不銹鋼管穿過磁化線圈時(shí)會(huì)發(fā)生如下兩種電磁感應(yīng)現(xiàn)象：

 1. 鋼管在橫向漏磁檢測磁化器內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不銹鋼管切割磁力線而在其內(nèi)部形成感生渦流。

 2. 不銹鋼管磁介質(zhì)在管頭進(jìn)入磁化線圈和管尾離開磁化線圈時(shí)，由于磁化線圈的磁通總量發(fā)生急劇變化，線圈中會(huì)產(chǎn)生感生電流。

一、鋼管內(nèi)產(chǎn)生的感生渦流

  不銹鋼管橫向缺陷漏磁檢測方法采用穿過式線圈產(chǎn)生軸向磁化場，并在磁化線圈內(nèi)布置檢測傳感器。當(dāng)鋼管沿著軸向移動(dòng)時(shí)，處于磁化線圈內(nèi)的不銹鋼管段被磁化至近飽和狀態(tài)，如存在缺陷將在鋼管表面產(chǎn)生泄漏磁場，然后被磁敏感元件拾取并依次轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，最終由計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)施報(bào)警和分類。

  如圖5-1所示，以鋼管軸線為中心建立圓柱坐標(biāo)系。沿著鋼管運(yùn)動(dòng)方向，以磁化線圈為中心將鋼管劃分為進(jìn)入?yún)^(qū)和離開區(qū)，在磁化線圈中施加如圖所示的磁化電流，磁力線分布特征為：在進(jìn)入?yún)^(qū)磁力線從空氣中進(jìn)入鋼管，并在磁化線圈中部匯聚，然后在離開區(qū)折射入空氣中。

  如圖5-1所示，將磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B(r,z)分解為軸向分量和徑向分量，即  B(r,z)=B2(r,z)+B,(r,z)

  從圖5-1中可以看出，軸向分量B2(r,z)在進(jìn)入?yún)^(qū)和離開區(qū)方向一致，沿著鋼管前進(jìn)方向，其強(qiáng)度在進(jìn)入?yún)^(qū)逐漸增大，并在磁化線圈中部達(dá)到極大值，之后在離開區(qū)逐漸減小。徑向分量B,(r,z)在進(jìn)入?yún)^(qū)方向指向鋼管內(nèi)部，并在磁化線圈中部發(fā)生轉(zhuǎn)變，在離開區(qū)方向指向鋼管外部。

  為了研究與鋼管同軸圓環(huán)l(ro ,zo)的渦流分布，設(shè)圓環(huán)半徑為ro，軸向位置為200根據(jù)楞次定律，當(dāng)圓環(huán)移動(dòng)時(shí)，軸向分量B,(r,z)的強(qiáng)度變化導(dǎo)致圓環(huán)磁通量也發(fā)生改變，從而在圓環(huán)中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢。因磁化場為軸對(duì)稱，建立圓環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢方程為

  根據(jù)式（5-3），沿鋼管前進(jìn)方向，在進(jìn)入?yún)^(qū)，軸向分量強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，感生渦流方向與原磁化電流方向相反；在磁化線圈中間位置，由于軸向分量變化率為零，故此部位無感生流產(chǎn)生；在離開區(qū)，軸向分量強(qiáng)度由中間最大值逐漸減小，于是形成與原磁化電流方向相同的感生渦流，最終鋼管中感生渦流分布如圖5-2a所示。如果改變磁化電流方向，根據(jù)式（5-3），同樣可得出鋼管內(nèi)感生渦流分布，如圖5-2b所示。

  從圖5-2中可以看出，鋼管中感生電流分布方向由磁化電流方向和鋼管運(yùn)動(dòng)方向共同決定。在進(jìn)入?yún)^(qū)，鋼管中的感生渦流J1與磁化電流方向相反；在磁化線圈中間位置無感生渦流產(chǎn)生；在離開區(qū)，感生渦流J2與磁化電流方向相同。從而，在感生渦流產(chǎn)生的磁場作用下，鋼管的磁化狀態(tài)將發(fā)生變化。

  建立如圖5-3所示的仿真模型。鋼管直徑為400mm、壁厚為15mm、長度為3000mm，材質(zhì)為25鋼（電導(dǎo)率為）。磁化線圈內(nèi)徑為440mm、外徑為750mm、厚度為160mm，磁化電流密度iA／㎡，電流方向如圖5-3所示。

  對(duì)不銹鋼管中的感生渦流分布進(jìn)行仿真研究。磁化線圈固定不動(dòng)，鋼管運(yùn)行速度設(shè)置為1m／s，不銹鋼管從左端進(jìn)人并向右端移動(dòng)，當(dāng)鋼管中心與磁化線圈中心重合時(shí)獲取感生渦流分布云圖，如圖5-4所示。從圖中可以看出，進(jìn)入?yún)^(qū)的感生渦流方向與磁化電流方向相反，離開區(qū)的感生渦流方向與磁化電流方向相同，在線圈中部感生渦流幾乎為零。進(jìn)入?yún)^(qū)和離開區(qū)的渦流分布相對(duì)于線圈呈對(duì)稱分布，方向相反，強(qiáng)度基本相同，仿真結(jié)果與圖5-2所示的渦流分布理論分析結(jié)論相同，其中感生渦流最大值為1.4×105A/㎡。

  為了研究感生渦流與不銹鋼管運(yùn)行速度的關(guān)系，分別取速度0.1m／s、1m/s、2m/s、5m/s、8m／s、10m／s、20m／s、30m／s、40m／s和50m／s進(jìn)行仿真。當(dāng)鋼管中部與磁化線圈重合時(shí)提取渦流密度最大值和最小值，繪制成如圖5-5所示的渦流密度與運(yùn)行速度關(guān)系曲線。從圖中可以看出，感生渦流與不銹鋼管運(yùn)行速度成近似正比關(guān)系。鋼管低速運(yùn)動(dòng)時(shí)感生渦流很小，可忽略不計(jì)；當(dāng)運(yùn)行速度增至50m／s時(shí)，渦流密度為2。此時(shí)，感生渦流已接近傳導(dǎo)電流密度。因此，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，感生渦流對(duì)鋼管漏磁檢測的影響不可忽視。

二、磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流

  當(dāng)不銹鋼管端部進(jìn)入和離開磁化線圈時(shí)，線圈中的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感生電流。設(shè)磁化電源提供的電壓為Uo，磁化線圈電阻為R，則磁化電源在線圈中產(chǎn)生的初始傳導(dǎo)電流為Io=Uo/RR。磁化線圈通過的磁通總量為Φ，當(dāng)磁化線圈中磁通總量發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)楞次定律，線圈中將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，對(duì)應(yīng)的感生電流磁化線圈中通過的電流I為初始傳導(dǎo)電流和感生電流之和，即

  當(dāng)線圈中沒有鋼管時(shí)，磁化線圈磁通總量為線圈自身產(chǎn)生的靜態(tài)磁通量，其與磁化電流強(qiáng)度成正比，當(dāng)磁化電流不變時(shí)，線圈磁通總量也不發(fā)生變化。此時(shí)線圈中通過的電流為磁化電源產(chǎn)生的初始磁化傳導(dǎo)電流

  當(dāng)管頭進(jìn)入磁化線圈時(shí)，具有高磁導(dǎo)率的鋼管磁介質(zhì)進(jìn)入磁化線圈內(nèi)部，使得線圈內(nèi)部的磁通總量增大。根據(jù)式（5-4），磁化線圈中會(huì)產(chǎn)生與初始磁化傳導(dǎo)電流方向相反的感生電流，此時(shí)線圈中通過的電流為，如圖5-6a所示。

  當(dāng)管體通過磁化線圈時(shí)，線圈內(nèi)部磁介質(zhì)總量及分布特性基本不變，從而線圈內(nèi)部的磁通總量也保持恒定。根據(jù)式（5-4），磁化線圈基本無感生電流產(chǎn)生，此時(shí)，磁化線圈中通過的電流與無鋼管時(shí)相同，為磁化電源產(chǎn)生的初始磁化傳導(dǎo)電流1＝，如圖5-6b所示。

  當(dāng)管尾離開磁化線圈時(shí)，由于線圈內(nèi)部的高磁導(dǎo)率磁介質(zhì)不斷減少，導(dǎo)致磁化線圈的磁通總量也不斷減少。根據(jù)式（5-4），磁化線圈中會(huì)產(chǎn)生與初始磁化傳導(dǎo)電流方向相同的感生電流，此時(shí)線圈中通過的電流為，如圖5-6c所示。

  不銹鋼管內(nèi)的磁場包括：磁化線圈通過電流I產(chǎn)生的磁場和鋼管中感生渦流J形成的磁場。磁化線圈的磁通總量包含了由感生渦流J產(chǎn)生的部分磁通量，因此鋼管中的渦流效應(yīng)會(huì)對(duì)磁化線圈中的感生電流產(chǎn)生一定影響。

  采用如圖5-3所示模型，進(jìn)一步研究磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流變化規(guī)律。其中，線圈匝數(shù)為600匝，磁化電流為5A。當(dāng)鋼管管頭、管體和管尾分別與磁化線圈耦合時(shí)提取磁化線圈內(nèi)部產(chǎn)生的感生電流，如圖5-7所示。仿真分兩種：一是考慮鋼管渦流效應(yīng)時(shí)分析線圈感生電流與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，二是忽略鋼管渦流效應(yīng)而單獨(dú)分析線圈感生電流與鋼管運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系。分別取速度0.1m／s、1m／s、2m／s、5m／s、8m／s、10m／s、20m／s、30m／s、40m／和50m／s進(jìn)行仿真，獲得如圖5-8所示的磁化線圈感生電流與運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系曲線。其中I1csI2cs和I3cs分別為考慮鋼管渦流效應(yīng)時(shí)在管頭、管體和管尾處線圈中產(chǎn)生的感生電流，11cI2c和I3c分別為忽略不銹鋼管渦流效應(yīng)時(shí)磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流。

  圖5-8所示的仿真結(jié)果與圖5-6所示的理論分析結(jié)論相同：當(dāng)管頭進(jìn)入磁化線圈時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感生電流幅值為負(fù)，即與磁化電流方向相反；當(dāng)管體通過磁化線圈時(shí)，線圈中基本無感生電流產(chǎn)生；隨著管尾離開磁化線圈，此時(shí)線圈中產(chǎn)生與磁化電流方向相同的感生電流。根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感生電流會(huì)阻礙線圈磁通量的變化：當(dāng)管頭進(jìn)入磁化線圈時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生反向感生電流來阻礙磁通量的增大；當(dāng)管體與磁化線圈耦合時(shí)，由于線圈磁通量基本不變而無感生電流產(chǎn)生；當(dāng)管尾離開磁化線圈時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生同向感生電流來阻礙磁通量的減小。

  另外，從圖5-8中可以看出，在運(yùn)行速度較低時(shí)，磁化線圈中感生電流隨著速度的增加而快速上升；當(dāng)速度達(dá)到一定幅值時(shí)，磁化線圈中的感生電流基本保持不變。因?yàn)楦猩娏髦荒軠p緩磁化線圈磁通量的變化速度，而不能改變磁通量的變化趨勢。

  從圖5-8中還可以看出，鋼管中的渦流會(huì)削弱磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流，根據(jù)楞次定律，鋼管中的渦流同樣會(huì)阻礙鋼管中磁通量的變化。當(dāng)不銹鋼管進(jìn)入和離開磁化線圈時(shí)，鋼管中的磁通量變化規(guī)律同樣先增大后減小。由于磁化線圈磁通總量包含了不銹鋼管磁通量，所以，感生渦流在阻礙鋼管磁通量變化的同時(shí)也阻礙了線圈磁通量的變化速率，最終削弱了線圈感生電流的強(qiáng)度。