不銹鋼管自動化漏磁檢測系統(tǒng)一般采用復合磁化方式對不銹鋼管進行全方位檢測，軸向磁化檢測橫向缺陷和周向磁化檢測縱向缺陷，并且以縱向和橫向刻槽作為質(zhì)量評判標準。然而在不銹鋼管檢測過程中，自然缺陷的形狀位置卻有別于標準缺陷，即自然缺陷走向通常與標準磁化場方向存在一定傾角。國家標準GB/T 12604-1999關(guān)于缺陷形狀位置對檢測靈敏度差異的影響做如下描述：“當缺陷走向與磁力線垂直時，缺陷處漏磁場強度最大，檢測靈敏度也最高。隨著缺陷走向的偏斜，漏磁場強度逐漸降低，直至兩者走向一致時，漏磁場強度接近為零。因此，當采用縱向、橫向檢測設(shè)備時，對斜向缺陷反應(yīng)不甚敏感，易形成盲角區(qū)域”。
一、缺陷走向?qū)β┐艌龇植嫉挠绊?/span>
由于軋制工藝不完善而產(chǎn)生的鋼管自然缺陷一般與軸線成一定斜角。與標準橫、縱向缺陷相比，斜向缺陷漏磁場強度更低。斜向缺陷是不銹鋼管生產(chǎn)過程中最為常見的一種缺陷，但在實際檢測過程中往往以標準垂直缺陷作為評判標準，從而容易造成斜向缺陷的漏檢。為實現(xiàn)對具有不同走向的同尺寸缺陷的一致性檢測與評價，必須提出相應(yīng)的漏磁場差異消除方法。
1. 斜向缺陷的漏磁場分布特性
圖4-58所示缺陷分別為用于校驗設(shè)備的標準人工刻槽和鋼管軋制過程中形成的自然斜向缺陷。與標準刻槽相比，斜向缺陷走向與磁化場之間存在一定傾斜夾角，會導致相同尺寸斜向缺陷的漏磁場強度更低，從而容易形成漏檢。
建立如圖4-59所示的斜向缺陷漏磁場分析模型，缺陷1、缺陷2和缺陷3依次與磁化場B。形成夾角a1、α2和3，深度和寬度分別為d和2b，并形成漏磁場分布B2和B3。
當缺陷走向垂直于磁化場方向時，由于在磁化方向上缺陷左右兩側(cè)磁介質(zhì)具有完全對稱性，漏磁場可簡化為(y,z)二維模型；但如果缺陷走向與磁化方向不垂直，此時，缺陷左右兩側(cè)磁介質(zhì)在磁化方向上不對稱，會對磁力線路徑造成擾動，從而形成三維空間分布的非對稱漏磁場。
以缺陷兩側(cè)面上P1、P2和P3點作為研究對象，分析缺陷兩側(cè)面磁勢分布。圖4-60a所示為斜向缺陷漏磁場分析模型，根據(jù)磁路原理，沿著磁力線路徑分布的P1、P2和P3處磁勢Uml、Um2和Um3滿足如下關(guān)系式：
Um1>Um2,Uml>Um3 (4-27)
因此，磁化場磁通量達到1點時會產(chǎn)生分流，一部分磁通量2會沿著平行于缺陷Φ方向達到磁勢更低的P2點，而剩余部分磁通量則經(jīng)過缺陷到達P3點，從而形成漏磁場B1，根據(jù)磁路的基爾霍夫第一定律，磁通量滿足以下關(guān)系式：
建立如圖4-61所示的仿真模型，計算缺陷走向?qū)β┐艌龇植嫉挠绊?。測試鋼板的長、寬和高分別為500mm、100mm和10mm，鋼管材質(zhì)為25鋼。穿過式磁化線圈內(nèi)腔寬度和高度分別116mm和12mm，外輪廓寬度和高度分別為216mm和112mm，線圈厚度為100mm，，方向如圖所示。漏磁場提取路徑l位于鋼板上方中心位置處，提離值為1.0mm，并建立如圖所示坐標系(x,y,z)
當α=90°以及α=60°時計算缺陷漏磁場矢量分布，如圖4-62所示。當缺陷走向與磁化方向垂直時，所有磁力線均垂直通過缺陷，如圖4-62a所示；當缺陷走向與磁化方向存在一定夾角時，一部分磁力線沿著平行于缺陷方向分布，其余部分磁力線則沿著近似垂直于缺陷方向通過，如圖4-62b所示。
采用圖4-61所示的模型，夾角α分別取0°、15°、30°、45°、60°和75°，沿路徑l提取磁場分量Bx、By、、B2以及磁通量密度B，并繪制成如圖4-63～圖4-66所示的關(guān)系曲線。
從圖4-63中可以看出，隨著夾角α的增大，漏磁場分量B2幅值呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。從圖4-64～圖4-66中可以看出，隨著夾角α的不斷增大，By、和磁通量密度B幅值均呈不斷上升趨勢，當缺陷走向與磁化場方向垂直時，幅值達到最大值。
從圖中還可以看出，隨著夾角α的不斷增大，BxB、B2和B分布寬度均在不斷減小。進一步提取漏磁場分量B，峰-峰值點寬度，繪制其與夾角α的關(guān)系曲線，如圖4-67所示。從圖中可以看出，隨著夾角α的增大，漏磁場分量B，峰-峰值點寬度不斷變??；當夾角α較小時，峰-峰值點寬度下降較快；當夾角α較大時，峰-峰值點寬度下降緩慢。
由于磁力線經(jīng)過斜向缺陷時基本沿著垂直于缺陷方向通過，因此，提取路徑l與漏磁場分布方向會存在夾角，為此，將漏磁場變換到提取路徑l方向上，即
z≈z'/sino (4-31) 式中，z＇為垂直于缺陷方向的坐標軸。
繪制漏磁場分量B，峰-峰值點寬度與1／sina之間的關(guān)系曲線，如圖4-68所示。從圖中可以看出，峰-峰值點寬度與1／sina之間成近似正比關(guān)系，與式（4-31）所示的變換關(guān)系相符。
2. 缺陷走向?qū)β┐艌龇植嫉挠绊?/span>
在鋼板上刻制不同走向的缺陷，并進行漏磁檢測試驗。鋼板的長度、寬度和厚度分別為750mm、100mm和10mm，并在其表面加工4個走向不同的缺陷，深度和寬度分別為2mm和1.5mm，夾角α分別為20°、45°、70°和90°，如圖4-69所示。
磁化電流設(shè)置為5A且傳感器提離值為1.0mm。將鋼板以恒定速度0.5m／s通過檢測系統(tǒng)，使傳感器依次掃查缺陷Crk1、Ck2、Ck3和Crk4，并分別記錄漏磁場x、y、z軸分量檢測信號，如圖 4-70~圖 4-72所示。
從試驗結(jié)果可以看出，隨著夾角α的不斷增大，漏磁場分量B，幅值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而漏磁場分量B，和B，則不斷增強，試驗結(jié)果與理論分析吻合。
從圖中還可以看出，隨著夾角α的不斷增大，檢測信號寬度不斷減小。進一步提取缺陷Ck1、Ck2、Ck3和Crk4漏磁場分量B，的信號峰-峰值點寬度，并繪制其與夾角α和1／sina的關(guān)系曲線，如圖4-73和圖4-74所示。從圖中可以看出，隨著夾角α的不斷增大，B，信號峰-峰值點寬度不斷減小，并與1／sina成近似正比關(guān)系，與仿真及理論分析結(jié)論相同。
二、消除缺陷走向影響的方法
不銹鋼管漏磁檢測分別采用軸向和周向磁化場激發(fā)周向和軸向裂紋產(chǎn)生漏磁場，因此，檢測系統(tǒng)對標準周向和軸向裂紋缺陷最為敏感，而45°斜向裂紋靈敏度最低。此外，檢測規(guī)程常以標準周向和軸向裂紋作為質(zhì)量評判標準，從而容易導致斜向缺陷漏檢。由于具有靈敏度高、性能穩(wěn)定和工藝簡單等優(yōu)點，感應(yīng)線圈是目前使用最為廣泛的漏磁檢測傳感器。磁場拾取系統(tǒng)一般以垂直缺陷作為傳感器敏感方向設(shè)計基準，從而感應(yīng)線圈敏感方向會與斜向缺陷形成夾角，最終產(chǎn)生檢測信號幅值差異。為實現(xiàn)同尺寸斜向缺陷的一致性檢測與評價，需要根據(jù)感應(yīng)線圈敏感方向與缺陷走向之間的夾角對檢測信號幅值差異的影響機制，提出合理的感應(yīng)線圈布置方法。
1. 感應(yīng)線圈與裂紋夾角對檢測信號的影響
分析感應(yīng)線圈敏感方向與缺陷走向夾角對漏磁檢測信號的影響。感應(yīng)線圈敏感方向也即感應(yīng)線圈長軸方向，如圖4-75所示，感應(yīng)線圈敏感方向與試件軸向垂直，當試件上存在不同走向缺陷時，感應(yīng)線圈將與其形成不同的夾角，從而引起檢測信號幅值差異。
圖4-76所示為水平線圈與缺陷走向存在一定夾角時的漏磁場檢測原理。線圈長度為l，寬度為2w，提離值為h，水平線圈敏感方向與缺陷走向之間的夾角為β。建立如圖所示坐標系（x，，缺x,y)陷走向平行于y軸，缺陷漏磁場分布滿足磁偶極子模型，水平線圈運動方向與x軸平行。從圖中可以看出，當水平線圈敏感方向與缺陷走向形成一定夾角時，組成水平線圈的四段導線均會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此水平線圈整體輸出為四段導線感應(yīng)電動勢之差。設(shè)四段導線L1、和L4產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢輸出分別為e1e2和，則可獲得水平線圈感應(yīng)電動勢輸出Δehorizontal為：
如圖4-77所示，進一步將四段導線交界點沿x軸投影，將水平線圈分解為和L6六段導線，其交界點x軸坐標分別為x1、x2、x3、x4、x5和此時，水平線圈09x感應(yīng)電動勢為處于前端三段導線和尾部三段導線感應(yīng)電動勢之差
進一步設(shè)線圈寬度參數(shù)w=0.3253mm，線圈長度mm，水平線圈運行速度為1m／s，根據(jù)式（4-37），繪制水平線圈感應(yīng)電動勢與夾角β的關(guān)系曲線，如圖4-79所示。從圖中可以看出，隨著夾角β不斷增大，水平線圈感應(yīng)電動勢不斷減??；當水平線圈與缺陷走向平行時感應(yīng)電動勢幅值最大，當兩者垂直時幾乎沒有感應(yīng)電動勢輸出。
利用鋼板漏磁檢測試驗研究水平線圈敏感方向與缺陷走向夾角對檢測信號幅值的影響，感應(yīng)線圈的長度、寬度和高度分別為11mm、2mm和2mm，線徑為0.13mm，共30匝，水平線圈中心提離值h為1.5mm。一共進行四組試驗，使水平線圈與不同走向缺陷平行放置進行檢測，如圖4-80所示。水平線圈以恒定速度0.5m／s依次通過缺陷Crk1、Ck2、Ck3和Cyk4獲得如圖4-81所示的檢測信號。
從圖4-81中可以看出，按不同方向布置的水平線圈產(chǎn)生了不同的漏磁信號幅值輸出：當水平線圈以90°方向依次掃過四個缺陷時，檢測信號依次減小，其中Ckt缺陷信號幅值最大，4缺陷信號幅值最小；當水平線圈以70°方向依次掃過四個缺陷時，Ck2缺陷信號幅值最大，信號幅值次之，然后依次為Crk3和C,k4當水平線圈以45°方向依次掃過四個缺陷時，Ck3缺陷信號幅值明顯增加，C,k4信號幅值有所增加，而Cukl和Ck2信號幅值均降低；當水平線圈以20°方向依次掃過四個缺陷時，Ck4缺陷信號幅值增加，其余三個缺陷信號幅值都降低，而且C,k1Crk2和C,k3信號幅值依次由小到大排列。
繪制不同走向缺陷檢測信號峰值與水平線圈布置方向的關(guān)系曲線，如圖4-82所示。從圖中可以看出，當水平線圈以不同方向掃查同一缺陷時將產(chǎn)生不同的檢測信號幅值。當水平線圈敏感方向與缺陷走向平行時，信號幅值最大；隨著兩者方向夾角的增大，信號幅值逐漸降低。
圖4-83所示為垂直線圈敏感方向與缺陷走向存在一定夾角時的漏磁場掃查原理圖，線圈長度為l，寬度為2w，線圈中心提離值為H，垂直線圈敏感方向與缺陷走向之間的夾角為β。建立如圖所示坐標系（x,y)），缺陷走向平行于y軸，垂直線圈運動方向與x軸平行。
垂直線圈由四段導線L1、L2、L3和L組成，其感應(yīng)電動勢輸出分別為e1e2、e3和e4，
設(shè)線圈寬度參數(shù)w＝0.15mm，線圈長度l＝12.5mm，垂直線圈運l=12.行速度為1.0m／s，根據(jù)式（4-42）繪制垂直線圈感應(yīng)電動勢與夾角β的關(guān)系曲線，如圖4-85所示。從圖中可以看出，隨著夾角β的不斷增大，垂直線圈感應(yīng)電動勢不斷減小。當垂直線圈敏感方向與缺陷走向平行時，感應(yīng)電動勢輸出最大；當兩者垂直時，幾乎沒有感應(yīng)電動勢輸出。
采用與水平線圈相同的試驗方法，研究垂直線圈敏感方向與缺陷走向夾角對漏磁檢測信號的影響。將感應(yīng)線圈垂直擺放，垂直線圈中心提離值H為2mm。同樣本試驗分為四組，分別使垂直線圈以不同的布置方向依次掃查四個缺陷Ck1、Ck2、Ck3和Crk4，速度為0.5ms，如圖4-86所示，并獲得不同走向缺陷的信號幅值與垂直線圈布置方向的關(guān)系曲線，如圖4-87所示。
從圖4-87中可以看出，當垂直線圈以不同布置方向掃查四個缺陷時，檢測信號變化規(guī)律與水平線圈相同：當垂直線圈以90°方向依次掃過四個缺陷時，檢測信號依次減小，其中C，k1缺陷信號幅值最大，C4缺陷信號幅值最?。划敶怪本€圈以70°方向依次掃過四個缺陷時，缺陷信號幅值最大，C信號幅值次之，然后依次為Ck3和C4k4；當垂直線圈以45°方向依次掃過四個缺陷時，C,k3缺陷信號幅值明顯增加，C,k4信號幅值有所增加，而Ck1和Ck2信號幅值均降低；當垂直線圈以20°方向依次掃過四個缺陷時，Crk4缺陷信號幅值增加，其余三個缺陷信號幅值都降低，而且Ck1、Crk2和Crk3信號幅值依次由小到大排列。
繪制不同走向缺陷檢測信號峰值與垂直線圈布置方向的關(guān)系曲線，如圖4-88所示。從圖中可以看出，當垂直線圈以不同布置方向掃查同一缺陷時將產(chǎn)生不同的檢測信號幅值。當垂直線圈敏感方向與缺陷走向平行時，信號幅值最大，隨著兩者方向夾角的增大，信號幅值逐漸降低。
2. 多向性陣列感應(yīng)線圈消除方法
與標準缺陷相比，斜向缺陷檢測信號幅值更低的原因有：一方面，不銹鋼管漏磁檢測采用軸向和周向復合磁化方式對不銹鋼管進行局部磁化，從而導致與磁化方向形成夾角的斜向缺陷漏磁場強度更低；另一方面，在缺陷漏磁場拾取過程中，檢測線圈敏感方向與斜向缺陷會形成一定夾角，從而降低缺陷檢測信號的幅值。為實現(xiàn)具有不同走向的同尺寸缺陷的一致性檢測與評價，提出基于多向性陣列感應(yīng)線圈的布置方法。水平線圈與垂直線圈布置方法相同，以水平線圈作為消除方法的闡述對象。
在實際生產(chǎn)過程中，當生產(chǎn)工藝參數(shù)確定后，同批鋼管中自然缺陷走向往往大致相同。如圖4-89所示，設(shè)鋼管中存在斜向缺陷1，并與磁化場方向形成夾角ao，由于在物料運輸過程中可能出現(xiàn)鋼管方向倒置，因此，斜向缺陷走向也可能會與磁化場方向形成夾角ππ-α0，如斜向缺陷3。對此，在探頭內(nèi)部布置多向性陣列感應(yīng)線圈S1、S2和S3，分別與磁化場形成夾角a1、α2和α3其中，第一排陣列感應(yīng)線圈S，對斜向缺陷1進行掃查，根據(jù)水平線圈敏感方向與缺陷走向夾角對檢測信號幅值的影響規(guī)律，線圈敏感方向應(yīng)該與缺陷1走向平行，即α1=α0；第二排陣列感應(yīng)線圈S2用于檢測標準垂直缺陷2和校驗設(shè)備狀態(tài)，因此線圈敏感方向與磁化方向垂直，即a2=90°第三排陣列感應(yīng)線圈S3方向與缺陷3走向平行，即α3=π-α0。
從而，通過多向性陣列感應(yīng)線圈布置方式可以最大限度地提高斜向缺陷的檢測信號幅值，并消除線圈敏感方向與缺陷走向夾角引起的檢測信號幅值差異。圖4-90所示為針對鋼管上有30°斜向自然缺陷而制作的多向性陣列感應(yīng)線圈探頭芯。
在消除了水平線圈敏感方向與缺陷走向夾角引起的檢測信號差異之后，需要進一步消除由于缺陷走向帶來的漏磁場強度差異，為此對斜向缺陷檢測通道進行增益補償。陣列感應(yīng)線圈S1、S2和S3分別通過斜向缺陷1、標準缺陷2和斜向缺陷3之后輸出信號峰值分別為e1、2和e3，設(shè)陣列感應(yīng)線圈S1和S3增益補償參數(shù)分別為和a3，經(jīng)補償后使得不同走向缺陷10具有相同的信號幅值。
