1、钢管漏磁检测技术及设备by Yihua Kang, Jianbo Wu and Yanhua Sun 无损检测（NDT）的一种重要方法，漏磁检测（MFL），是建立在某铁磁样品在一定的磁化状态下如果存在任何的不连续性便会产生漏磁这一物理现象之上的检测方法。磁敏传感器是用来捕捉缺陷附近的漏磁通。1932年，Elmer Sperry成功地采用U形导磁体和感应线圈完成了铁磁材料的检验；这是第一个应用漏磁技术的案例（Sperry, 1932）。在过去的几十年里，漏磁检测技术在包括技术，设备和信号处理等方面已经取得了巨大的进步。 漏磁检测是一种非接触式的方法，不受周围存在的非磁性介质试样影响，因此检查仍然
2、可以在样品表面不干净时进行，如表面有污垢或灰尘（Dutta，2008）。除此之外，由于快速连续的扫描和数字信号处理,因而漏磁是一种高效的无损检测方法。正因为这些特点，漏磁具有明显的优势，尤其是在细长的铁磁性物体的自动检测中，如钢管的检测。 随着石油和天然气工业的发展，钢管的需求越来越大，因此需要有效的无损检测方法及相关的仪器设备（API，2008）。通常，钢管的检查是由固定在检测车间的漏磁设备有效地完成（ASNT，2004）。因此，本文对自动检测技术与钢管固定装置进行了概述。漏磁技术及其在相对螺旋扫描中的应用相对螺旋扫描是一种基于纵向和横向漏磁检测的技术。众所周知,不连续性产生漏磁通,当漏磁的
3、方向是垂直于铁磁样本中的磁场时，就可以容易地被磁敏传感器检测出。对于钢管，纵向（平行于轴线）和横向（垂直于轴线）是两个极限方向，这两个方向的缺陷需要全方位地进行检测。因此，最常用的检测技术包括用于周向缺陷的轴向磁化（即，横向）和用于纵向缺陷的周向磁化（(Brandstrom, 2006; Foerster, 2007; Reeves, 2006; Rogers, 2006; Siebert and Sutherland, 1999; Smith and Hay, 2000; Wernicke, 1993）。对于周向缺陷的检查，可以利用插入的励磁线圈很容易地完成。然而对于纵向缺陷，在要求没有漏检
4、区存在的情况下完成全面检测要困难得多。通常，周向磁化是利用一个双电磁极来实现的。由于磁极附近钢管的磁通在圆周方向上是不均匀的，在两极之间的区域存在漏检区，因此需要在输送钢管通过机器时利用旋转磁极和磁敏传感器线圈完成相对螺旋扫描。 通常，有两种技术来实现相对螺旋扫描，分别对应两种相关的检测技术，如图1所示。在第一种方法中，如图1a所示，钢管做直线运动时纵向缺陷的检测区域做旋转运动。这些机器是相当复杂的，因为用于检测纵向缺陷的检测系统也在旋转。第二种电磁系统，如图1b所示，钢管在机器中做螺旋运动，而磁极和磁敏传感器线圈固定。与第一种技术和设备相比，第二种具有几个优点；更少的复杂设计及更高的效率。因
5、此，钢管螺旋运动、测试设备固定的系统被广泛应用在要求自动化和快速检测的各种型号钢管的检测中。图1：相对螺旋扫描下传统漏磁检测技术与仪器（a）管做直线运动；（b）管做螺旋运动基于正交磁化的漏磁检测技术和设备 由于相对螺旋扫描的要求，在上一节提到的常规技术特别适合应用于检测钢管，因为钢管容易产生自旋转运动。此外，在钢管或检测单元旋转的情况下，很难达到超过2.5米/秒的测试速度（8.2英尺/秒）。随着测试需求的发展，不容易产生自旋转的，如长达3000米（9843英尺）的螺旋油管以及方管，也需要进行非常有效的检测。因此，一种新的基于正交磁化的漏磁检测技术被提出，它用于完成检测速度在3米/秒和8米/秒（
6、9.8和26.3英尺/秒）之间的高速线性扫描，而非使用传统螺旋方法（Sun和Kang,2010）。由于单一的周向磁化是螺旋扫描存在的唯一理由，在基于正交磁化的新型漏磁检测技术中，两个正交的周向磁化器被正交垂直放置于轴线不同的位置上，通过产生一个互补的检测区域用于减少整个圆周面上的漏检区域。如图2所示,此测试系统包含两个纵向的检测单元和一个周向的缺陷检测单元，从而在钢管沿轴向直线运动时完成对整个钢管壁的检测。图2。基于正交磁化的全方位缺陷漏磁检测原理图基于正交磁化的漏磁检测技术通过避免检测单元和钢管旋转打破了传统的多向检测，因此具有很大的优势。这种新技术有几个优点，包括特别适合于难周向转动的钢管
7、，如环形油管和方形管。此外，这种新的技术也满足高速测试的要求。钢管高速检测装置的应用如图3a所示。在这种情况下，对于周向缺陷的检测，用轴向磁化器磁化比使用传统磁化方法更加简单，且这个认识对纵向裂纹的检测是至关重要的。在此轴向磁化技术中，由线性扫描得到的1x1x20毫米（0.04x0.04x0.79英寸）纵向裂缝的测量信号在图3b中示出。这些信号来自周向磁化器产生的切向漏磁。通过切向漏磁，很容易找到信噪比信号良好的纵向裂纹。图3。基于正交磁化的钢管漏磁检测应用：（a）正交磁化后被检的钢管；（b）由周向磁化器产生的纵向裂纹的测试信号 此外，探头的设计也应在高速漏磁检测中被考虑。由于探头和快速移动的
8、钢管之间的严重摩擦，环境温度会显著上升，导致使用寿命和磁传感器精度降低。而一种导气探头，原理类似于气体润滑轴承，可以通过在探针和管道表面之间形成空气薄膜而消除摩擦，并在此后高度适合于高速测试（Chen and He，2006；He and Chen，2007）。基于单向磁化的漏磁检测技术和设备漏磁检测方法及其相关设备也具有体积大、成本高等缺点。为了解决这些问题，在进行需满足上文所示正交磁化的要求的检测时，一种基于单向磁化的技术被提出，它只由一个检测单元组成并用于进行全方位缺陷检测，大大简化了测试装置的结构（Sun and Kang，2010）。这种新技术是基于发现平行于磁化方向的缺陷产生的漏磁
9、。传统上，当磁化密度处于正常的范围，缺陷产生的平行于磁化方向的漏磁通太弱以至于很难从背景磁场噪声中分辨出。然而，随着磁化密度的增大而达到强磁化时，同一缺陷处有信号出现，其幅度明显上升到一个更高的水平，如图4所示。因此，一个轴向磁化器是足够检测多方向缺陷的，包括纵向缺陷、周向缺陷和倾斜缺陷(Sun and Kang, 2010)。图4。单向及轴向磁化下周向和轴向裂纹的漏磁检测信号曲线图这一技术仅能在钢管做线性轴向运动的前提下完成检测。此外，只有一个检查单元是必要的，其结果是检测系统大大简化，如图5所示。基于单向磁化的漏磁检测方法使得结合轴向和周向磁化的常规漏磁检测有所突破，并且可在3到8米/秒（
10、9.8至26.3英尺/秒）高速检测中广泛应用，特别适用于不能自由转动的物体，如螺旋管和方管。这种技术的应用，即，螺旋油管在单向磁化下的测试设备，在图6a显示。图中，新的设备具有一个大小合理的结构，低价格和理想的检测效果。类似于前面提到的测试（即，纵向裂纹检测），一个1x1x20毫米（0.04x0.04x0.79英寸）的纵向裂缝测试信号被获得，如图6b所示。这些信号是来自由轴向磁化引起的切向漏磁。图5。单向及轴向磁化下钢管的全方位缺陷漏磁检测原理图。图6。螺旋油管检查：（a）螺旋油管在检测装置下单向磁化；（b）单向磁化下纵向裂纹在轴向产生得测试信号。通常，该信号的幅度作为评价钢管现状的基础。由于
11、尺寸相同的缺陷在横向和纵向上的振幅信号存在差异，系统需要一个复杂的信号处理过程来关联具有相同大小的缺陷在不同的方向上的响应。这种信号处理已经成形，在同一区域内横向和纵向缺陷的关系已被运用（Sun and Kang 2010）。钢管自动漏磁检测系统在一般情况下，钢管自动检测在无损检测车间进行。一种情况是在使用中的管道。这些钢管被聚集在一个位置，在那儿检测和分类将自动执行。通常，管道状态被分为不合格，存在问题，合格的。基于这些检测结果，管道会作报废，修理或直接寄回工地等处理。另一种情况是检测在生产线上的新钢管。根据美国石油协会/国际组织的标准化规范要求，不同牌号的钢管必须由至少一种无损检测方法检测
12、，所以新的钢管通常在制造期间（或制成后短时间）被检测（API，2008）。钢管在检测车间检测是在一个自动化检测线被执行的，如图7。图7。钢管漏磁检测在车间的工艺流程：1 =钢管，2 =装载台，3 =装载机，4 =输送辊，5 =检测单元，6 =缺陷标记单元，7 = 卸载机，8 =卸载台。具体的测试过程如下：所有的管道都聚集在装载台；钢管由装载机移动到管道输送辊；输送辊驱动管通过检测单元；检测由漏磁检测自动执行；标记单元用彩色标志喷涂在管上标记出缺陷大概的位置和严重程度；最后，钢管由卸载机移出输送辊。对于不同的漏磁检测方法管道输送辊能以不同的角度放置使管道做螺旋或者直线运动。使用自动检测线，检测可
13、以有效地进行，从而满足不断增加的对钢管快速无损检测需求。结论 钢管在油气行业中发挥巨大的作用，作为在合理的成本内有效监控管道状况的一种方法，准确、快速的无损检测技术是必要的。随着过去几十年漏磁检测的发展，漏磁检测技术和设备已成为用于在车间中检测细长铁磁钢管的最广泛使用且最有效的在线检测工具。如今，对于想要购买NDT系统的人来说主要有三种漏磁检测系统被用于车间检测，他们为钢管工业提供了不同的技术选择。最终的检测技术可以根据具体的检测情况进行选择，如产品的规格、灵敏度要求和测试速度。附录：单向磁化下多方向漏磁检测的说明在单向磁化下横向和纵向缺陷的信号振幅存在差异。由于无穷小元素f中参数a，b和c的
14、变化，是很难单独使用大小相同但方向不同的的缺陷信号振幅得到一个常规的评估。从信号的形状，可以发现在检测信号的切向组成中存在一些相关的特征；即，平行于磁化方向的B方向（切向组成），如图8。图8。全方位缺陷切向分量的信号特征 在图5中可以看到，虽然信号幅度不同，信号波形的面积值是大致相等的。他们的关系可以表示为其中Hs是高于零线信号幅度高，Ws 高于零线的信号宽度，K，k和k 分别为不同的修正系数。从方程1，单向磁化下全方位缺陷的统一无损检测的磁化强度可以计算出。如图9所示，横向缺陷检测信号波形的面积大致等于纵向的，得出一致的同一深度评价。图9。周向和纵向缺陷检查信号波形面积的评价AUTHORSY
15、ihua Kang: Huazhong University of Science and Technology,School of Mechanical Science and Engineering,State Key Lab of Digital Manufacture Equipment and Technology,Wuhan 430074, China.Jianbo Wu: Huazhong University of Science and Technology,School of Mechanical Science and Engineering, State Key Lab
16、 of Digital Manufacture Equipment and Technology,Wuhan 430074, China.Yanhua Sun: Huazhong University of Science and Technology,School of Mechanical Science and Engineering,State Key Lab of Digital Manufacture Equipment and Technology,Wuhan 430074, China; e-mail syhhust.REFERENCESAPI, “Petroleum and
