi)壁處磁場(chǎng)減弱。在離開線圈區(qū)域，渦流磁場(chǎng)在管道外壁與線圈磁場(chǎng)反向，在管道內(nèi)壁處與線圈磁場(chǎng)同向，使得鋼管外壁處磁場(chǎng)減弱，鋼管內(nèi)壁處磁場(chǎng)增強(qiáng)。

在鋼管高速漏磁檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)鋼管不存在缺陷時(shí)，傳感器檢測(cè)到的信號(hào)為線圈磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)的耦合場(chǎng)，即為檢測(cè)信號(hào)的基線值，傳感器檢測(cè)到的信號(hào)可以表示為

Bd=Bcoil+B渦

(2)

式中：Bcoil為線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)；B渦為渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

當(dāng)鋼管內(nèi)存在缺陷時(shí)，檢測(cè)傳感器檢測(cè)到缺陷處的信號(hào)可以表示為

Bd′=Bcoil+B渦′+Bm′

(3)

式中：Bm′為高速檢測(cè)過(guò)程中缺陷漏磁場(chǎng)；B渦′為缺陷處渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

根據(jù)式(2)和式(3)可得到，由于缺陷存在產(chǎn)生的信號(hào)變化可以表示為

B=Bd′-Bd=Bm′+ΔB渦

(4)

式中ΔB渦為缺陷存在對(duì)渦流的擾動(dòng)場(chǎng)。

由式(4)可知，當(dāng)鋼管內(nèi)存在缺陷時(shí)，高速漏磁檢測(cè)過(guò)程中渦流效應(yīng)的存在不僅影響鋼管內(nèi)壁的磁化狀態(tài)，使得內(nèi)壁處磁場(chǎng)強(qiáng)度降低、缺陷處漏磁信號(hào)Bm′減小，缺陷位置處將使得回路的電阻增大，導(dǎo)致回路中渦流整體減小及缺陷位置處渦流缺失，對(duì)鋼管內(nèi)渦流產(chǎn)生擾動(dòng)，產(chǎn)生擾動(dòng)渦流磁場(chǎng)，渦流的減小不僅使得渦流磁場(chǎng)減小，同時(shí)導(dǎo)致傳感器檢測(cè)到的ΔB渦減小，從而影響缺陷處檢測(cè)信號(hào)的分布，影響對(duì)于缺陷的判斷。

2 仿真分析

有限元分析方法被廣泛應(yīng)用于電磁場(chǎng)、超聲等連續(xù)性問(wèn)題的求解[9]，采用Ansoft有限元分析軟件對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)過(guò)程中缺陷檢測(cè)效果及不同位置分布規(guī)律進(jìn)行研究。仿真模型主要由磁化線圈、被測(cè)鋼管等組成，仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型圖

采用磁化線圈對(duì)鋼管進(jìn)行磁化，線圈內(nèi)磁化傳導(dǎo)電流密度為5.0×106A/m2，使被測(cè)鋼管工作在飽和狀態(tài)。設(shè)置鋼管外壁直徑為100 mm，壁厚為10 mm，長(zhǎng)度為800 mm，磁化線圈內(nèi)徑為100 mm，外徑為320 mm，長(zhǎng)度為200 mm。

2.1 速度效應(yīng)對(duì)缺陷檢測(cè)影響

為分析不同檢測(cè)速度對(duì)于缺陷檢測(cè)的影響，在鋼管內(nèi)壁設(shè)置缺陷，缺陷長(zhǎng)度為2 mm，深度為2 mm。提取不同速度下，管道內(nèi)壁缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)值，具體對(duì)比分析渦流效應(yīng)對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)大小的影響，為了方便缺陷信號(hào)的對(duì)比分析，將不同速度的檢測(cè)信號(hào)的橫坐標(biāo)設(shè)置為一致，以低速時(shí)的橫軸為基準(zhǔn)，不同運(yùn)行速度下內(nèi)壁缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)如圖4所示。

圖4 不同檢測(cè)速度內(nèi)壁缺陷處漏磁場(chǎng)信強(qiáng)度

由圖4可知，內(nèi)壁缺陷漏磁場(chǎng)均隨著檢測(cè)速度增大而減??；對(duì)于內(nèi)壁缺陷而言，渦流磁場(chǎng)使得內(nèi)壁磁場(chǎng)減小，式(4)中Bm′缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)減小，同時(shí)缺陷使得渦流擾動(dòng)為負(fù)值，檢測(cè)信號(hào)減小。

為了對(duì)比分析渦流效應(yīng)對(duì)不同尺寸缺陷的影響規(guī)律，在鋼管設(shè)置不同尺寸的缺陷，分別為1#缺陷長(zhǎng)度為2 mm，深度為2 mm，2#缺陷長(zhǎng)度為10 mm，深度為2 mm，3#缺陷長(zhǎng)度為10 mm，深度為5 mm，設(shè)置速度分別為1 m/s、5 m/s、10 m/s，分析不同尺寸缺陷受渦流效應(yīng)影響規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同速度下不同尺寸缺陷信號(hào)特點(diǎn)

由圖5可知，不同尺寸的缺陷漏磁場(chǎng)均隨著檢測(cè)速度的增大而減?。粚?duì)比1#和2#缺陷可知，深度相同，長(zhǎng)度增大，相同檢測(cè)速度下的漏磁場(chǎng)信號(hào)受速度即渦流效應(yīng)影響較大；對(duì)比2#和3#缺陷可知，長(zhǎng)度相同，深度增加，相同檢測(cè)速度下的漏磁場(chǎng)信號(hào)明顯增大，主要由于缺陷尺寸的變化直接影響了回路電阻的變化，缺陷的尺寸增大，將增大對(duì)渦流及渦流磁場(chǎng)的擾動(dòng)，使得缺陷檢測(cè)效果受影響明顯。

2.2 不同檢測(cè)位置信號(hào)分布特征

鋼管內(nèi)壁缺陷的漏磁信號(hào)值的有效識(shí)別和特征分析可充分反映出缺陷的尺寸特征等信息[10]，為了分析不同檢測(cè)位置缺陷信號(hào)分布特征，首先分析管壁內(nèi)不同位置處磁場(chǎng)分布規(guī)律，基于圖3仿真模型，在管道內(nèi)壁位置提取不同速度下鋼管磁場(chǎng)大小，設(shè)置磁化線圈位置固定不動(dòng)，鋼管的運(yùn)行速度分別為1 m/s、5 m/s、10 m/s，將掃描分析路徑長(zhǎng)度設(shè)置為800 mm，內(nèi)壁磁場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 不同檢測(cè)速度鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)強(qiáng)度

從圖6可以明顯看出，在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著檢測(cè)速度增大而減小，與渦流磁場(chǎng)對(duì)鋼管磁化狀態(tài)理論分析結(jié)果一致，同時(shí)速度越快，鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)的最大值由線圈中心向鋼管運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)越明顯。

為進(jìn)一步分析不同檢測(cè)位置信號(hào)的分布特點(diǎn)，在鋼管內(nèi)壁設(shè)置缺陷，缺陷長(zhǎng)度為2 mm，深度為2 mm。在線圈中心左右兩側(cè)每間隔5 mm，選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共選擇6個(gè)點(diǎn)編號(hào)為1#～6#(沿著鋼管運(yùn)動(dòng)方向)，0#位置為線圈中心位置，當(dāng)檢測(cè)速度為10 m/s時(shí)，分析不同檢測(cè)位置對(duì)鋼管內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)效果如圖7所示。

圖7 不同檢測(cè)位置內(nèi)壁缺陷處漏磁場(chǎng)信號(hào)

從圖7可看出，1#～3#位置的缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)逐漸增大，4#～6#位置缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)逐漸減??；且4#位置的信號(hào)值明顯大于位于0#和5#、6#位置信號(hào)幅值，其漏磁信號(hào)變化趨勢(shì)與高速時(shí)鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)的分布規(guī)律一致，主要由于在鋼管運(yùn)動(dòng)方向的離開線圈區(qū)域內(nèi)，渦流磁場(chǎng)與線圈磁場(chǎng)同向，鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)的最大偏移點(diǎn)向鋼管運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)，使得4#位置缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)增大，同時(shí)由于線圈磁場(chǎng)的衰減特性，雖然5#～6#位置處的渦流磁場(chǎng)與線圈磁場(chǎng)方向一致，但總磁場(chǎng)減小，使得缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)減小?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，可在高速漏磁檢測(cè)過(guò)程中，將傳感器放置在偏離線圈中心位置的沿著鋼管運(yùn)動(dòng)方向位置處，以提升鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)、提升內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)能力。

3 高速漏磁檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要由磁化單元和檢測(cè)顯示單元、動(dòng)力單元3部分組成，該檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)速度為0.2～12 m/s的在線檢測(cè)，滿足本實(shí)驗(yàn)中不同速度下檢測(cè)信號(hào)分析需求。

3.1 磁化單元

磁化單元主要包括供電單元和磁化線圈2部分。為了在磁化線圈中通入直流信號(hào)且保證信號(hào)大小可控可調(diào)，設(shè)計(jì)供電單元，實(shí)現(xiàn)AC-DC(交流-直流)的變換，將變換后DC直流信號(hào)加載到激勵(lì)線圈兩端，構(gòu)成整個(gè)磁化單元，電路如圖8所示。

圖8 磁化單元電路

磁化單元主要由保護(hù)開關(guān)、調(diào)壓模塊、功率整流模塊、電流顯示模塊、激勵(lì)線圈及其保護(hù)電路等幾部分組成。根據(jù)線圈承受最大電流，選擇20 A空氣開關(guān)作為整個(gè)磁化單元的保護(hù)單元；利用整流橋D1將交流信號(hào)整流為直流信號(hào)，利用電解電容C對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，將交流變成脈動(dòng)整流信號(hào)；通過(guò)配以分流器的直流電流表PA顯示回路內(nèi)的實(shí)時(shí)電流。在電路的DC OUT輸出端反向并聯(lián)續(xù)流二極管D2和功率電阻R，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)束回路斷電時(shí)能量得以消耗，保證電路中各元件的安全。直流磁化線圈采用漆包線均勻纏繞在支撐骨架上制成，磁化線圈長(zhǎng)度為300 mm，線圈匝數(shù)為2 000匝，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)管道的局部磁化。

3.2 檢測(cè)顯示單元

檢測(cè)傳感器直接獲取缺陷信息，是高速漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵單元，直接影響著檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和精度。檢測(cè)顯示單元設(shè)計(jì)主要由檢測(cè)探頭、信號(hào)調(diào)理電路、采集電路、實(shí)時(shí)顯示等部分組成。

高速漏磁檢測(cè)過(guò)程中，傳感器的采樣頻率越高，漏磁信號(hào)信息包含越多。本文檢測(cè)傳感器采用TMR新型磁電阻效應(yīng)傳感器，采樣頻率為2 kHz，相對(duì)于其他傳感器，TMR傳感器具有更高的靈敏度和穩(wěn)定性，同時(shí)具有更低的功耗和更小的尺寸和線性度。為獲取更全面、更準(zhǔn)確的信息，在同一個(gè)探頭中放置4片三軸TMR傳感器，經(jīng)濾波放大之后，利用FPGA將信號(hào)經(jīng)過(guò)同步串行總線傳輸至數(shù)據(jù)采集單元，采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，借助LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序接口，對(duì)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行控制，信號(hào)采集后，Bx、By和Bz曲線圖可實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，方便當(dāng)前缺陷信號(hào)的初步判斷和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，其主要功能包括采樣通道數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集設(shè)置、放大倍數(shù)設(shè)置、波形實(shí)時(shí)顯示。參數(shù)設(shè)置和缺陷檢測(cè)顯示界面如圖9所示。

圖9 參數(shù)設(shè)置和缺陷檢測(cè)顯示界面

首先根據(jù)采用的傳感器數(shù)量，在參數(shù)設(shè)置界面選擇開啟的探頭通道位置，設(shè)置放大倍數(shù)和曲線間隔等參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)進(jìn)行時(shí)選擇開始運(yùn)行，即可在界面顯示檢測(cè)相關(guān)信息。

3.3 動(dòng)力單元

為實(shí)現(xiàn)不同速度下的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)獲得較高的檢測(cè)速度，設(shè)計(jì)動(dòng)力單元為被測(cè)鋼管提供行動(dòng)力。動(dòng)力單元示意圖如圖10所示。

圖10 發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)力單元主要由儲(chǔ)氣罐、進(jìn)氣閥、加速管道、驅(qū)動(dòng)球、密封法蘭、調(diào)速閥、排氣閥、封頭等幾部分組成。主要運(yùn)行過(guò)程為將被測(cè)管道與驅(qū)動(dòng)球緊密連接，利用儲(chǔ)氣罐內(nèi)高壓氣體推動(dòng)驅(qū)動(dòng)球在加速管道中運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)被測(cè)管道運(yùn)行。密封法蘭和封頭主要保障加速管道的密閉性，進(jìn)氣閥控制整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的起止運(yùn)動(dòng)過(guò)程；可通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓大小、調(diào)速閥和排氣閥控制被測(cè)管道的運(yùn)行速度。

4 實(shí)驗(yàn)研究與分析

實(shí)驗(yàn)中采用20號(hào)材質(zhì)被測(cè)鋼管，被測(cè)管道外徑為102 mm，壁厚為10 mm，長(zhǎng)度為12 m，加速管道部分長(zhǎng)度為20 m。退磁線圈仍采用漆包線均勻纏繞支撐骨架形式制成，與磁化線圈一致。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在退磁線圈內(nèi)部通入直流電，利用直流電退磁法對(duì)磁化后的鋼管進(jìn)行退磁，避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的剩磁場(chǎng)影響。高速漏磁檢測(cè)平臺(tái)如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

4.1 速度效應(yīng)對(duì)缺陷檢測(cè)影響

首先分析速度效應(yīng)對(duì)管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)的影響，在內(nèi)壁制作深度為20%壁厚，寬2 mm的缺陷，利用磁化線圈對(duì)鋼管進(jìn)行磁化，在線圈中通入直流電，使得低速時(shí)飽和場(chǎng)能夠建立。不同運(yùn)行速度下漏磁場(chǎng)分布特征如圖12所示。

圖12 不同速度漏磁場(chǎng)信號(hào)

由圖12可知，當(dāng)鋼管運(yùn)行速度較低時(shí)，檢測(cè)傳感器可以檢測(cè)到鋼管內(nèi)壁缺陷且內(nèi)壁缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)明顯，易于判斷缺陷存在；隨著檢測(cè)速度增加，鋼管內(nèi)壁信號(hào)均逐漸減小，缺陷判斷能力減弱，與理論和仿真分析結(jié)果一致。

進(jìn)一步分析了渦流對(duì)不同尺寸的缺陷的影響，在鋼管外壁刻有不同尺寸的缺陷，深度為20%壁厚、寬度分別為2 mm、8 mm、10 mm的缺陷以及寬度為2 mm、深度分別為20%、50%、80%壁厚的缺陷，各缺陷均沿鋼管環(huán)向一周。實(shí)驗(yàn)管道缺陷剖面示意圖如圖13所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)管道缺陷剖面圖

為分析速度對(duì)不同尺寸缺陷的影響，提取了0.5 m/s和5.0 m/s速度下各缺陷的信號(hào)幅值，由上述分析可知渦流的增大將使得缺陷的漏磁信號(hào)減小，因此對(duì)不同速度下的同一缺陷的信號(hào)幅值做差值，以分析不同缺陷對(duì)渦流的擾動(dòng)及對(duì)漏磁信號(hào)的影響，不同尺寸缺陷信號(hào)幅值變化情況如表1所示。

表1 不同尺寸缺陷漏磁信號(hào)變化值

從表1可以看出，當(dāng)檢測(cè)條件一定時(shí)，缺陷尺寸增大，相同速度變化條件下，信號(hào)幅值降低明顯；主要由于缺陷尺寸增大導(dǎo)致整個(gè)回路磁阻增大，渦流磁場(chǎng)減小，缺陷增大使得渦流缺失增加，擾動(dòng)增大，導(dǎo)致缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)和渦流擾動(dòng)場(chǎng)信號(hào)同時(shí)減少；雖然尺寸增大漏磁場(chǎng)信號(hào)增加，但信號(hào)變化幅度受檢測(cè)速度影響越明顯。

4.2 傳感器位置對(duì)缺陷檢測(cè)效果驗(yàn)證

鋼管內(nèi)壁缺陷對(duì)鋼管的安全運(yùn)行影響更為重要，為驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性，對(duì)不同位置傳感器的檢測(cè)效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。以管道軸線方向?yàn)閆軸，徑向方向?yàn)閅軸，在YZ平面管道外壁、沿著鋼管運(yùn)動(dòng)方向的離開線圈區(qū)域內(nèi)每間隔1 cm依次擺放1#～4#4組傳感器，每組傳感器均包含沿XY平面90°環(huán)向排列的4個(gè)檢測(cè)傳感器。傳感器安裝示意圖如圖14所示。

圖14 傳感器安裝示意圖

在鋼管內(nèi)壁制作了深度為20%壁厚、寬度為2 mm的環(huán)向一周的缺陷。以各組傳感器的頂部位置探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)檢測(cè)速度分別為0.5 m/s和5 m/s時(shí)，1#～4#各組傳感器檢測(cè)到的信號(hào)變化如圖15所示。

圖15 不同位置傳感器檢測(cè)信號(hào)效果圖

從圖15分析可知，低速時(shí)信號(hào)幅值明顯高于高速時(shí)缺陷信號(hào)幅值，且低速時(shí)1#位置處信號(hào)幅值最大，主要由于低速時(shí)渦流磁場(chǎng)較小，線圈磁場(chǎng)分布特性起主要作用；高速檢測(cè)時(shí)2#、3#位置信號(hào)明顯高于1#線圈中心位置缺陷信號(hào)，主要由于該位置處鋼管內(nèi)壁渦流磁場(chǎng)與線圈磁場(chǎng)方向一致，且線圈磁場(chǎng)衰減較小，使得內(nèi)壁處磁場(chǎng)增強(qiáng)，缺陷信號(hào)增大，與理論分析結(jié)果一致。

為了提升高速下鋼管內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)能力，可以將檢測(cè)傳感器位置由原先布置線圈中心位置改為偏離中心的鋼管移動(dòng)方向位置，同時(shí)根據(jù)線圈分布的衰減特性，傳感器位置偏離線圈中心距離不可太遠(yuǎn)，本實(shí)驗(yàn)條件下在線圈中心偏移3 cm處，線圈磁場(chǎng)的衰減特性已大于渦流磁場(chǎng)帶來(lái)的同向增加特性，導(dǎo)致信號(hào)小于線圈中心磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中每組其余的各個(gè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)的可靠性和有效性。

5 結(jié)論

(1)在線圈中心和進(jìn)入線圈區(qū)域，渦流磁場(chǎng)在鋼管內(nèi)壁與線圈磁場(chǎng)反向，使得鋼管內(nèi)壁處總磁場(chǎng)減弱；在離開線圈區(qū)域，渦流磁場(chǎng)在管道內(nèi)壁與線圈磁場(chǎng)同向，使得鋼管內(nèi)壁處總磁場(chǎng)增強(qiáng)。

(2)相同檢測(cè)速度下，缺陷尺寸增大其漏磁場(chǎng)信號(hào)增加，由于缺陷對(duì)渦流具有擾動(dòng)作用，缺陷尺寸越大，對(duì)渦流擾動(dòng)越嚴(yán)重，受檢測(cè)速度影響越明顯。

(3)研制的高速漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)范圍為0.2～12 m/s的檢測(cè)速度，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢測(cè)方式與實(shí)際工程應(yīng)用檢測(cè)方式一致，更易于準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)高速漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究。

(4)隨著檢測(cè)速度增大，鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)的最大值由線圈中心位置向鋼管運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)，將檢測(cè)傳感器位置由線圈中心位置向鋼管移動(dòng)方向偏移，更易于提高高速時(shí)鋼管內(nèi)壁缺陷檢測(cè)能力。