張麗攀 馬冰洋 宋 凱 王 振

1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌，330063 2.南昌航空大學(xué)科技學(xué)院，南昌，330063

0 引言

管道，特別是鐵質(zhì)管道，作為存儲(chǔ)運(yùn)送石油、天然氣等介質(zhì)的重要載體，被廣泛應(yīng)用于油氣開(kāi)采、化工、城市地下管廊等基礎(chǔ)建設(shè)方面，在國(guó)民生活以及工業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用。根據(jù)相關(guān)標(biāo)

?準(zhǔn)，其出廠前必須進(jìn)行100%檢測(cè)［1］。渦流檢測(cè)是一種普遍使用的檢測(cè)方法。鐵磁性材料在加工以及運(yùn)輸過(guò)程中由于外界因素導(dǎo)致材料表面或近表面產(chǎn)生不均勻的磁導(dǎo)率會(huì)干擾渦流檢測(cè)的正常實(shí)施，因此對(duì)于鐵磁性管道的檢測(cè)，通常需要另外附加磁飽和裝置［2］，以降低材料磁導(dǎo)率波動(dòng)對(duì)渦流信號(hào)的干擾。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)鐵磁材料磁飽和程度并沒(méi)有明確定義，磁化后鐵磁材料缺陷附近磁導(dǎo)率是否均勻一致也未有涉及，因此研究磁化后鐵磁材料磁導(dǎo)率的分布狀況對(duì)辨析磁化渦流檢測(cè)的實(shí)質(zhì)具有重要意義。

磁化渦流檢測(cè)通常采用直流勵(lì)磁或者永磁體磁化，目的均為降低檢測(cè)區(qū)域的磁導(dǎo)率。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了許多研究［3?4］，對(duì)磁化條件下的鐵磁材料電磁特性的研究大都集中在漏磁檢測(cè)方面。熊龍輝等［5］研究了漏磁法檢測(cè)鋼軌裂紋時(shí)的巡檢速度、勵(lì)磁激勵(lì)和磁軛提離距離對(duì)鋼軌材料磁化強(qiáng)度的影響，并分析了其對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。楊理踐等［6］分析了漏磁信號(hào)幅值與工件厚度的關(guān)系，研究了鋼板厚度對(duì)磁化效果的影響，指出了鋼板磁飽和的臨界點(diǎn)。對(duì)于鐵磁材料的電磁檢測(cè)研究，大多更關(guān)注檢測(cè)技術(shù)本身的優(yōu)化以及缺陷的磁場(chǎng)分布特性和磁化方法［7?10］，而對(duì)磁化狀態(tài)下鐵磁材料缺陷處的磁導(dǎo)率分布狀況的研究尚不多見(jiàn)。

本文從仿真角度出發(fā)，以典型鐵磁管道為對(duì)象，建立鋼管數(shù)值計(jì)算的三維有限元模型，研究表面缺陷和內(nèi)部缺陷附近的磁場(chǎng)以及材料磁導(dǎo)率的分布特征，以期得到缺陷磁導(dǎo)率與勵(lì)磁強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 磁化仿真模型

鐵磁管道的磁化過(guò)程與渦流檢測(cè)是同時(shí)進(jìn)行的，通常采用不含有鐵氧體的穿過(guò)式線圈或者馬蹄形線圈進(jìn)行渦流檢測(cè)，探頭拾取的信號(hào)經(jīng)過(guò)相敏檢波及濾波過(guò)程后，僅有高頻的渦流信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)［11］，因此得到的結(jié)果不含有漏磁作用對(duì)探頭的影響。忽略速度對(duì)磁化效果的影響，可對(duì)磁化渦流檢測(cè)的磁化部分獨(dú)立研究。

以鋼為研究對(duì)象建立三維有限元1/4模型，管道的外徑為R1，厚度為W1，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，磁化線圈內(nèi)徑為R2，厚度為W2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，缺陷長(zhǎng)度為L(zhǎng)f，寬度為 Wf，深度為 Df；磁化線圈的電導(dǎo)率為σCu，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，管道的電導(dǎo)率為σS。輸入X50鋼的B?H曲線,見(jiàn)圖1。采用外穿過(guò)式線圈磁化管道，缺陷區(qū)域的鋼管網(wǎng)格重點(diǎn)加密，逐漸向外稀疏，過(guò)渡比例控制為1/6，見(jiàn)圖2。整個(gè)模型外層設(shè)置近遠(yuǎn)場(chǎng)空氣層，同時(shí)在外邊界施加通量平行條件，求解后通過(guò)后處理獲得關(guān)注區(qū)域的電磁場(chǎng)分布及參量。

圖1 鋼的B?H曲線Fig.1 B?H curve of steel

圖2 鋼管磁化仿真模型Fig.2 Sim u lation m ode of steel pipe under m agnetization

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 勵(lì)磁強(qiáng)度對(duì)管道表面磁場(chǎng)及漏磁場(chǎng)的影響

設(shè)置鋼管外徑R1為36.5mm，厚度W1為6mm，長(zhǎng)度L1為600 mm；勵(lì)磁線圈內(nèi)徑R2為42.5 mm，厚度W2為20mm，長(zhǎng)度L2為120mm；缺陷為周向短槽缺陷，位于管道內(nèi)外表面的中心處，長(zhǎng)度Lf為20 mm，寬度Wf為1mm，深度Df為1 mm，管道參數(shù)與實(shí)驗(yàn)所用管道參數(shù)一致。鋼管的磁化渦流檢測(cè)通常需要多次調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流，使管道被檢測(cè)區(qū)域處于磁飽和狀態(tài)。仿真模擬與實(shí)驗(yàn)均采用勵(lì)磁電流表征鐵磁管道的勵(lì)磁強(qiáng)度。圖3所示為勵(lì)磁電流為8～30 A時(shí)的仿真模型中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量與實(shí)際鋼管中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量。

圖3 仿真與實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)對(duì)比Fig.3 M agnetic field of sim u lation and experim ent

根據(jù)圖3所示參考電流，設(shè)置勵(lì)磁電流為0～34 A，步進(jìn)間隔為1 A。勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)對(duì)鋼管實(shí)施縱向磁化時(shí)，缺陷區(qū)域的表面磁場(chǎng)既有線圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)，也有缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)。鋼管缺陷區(qū)域的磁場(chǎng)為線圈產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)與缺陷漏磁場(chǎng)的矢量疊加，有缺陷時(shí)與無(wú)缺陷時(shí)鋼管表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的絕對(duì)值即為缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)大小。設(shè)置不同的勵(lì)磁電流，提取管道外表面且位于缺陷正上方3 mm位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及管道不含缺陷時(shí)同位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即得到磁感應(yīng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流I的關(guān)系，進(jìn)一步可得到缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)與勵(lì)磁電流I的變化關(guān)系，見(jiàn)圖4。提取模型中心處鋼管表面單元的磁導(dǎo)率μ，通過(guò)公式μr= μ/μ0，其中μ0=4π × 10-7N/A2，得到相對(duì)磁導(dǎo)率μr。圖5所示為無(wú)缺陷時(shí)鋼管軸向中間位置表面的相對(duì)磁導(dǎo)率μr與勵(lì)磁電流I的變化關(guān)系。

圖4 鋼管表面磁場(chǎng)與漏磁場(chǎng)Fig.4 Su r facem agnetic field and leakagem agnetic field of pipe

圖5 鐵磁管道相對(duì)磁導(dǎo)率與勵(lì)磁電流關(guān)系Fig.5 Relativem agnetic perm eability and excitation cu rren t in ferrom agnetic pipe

由圖4可以看出，勵(lì)磁電流為2～4 A時(shí)管道處于初始磁化區(qū)，管道表面的磁場(chǎng)比較微弱，2 A時(shí)漏磁強(qiáng)度ΔBY僅有1.7 G，4 A時(shí)為4.3 G。電流達(dá)到6 A以后，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度呈幾何級(jí)數(shù)增大，6 A時(shí)為19 G，12 A時(shí)達(dá)到440 G。勵(lì)磁電流為14 A時(shí)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度為501 G，隨后漏磁場(chǎng)強(qiáng)度隨勵(lì)磁電流緩慢增大，勵(lì)磁電流從14 A增至34 A，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度僅增大了6.9%?？煽闯觯瑒?lì)磁電流達(dá)到14 A以后，漏磁場(chǎng)增加非常緩慢，按照電磁學(xué)中對(duì)磁飽和的相關(guān)定義，管道已達(dá)到磁飽和狀態(tài)。

就鋼管表面的相對(duì)磁導(dǎo)率而言，不施加磁化時(shí)管壁的相對(duì)磁導(dǎo)率很高，達(dá)到528。為了更清楚地觀察磁導(dǎo)率與勵(lì)磁電流的變化關(guān)系，勵(lì)磁電流在0～2 A之間時(shí)步進(jìn)間隔縮小為0.2 A。在0～3 A之間，相對(duì)磁導(dǎo)率快速增至最大值662，磁導(dǎo)率與勵(lì)磁電流成正相關(guān)，繼續(xù)增大勵(lì)磁電流，磁導(dǎo)率迅速下降。勵(lì)磁電流為16 A時(shí)僅有最大值時(shí)的7.5%，勵(lì)磁電流大于16 A時(shí)，磁導(dǎo)率繼續(xù)下降，但下降速度明顯降低，勵(lì)磁電流從24 A增至30 A時(shí)，磁導(dǎo)率下降了23.4%；勵(lì)磁電流在30～34 A之間，磁導(dǎo)率下降了12.9%，此時(shí)雖然已經(jīng)處于磁飽和的范圍，但管道的磁導(dǎo)率仍在下降。

綜合缺陷漏磁場(chǎng)以及鋼管表面磁導(dǎo)率與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系可知，管道磁飽和的狀態(tài)可以通過(guò)漏磁場(chǎng)與磁導(dǎo)率兩個(gè)角度判定?？傮w趨勢(shì)上，對(duì)于管道磁飽和狀態(tài)的認(rèn)定，漏磁法與磁導(dǎo)率方式是一致的。管壁的磁導(dǎo)率在達(dá)到磁飽和后，電流由14 A增至34 A，相對(duì)磁導(dǎo)率由60.5降至9.7，下降了83.9%，而漏磁場(chǎng)在此區(qū)間內(nèi)僅增加了6.9%。從以上結(jié)果分析可知，即使管道在飽和狀態(tài)，增大勵(lì)磁電流還對(duì)磁導(dǎo)率有一定影響。

2.2 缺陷區(qū)域的磁導(dǎo)率分布特征

利用計(jì)算得到的鋼管各網(wǎng)格單元的絕對(duì)磁導(dǎo)率μ，獲得鋼管模型各單元的相對(duì)磁導(dǎo)率μr，從而得到管道的相對(duì)磁導(dǎo)率的分布云圖。圖6、圖7中給出了管道勵(lì)磁電流為30 A時(shí)外壁缺陷與內(nèi)壁缺陷的磁導(dǎo)率分布。可以看出，外壁缺陷相對(duì)磁導(dǎo)率最大值為378.2，最小為5.5，而內(nèi)壁缺陷相對(duì)磁導(dǎo)率最大值為437.4，最小為5.6。內(nèi)外壁缺陷周圍的磁導(dǎo)率并非如文獻(xiàn)中所認(rèn)為的磁飽和后的管道的磁導(dǎo)率是均勻的，即使在深度飽和情況下缺陷附近仍然存在磁導(dǎo)率不均勻的區(qū)域。由于滲透深度的存在，外穿過(guò)式線圈對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)僅能夠?qū)Σ牧系谋砻婧徒砻孢M(jìn)行檢測(cè)，因此需要考慮缺陷對(duì)管道外表面磁導(dǎo)率的影響。圖7a中并未觀察出內(nèi)部缺陷對(duì)管道外表面磁導(dǎo)率的影響，這是由于內(nèi)壁缺陷引起鋼管外壁磁導(dǎo)率波動(dòng)相對(duì)較小，在較大范圍的顯示模式下難以識(shí)別其變化，因此通過(guò)映射路徑的方法提取其變化可以更直觀地觀察出缺陷對(duì)管道外表面磁導(dǎo)率的影響。

圖6 外壁缺陷的相對(duì)磁導(dǎo)率分布Fig.6 Relativem agnetic perm eability d istribution of outer defects

圖7 內(nèi)壁缺陷的相對(duì)磁導(dǎo)率分布Fig.7 Relativem agnetic perm eability distribu tion of inner defects

圖8所示為勵(lì)磁電流30 A時(shí)內(nèi)外壁缺陷附近沿鋼管表面軸線方向上距離管道表面不同深度處的相對(duì)磁導(dǎo)率分布狀況。由于磁化程度的差異，管道不同深度h處相對(duì)磁導(dǎo)率分布狀況較為復(fù)雜。對(duì)于外壁缺陷，由距離管道外表面深度h小于1 mm處的相對(duì)磁導(dǎo)率的分布可以看出，相對(duì)磁導(dǎo)率以缺陷中心位置為起始沿軸線向兩側(cè)迅速減小。缺陷位置深度h=0.5mm處相對(duì)磁導(dǎo)率峰值大于h=0.1mm處相對(duì)磁導(dǎo)率峰值，0.1 mm處相對(duì)磁導(dǎo)率峰值為104.86，0.5mm處峰值為106.87。隨著深度的增大,管道遠(yuǎn)離缺陷處的相對(duì)磁導(dǎo)率稍有增大但基本趨于一致，而缺陷位置的相對(duì)磁導(dǎo)率峰值卻迅速減小，h=2 mm位置的相對(duì)磁導(dǎo)率峰值為19.7，僅為0.1 mm處峰值的18.7%。同時(shí)缺陷附近相對(duì)磁導(dǎo)率峰-峰值之間的寬度要大于缺陷自身的幾何寬度，h為0.1mm、0.5mm、1mm處的峰-峰值寬度為1.5mm，而h為2mm處的峰-峰值寬度甚至大于3mm。隨著深度的增大，深度大于2mm后相對(duì)磁導(dǎo)率反而僅有極小值。

圖8 勵(lì)磁電流30 A時(shí)不同深度的相對(duì)磁導(dǎo)率Fig.8 Relativem agnetic perm eability of differen t dep th under I=30 A

對(duì)于內(nèi)壁缺陷來(lái)說(shuō)，通過(guò)獲取距管道外壁為0.1～2 mm處的相對(duì)磁導(dǎo)率分布可以看出，內(nèi)壁缺陷的存在引起了鋼管外表面磁導(dǎo)率的改變，缺陷正上方位置磁導(dǎo)率有極小值。h=0.1 mm處，管壁的相對(duì)磁導(dǎo)率約為7.76，路徑上相對(duì)磁導(dǎo)率最大值為8.2，最小為5.63，相對(duì)磁導(dǎo)率最大值與最小值之間的差值為2.57。深度增至0.5 mm時(shí)，遠(yuǎn)離缺陷處相對(duì)磁導(dǎo)率增至12.8，最大值與最小值的差值增至5，但靠近缺陷區(qū)域的相對(duì)磁導(dǎo)率變化最為劇烈。對(duì)于渦流檢測(cè)而言，內(nèi)部缺陷的存在引起的鋼管表層磁導(dǎo)率不均勻分布可能引起渦流探頭產(chǎn)生信號(hào)響應(yīng)，這也是管道在飽和條件下能夠檢測(cè)到趨膚深度外的內(nèi)部缺陷的原因。

2.3 勵(lì)磁強(qiáng)度對(duì)缺陷區(qū)域磁導(dǎo)率的影響

勵(lì)磁電流I分別取為10 A、14 A、18 A、22 A、26 A、30 A，模型其他參數(shù)不變，設(shè)置路徑深度為0.15 mm，得到鋼管近表面磁導(dǎo)率與勵(lì)磁電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)圖9。

圖9 不同勵(lì)磁電流下的相對(duì)磁導(dǎo)率分布（h=0.15mm）Fig.9 Relativem agnetic perm eability distribution w ithd ifferen t excitation cu rren t（h=0.15mm）

管道的磁導(dǎo)率與勵(lì)磁電流成負(fù)相關(guān)，隨著勵(lì)磁電流的增大，內(nèi)外表面缺陷附近的磁導(dǎo)率以及遠(yuǎn)離缺陷處的磁導(dǎo)率迅速下降。外壁缺陷的相對(duì)磁導(dǎo)率峰-峰值間距約為3 mm，但隨著勵(lì)磁電流的增大而減小，10 A時(shí)約為3.06，30 A時(shí)約為2.94，僅減小了4%。對(duì)內(nèi)壁缺陷而言，勵(lì)磁電流為14 A時(shí)，區(qū)域?qū)挾葹?.6 mm，而電流為30 A時(shí)，區(qū)域?qū)挾葹? mm，下降了54%，說(shuō)明勵(lì)磁電流越大，磁導(dǎo)率發(fā)生改變的區(qū)域?qū)挾仍叫?。隨著勵(lì)磁電流的增大，內(nèi)部缺陷對(duì)管壁處磁導(dǎo)率的影響越小，電流為10 A時(shí)，管壁相對(duì)磁導(dǎo)率與遠(yuǎn)離缺陷處的磁導(dǎo)率的差值為72；電流為22 A時(shí)，差值為39；電流為30 A時(shí)，差值為3.1，分別下降了45%和94%。以上說(shuō)明勵(lì)磁電流越大，內(nèi)部缺陷對(duì)管壁的磁導(dǎo)率影響越弱，電流為30 A時(shí)甚至可以忽略磁導(dǎo)率的差異，從而避免內(nèi)壁缺陷引起的表面磁導(dǎo)率改變對(duì)外表面缺陷渦流檢測(cè)帶來(lái)的干擾。勵(lì)磁電流較小時(shí)，內(nèi)壁缺陷引起管道外表面磁導(dǎo)率的差異較為明顯，內(nèi)部缺陷引起材料表面磁導(dǎo)率的差異不能忽略，有利于渦流方法對(duì)材料內(nèi)部缺陷實(shí)施渦流檢測(cè)。圖10與圖11分別為外壁、內(nèi)壁缺陷在勵(lì)磁電流為10 A和30 A時(shí)渦流檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出與理論分析較為一致。

圖10 10 A電流下的渦流檢測(cè)結(jié)果FIg.10 Eddy cu rren t testing resu lts under I=10 A

圖11 30 A電流下的渦流檢測(cè)結(jié)果FIg.11 Eddy cu rren t testing resu lts under I=30 A

2.4 壁厚對(duì)缺陷區(qū)域磁導(dǎo)率的影響

設(shè)置管道的壁厚為9 mm，缺陷尺寸不變，得到管道壁厚為9 mm時(shí)不同磁化程度下內(nèi)外壁缺陷的磁導(dǎo)率分布情況，見(jiàn)圖12。

將圖12與圖9（管道壁厚為6mm）對(duì)比可知，壁厚為9mm的管道其遠(yuǎn)離缺陷處的磁導(dǎo)率明顯大于壁厚6mm同部位磁導(dǎo)率，即壁厚9 mm管道的磁化程度較壁厚6 mm管道的磁化程度弱。外壁缺陷的缺陷尺寸不變，不同壁厚的鋼管其在缺陷附近的磁化程度不同。當(dāng)電流為14 A時(shí)，壁厚為9mm管道相對(duì)磁導(dǎo)率峰值達(dá)到284，較壁厚為6mm時(shí)增大了42%；當(dāng)電流為22 A時(shí)，壁厚為9 mm、6mm管道相對(duì)磁導(dǎo)率峰值分別為138和116。對(duì)于內(nèi)壁缺陷，當(dāng)勵(lì)磁電流為10 A與12 A時(shí)，壁厚為9 mm管道其表層磁導(dǎo)率并未出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，而勵(lì)磁電流為16 A時(shí)，磁導(dǎo)率才開(kāi)始有雙峰值，同磁化電流下壁厚為9mm管道其內(nèi)壁缺陷磁導(dǎo)率最大值與最小值的差值也隨勵(lì)磁電流的增大而減小，但厚度為9 mm管道其磁導(dǎo)率差值較6mm管的差值略小。綜上，隨管道厚度的增加，厚壁管因?qū)Υ鸥芯€的約束程度較弱使得管道整體的磁化水平較6 mm管道弱，因而影響勵(lì)磁條件下缺陷區(qū)域磁導(dǎo)率的分布狀況。

2.5 缺陷深度對(duì)缺陷區(qū)域磁導(dǎo)率的影響

設(shè)置勵(lì)磁電流I分別為14 A和28 A，缺陷深度d分別為1mm、2mm、3mm，管道壁厚為6mm時(shí)內(nèi)外壁缺陷的相對(duì)磁導(dǎo)率分布見(jiàn)圖13。

從圖13中可以看出，不同深度的外壁缺陷其磁導(dǎo)率的差異不僅體現(xiàn)在峰值上，缺陷深度越深，其磁導(dǎo)率峰值越大，同時(shí)其磁導(dǎo)率發(fā)生改變的范圍也較大。當(dāng)勵(lì)磁電流為10 A時(shí)，由于管道磁化程度較弱，磁感線受約束程度較弱因而其輻射的范圍較廣；當(dāng)勵(lì)磁電流增至28 A時(shí)，由于磁力線被強(qiáng)烈壓縮，缺陷區(qū)域磁導(dǎo)率發(fā)生改變的區(qū)域也有所減小。對(duì)于相同磁化程度不同深度的內(nèi)壁缺陷，其表層磁導(dǎo)率改變較小，兩種不同的磁化狀態(tài)下，其對(duì)應(yīng)的三種深度的缺陷附近的磁導(dǎo)率值近乎相同。

圖13 不同缺陷深度時(shí)的相對(duì)磁導(dǎo)率分布Fig.13 Relativem agnetic perm eability d istribu tion w ith different dep th of flaw

2.6 分析與討論

由上述結(jié)果可以看出，鐵磁材料在磁飽和狀態(tài)時(shí)，并沒(méi)有呈現(xiàn)出與標(biāo)準(zhǔn)中所說(shuō)的缺陷周圍磁導(dǎo)率是均勻的現(xiàn)象，因此不能將其當(dāng)做非鐵磁性材料看待。在飽和狀態(tài)時(shí)，缺陷磁導(dǎo)率仍然不均勻，即使材料處于深度磁飽和狀態(tài)，缺陷周圍的磁導(dǎo)率也不是均勻的。

從漏磁檢測(cè)角度考慮，鐵磁材料中缺陷的存在引起磁場(chǎng)的畸變，由于鐵磁材料的磁阻遠(yuǎn)小于空氣的磁阻，部分磁感線繞過(guò)缺陷從缺陷附近的材料中通過(guò)且經(jīng)過(guò)母材繞過(guò)缺陷的磁感線要遠(yuǎn)多于經(jīng)過(guò)空氣中的磁感線。如圖14所示，深度方向上大部分磁感線從缺陷下部通過(guò)，而缺陷端部的磁感線則大多從端部的母材中通過(guò)，因此造成該區(qū)域的磁感線相對(duì)密集，在原有磁化強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，引起該部位磁化程度比無(wú)缺陷處的磁化程度更強(qiáng)。

圖14 缺陷附近的磁矢量Fig.14 M agnetic vector around the defect

根據(jù)鐵磁材料的μ?H關(guān)系可知，磁導(dǎo)率是磁化強(qiáng)度H的函數(shù)，缺陷附近磁化程度的差異必然導(dǎo)致磁導(dǎo)率的分布不均。材料達(dá)到磁飽和后，磁導(dǎo)率隨磁化強(qiáng)度的增加而減小的程度依然較為明顯，磁化強(qiáng)度的微弱增大也會(huì)引起磁導(dǎo)率發(fā)生較大的改變。趨近飽和區(qū)時(shí)，材料的磁導(dǎo)率隨磁化強(qiáng)度改變尤為明顯，而此時(shí)外界磁場(chǎng)較弱，材料內(nèi)以及缺陷附近材料中的磁感線相對(duì)稀疏，缺陷引起磁感線變化的范圍較大，內(nèi)部缺陷也能引起材料表面產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，同時(shí)造成表面處磁導(dǎo)率的不均勻。勵(lì)磁電流增大時(shí)，大量的磁感線被壓縮在鐵磁材料有限空間內(nèi)，缺陷附近磁化程度不均勻的范圍也逐步縮小，從而造成磁導(dǎo)率不均勻的范圍縮小，同時(shí)磁感線聚集造成的磁化強(qiáng)度的增大導(dǎo)致整體磁導(dǎo)率的下降，因而在勵(lì)磁強(qiáng)度越大的情況下，內(nèi)壁缺陷和外壁缺陷磁導(dǎo)率最值降低。

由圖8、圖9可以看出，即使在磁飽和直流磁化下，無(wú)論外壁缺陷還是內(nèi)壁缺陷，在其邊緣區(qū)域磁導(dǎo)率仍處于非均勻狀態(tài)，導(dǎo)致磁導(dǎo)率局部發(fā)生畸變，因此進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)，外壁缺陷受缺陷處電導(dǎo)率變化、缺陷邊緣磁導(dǎo)率畸變和臨近缺陷區(qū)均勻磁導(dǎo)率的共同作用，在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，三者的影響有不同程度的增大或減小，這樣使渦流檢測(cè)阻抗信號(hào)相位隨之變化；而內(nèi)壁缺陷仍僅有缺陷因磁化導(dǎo)致的不均勻磁導(dǎo)率擴(kuò)散至外壁而被檢出，因而信號(hào)的影響因素較為單一，選擇合理的磁化電流將有利于區(qū)分兩種不同位置的缺陷。

3 結(jié)論

（1）采用有限元方法，建立了含有內(nèi)外表面缺陷鋼管磁化的三維局部分析模型，研究了管道漏磁場(chǎng)與磁導(dǎo)率隨勵(lì)磁電流的變化關(guān)系。對(duì)管道內(nèi)壁缺陷和外壁缺陷區(qū)域在不同勵(lì)磁狀態(tài)下的磁特性進(jìn)行了分析。

（2）鐵磁管道處于磁飽和時(shí)，外界磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變對(duì)漏磁場(chǎng)影響不大。而磁導(dǎo)率在管道達(dá)到磁飽和后，雖然數(shù)值上變化不大，但勵(lì)磁強(qiáng)度對(duì)磁導(dǎo)率變化率的影響依然較為明顯。

（3）磁飽和時(shí)，管道缺陷區(qū)域的磁導(dǎo)率并非標(biāo)準(zhǔn)中描述的是均勻的，受磁化強(qiáng)度差異的影響，缺陷周圍母材的磁導(dǎo)率分布較為復(fù)雜，內(nèi)壁缺陷的存在造成缺陷周圍的磁導(dǎo)率不均勻可影響外表面磁導(dǎo)率分布。通常認(rèn)為的飽和磁化，缺陷區(qū)域的飽和程度遠(yuǎn)未達(dá)到。

（4）在非飽和磁化下，內(nèi)壁缺陷能夠?qū)ν獗砻娲艑?dǎo)率造成較為明顯的影響，但隨磁飽和程度的增加而減弱。工程中為抑制管道內(nèi)部缺陷對(duì)表面缺陷檢測(cè)的干擾，可在管道飽和磁化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高勵(lì)磁電流。為了對(duì)管道內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，在磁飽和的基礎(chǔ)上采用較小的勵(lì)磁電流，同時(shí)對(duì)表面和內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。