不銹鋼管高速漏磁檢測(cè)中有兩種電磁感應(yīng)現(xiàn)象：鋼管內(nèi)部的感生渦流和磁化線圈中的感生電流。這兩種電磁感應(yīng)場(chǎng)作用于鋼管之后，將改變鋼管的磁化狀態(tài)，從而會(huì)影響缺陷漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度與分布。

1. 感生磁場(chǎng)對(duì)管體缺陷漏磁場(chǎng)的影響

  當(dāng)不銹鋼管管體通過磁化線圈時(shí)，線圈內(nèi)部基本無感生電流產(chǎn)生，因此對(duì)管體缺陷漏磁場(chǎng)的影響主要是由不銹鋼管中產(chǎn)生的感生渦流磁場(chǎng)造成的。根據(jù)圖5-2可知，鋼管進(jìn)入?yún)^(qū)產(chǎn)生的感生渦流與磁化電流方向相反，在離開區(qū)兩者方向相同，在線圈中間位置基本沒有感生渦流產(chǎn)生，進(jìn)一步可獲得的感生磁場(chǎng)空間分布如圖5-9所示。從圖中可以看出，感生渦流在進(jìn)入?yún)^(qū)與離開區(qū)形成的磁場(chǎng)具有對(duì)稱性且方向相反。結(jié)合線圈產(chǎn)生的磁化場(chǎng)，形成如圖5-10所示的鋼管高速運(yùn)動(dòng)時(shí)管體處磁化場(chǎng)總體空間分布。從圖中可以看出，在鋼管進(jìn)入?yún)^(qū)線圈磁化場(chǎng)H。與感生渦流磁場(chǎng)H11方向相反，在離開區(qū)Ho與H2J方向相同。從而經(jīng)過磁場(chǎng)疊加后，離開區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于進(jìn)入?yún)^(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)一步造成離開區(qū)不銹鋼管磁化強(qiáng)度大于進(jìn)入?yún)^(qū)鋼管磁化強(qiáng)度，最終導(dǎo)致位于離開區(qū)的同尺寸缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度高于進(jìn)入?yún)^(qū)。

  當(dāng)不銹鋼管在磁化線圈中間靜止不動(dòng)時(shí)，磁化場(chǎng)以線圈為中心對(duì)稱分布，此時(shí)磁化場(chǎng)強(qiáng)度在線圈中部最大，往鋼管兩側(cè)逐漸降低。當(dāng)鋼管低速運(yùn)行時(shí)，感生渦流磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，對(duì)線圈磁化場(chǎng)分布影響較小，此時(shí)感生渦流相對(duì)于磁化線圈對(duì)稱分布。當(dāng)運(yùn)行速度提高時(shí)，感生渦流磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大，其疊加于線圈磁化場(chǎng)之后，使得整體磁化場(chǎng)最大值點(diǎn)由線圈中部逐漸移至離開區(qū)，同時(shí)感生渦流對(duì)稱點(diǎn)也會(huì)由磁化線圈中部處移至離開區(qū)內(nèi)。

  采用圖5-3所示的模型仿真研究鋼管感生渦流分布與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，仿真速度分別為0.5m／s、5.0m／s、20m／s和50m／s時(shí)提取感生渦流分布云圖，如圖5-11所示。

  從圖5-11中可以看出，當(dāng)鋼管低速運(yùn)行時(shí)，感生渦流場(chǎng)關(guān)于磁化線圈對(duì)稱分布，隨著檢測(cè)速度的不斷提高，感生渦流場(chǎng)對(duì)稱分布點(diǎn)逐漸向離開區(qū)偏移。

  采用圖5-3所示的模型對(duì)鋼管不同區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度與運(yùn)行速度進(jìn)行仿真分析。當(dāng)運(yùn)行速度分別為0.1m／s、0.5m／s、1.0m／s、5.0m／s和30m／s時(shí)提取鋼管內(nèi)部從-80～80mm范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖5-12所示。從圖中可以看出，當(dāng)運(yùn)行速度較低時(shí)，鋼管磁感應(yīng)強(qiáng)度以線圈為中心對(duì)稱分布；隨著運(yùn)行速度的不斷提高，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小，而且鋼管離開區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于進(jìn)入?yún)^(qū)。從而，感生磁場(chǎng)會(huì)引起管體缺陷漏磁場(chǎng)差異：同一缺陷在不同運(yùn)行速度下漏磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，速度越高，強(qiáng)度越低；另外，當(dāng)運(yùn)行速度相同時(shí)，相同當(dāng)量缺陷在進(jìn)入?yún)^(qū)產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度低于在離開區(qū)產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度。

  建立如圖5-13所示帶有缺陷的仿真模型，研究感生磁場(chǎng)對(duì)管體缺陷漏磁場(chǎng)的影響，其中，圓環(huán)缺陷的深度和寬度分別為6mm和4mm。鋼管從左側(cè)進(jìn)入線圈并以恒速通過，當(dāng)缺陷與線圈中心重合時(shí)，提取缺陷漏磁場(chǎng)軸向分量信號(hào)。漏磁場(chǎng)提取路徑以線圈為中心從-10～10mm的范圍內(nèi)，且與鋼管表面之間的提離距離為0.5mm。分別取速度1m／s、10m／s、20m／s、30m／s和50m／s進(jìn)行仿真，獲取缺陷漏磁場(chǎng)軸向分量，如圖5-14所示。

  從圖5-14中可以看出，隨著鋼管運(yùn)行速度的不斷提高，缺陷漏磁場(chǎng)軸向分量中心幅值不斷降低，并且離開區(qū)的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度大于進(jìn)入?yún)^(qū)。究其原因，由于鋼管中存在不同方向的感生渦流，導(dǎo)致離開區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于進(jìn)入?yún)^(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度。并且，隨著檢測(cè)速度的不斷提高，磁化場(chǎng)對(duì)稱中心逐漸移至離開區(qū)內(nèi)。

2. 感生磁場(chǎng)對(duì)管端缺陷漏磁場(chǎng)的影響

  不銹鋼管中產(chǎn)生的感生渦流磁場(chǎng)和磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流磁場(chǎng)對(duì)管端磁化狀態(tài)的影響劇烈。不銹鋼管漏磁檢測(cè)實(shí)施過程中，磁敏感元件一般放置在磁化線圈內(nèi)部并貼近鋼管表面，因此，在討論感生磁場(chǎng)對(duì)鋼管磁化狀態(tài)的影響時(shí)，主要分析位于磁化線圈內(nèi)部的鋼管耦合區(qū)域。鋼管與軸向磁化場(chǎng)的耦合過程主要分成三個(gè)階段：管頭進(jìn)入磁化線圈、管體通過磁化線圈和管尾離開磁化線圈。

  在管頭進(jìn)入磁化線圈的過程中，產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流源包括原始磁化電流Io、不銹鋼管中的感生渦流J和磁化線圈中的感生電流l1。當(dāng)管頭進(jìn)入磁化線圈時(shí)，一方面，僅存在鋼管進(jìn)入?yún)^(qū)與原始磁化場(chǎng)耦合，鋼管內(nèi)只產(chǎn)生與原始磁化電流1。方向相反的感生渦流J；另一方面，由于磁化線圈磁通總量不斷提高，線圈中會(huì)形成與原始磁化電流1。方向相反的感生電流I1，最終，可獲得鋼管管頭處磁場(chǎng)的總體分布，如圖5-15a所示。從圖中可以看出，感生渦流磁場(chǎng)1J和感生電流磁場(chǎng)H1均與原始磁化場(chǎng)Ho方向相反，此時(shí)，總磁化場(chǎng)H為

  隨著不銹鋼管的進(jìn)一步深入磁化線圈，鋼管管體與軸向磁化場(chǎng)耦合。由于磁化線圈內(nèi)部磁介質(zhì)總量基本不變，磁化線圈磁通總量也基本保持不變，因此磁化線圈內(nèi)部基本無感生電流產(chǎn)生。此時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流源主要包括原始磁化電流I6和鋼管中的感生渦流J。在進(jìn)入?yún)^(qū)，鋼管中形成與原始磁化電流1。方向相反的感生渦流J1；在離開區(qū)，鋼管中形成與原始磁化電流16方向相同的感生渦流J2，最終，可獲得鋼管管體處磁場(chǎng)的總體分布，如圖5-15b所示。從圖中可以看出，進(jìn)入?yún)^(qū)感生渦流磁場(chǎng)H與原始磁化場(chǎng)Ho方向相反，而離開區(qū)感生渦流磁場(chǎng)H2J與原始磁化場(chǎng)方向相同，此時(shí)，總磁化場(chǎng)H為

  在管尾離開磁化線圈的過程中，產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流源包括原始磁化電流Io、鋼管中的感生渦流J和磁化線圈中的感生電流I1。當(dāng)管尾離開磁化線圈時(shí)，一方面，僅存在鋼管離開區(qū)與原始磁化場(chǎng)耦合，因此鋼管內(nèi)部只存在與原始磁化電流Io方向相同的感生渦流J2；另一方面，由于磁化線圈內(nèi)部磁通總量不斷降低，線圈中會(huì)形成與原始磁化電流I。方向相同的感生電流I1，最終，可獲得鋼管管尾處磁場(chǎng)的總體分布，如圖5-15c所示。從圖中可以看出，感生渦流磁場(chǎng)H2J和感生電流磁場(chǎng)H1均與原始磁化場(chǎng)H。方向相同，此時(shí)，總磁化場(chǎng)H為

  從不銹鋼管與磁化場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合過程可以看出，由于在管頭、管體與管尾處產(chǎn)生不同強(qiáng)度和空間分布的磁化場(chǎng)，從而導(dǎo)致鋼管不同部位的磁化狀態(tài)存在差異。根據(jù)式（5-6）、式（5-7）和式（5-8）可得出，運(yùn)動(dòng)鋼管管尾處磁化場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，管體次之，而管頭磁化場(chǎng)最弱。進(jìn)一步地，相同當(dāng)量缺陷將在鋼管管頭、管體和管尾處產(chǎn)生不同強(qiáng)度的漏磁場(chǎng)。

  研究感生磁場(chǎng)對(duì)鋼管管端磁化狀態(tài)的影響，仍采用圖5-3所示的模型。為分析鋼管中感生渦流和線圈感生電流對(duì)管端磁化狀態(tài)的影響，仿真環(huán)境分兩種：一是同時(shí)考慮鋼管中感生渦流和線圈感生電流的情況下，分析感生磁場(chǎng)對(duì)管端磁化狀態(tài)的影響；二是單獨(dú)分析線圈感生電流對(duì)管端磁化狀態(tài)的影響。當(dāng)鋼管運(yùn)動(dòng)至如圖5-16所示的三處位置時(shí)，分別提取鋼管管頭、管體和管尾的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并繪制成與運(yùn)行速度的關(guān)系曲線，如圖5-17所示。其中，B1scB2sc和B3sc分別為同時(shí)考慮鋼管感生渦流和線圈感生電流時(shí)鋼管管頭、管體和管尾的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B1cB2c和B3c分別為單獨(dú)考慮線圈感生電流時(shí)鋼管管頭、管體和管尾的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

  從圖5-17中可以看出，當(dāng)不銹鋼管低速運(yùn)行時(shí)，鋼管管頭、管體和管尾的磁感應(yīng)強(qiáng)度差別較小。隨著運(yùn)行速度的不斷提高，規(guī)律曲線可分為兩部分：急劇變化區(qū)和緩慢變化區(qū)。在急劇變化區(qū)，當(dāng)運(yùn)行速度提高時(shí)，鋼管管頭磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇降低，管體磁感應(yīng)強(qiáng)度緩慢減弱，管尾磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇增強(qiáng)；在緩慢變化區(qū)，鋼管管頭、管體和管尾磁感應(yīng)強(qiáng)度變化緩慢并最終基本保持不變。

  從圖5-17中還可得出，鋼管感生渦流和磁化線圈感生電流對(duì)鋼管磁化狀態(tài)的綜合影響大于線圈感生電流的單獨(dú)作用，數(shù)值有限元仿真結(jié)果與圖5-15理論分析結(jié)論相同，鋼管高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象包含鋼管中產(chǎn)生的感生渦流和磁化線圈產(chǎn)生的感生電流，并且兩者產(chǎn)生的感生磁場(chǎng)對(duì)鋼管磁化狀態(tài)的影響貢獻(xiàn)相當(dāng)，都不能被忽略。

  綜上所述，感生磁場(chǎng)引起端部缺陷漏磁場(chǎng)差異為：鋼管運(yùn)行速度越高，管頭、管體和管尾處的鋼管磁感應(yīng)強(qiáng)度差別越大，造成相同當(dāng)量的缺陷在管尾處產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)最強(qiáng)，管體次之，管頭最弱。