不锈钢管自动化漏磁检测系统一般采用复合磁化方式对不锈钢管进行全方位检测，轴向磁化检测横向缺陷和周向磁化检测纵向缺陷，并且以纵向和横向刻槽作为质量评判标准。然而在不锈钢管检测过程中，自然缺陷的形状位置却有别于标准缺陷，即自然缺陷走向通常与标准磁化场方向存在一定倾角。国家标准GB/T 12604-1999关于缺陷形状位置对检测灵敏度差异的影响做如下描述：“当缺陷走向与磁力线垂直时，缺陷处漏磁场强度最大，检测灵敏度也最高。随着缺陷走向的偏斜，漏磁场强度逐渐降低，直至两者走向一致时，漏磁场强度接近为零。因此，当采用纵向、横向检测设备时，对斜向缺陷反应不甚敏感，易形成盲角区域”。
一、缺陷走向对漏磁场分布的影响
由于轧制工艺不完善而产生的钢管自然缺陷一般与轴线成一定斜角。与标准横、纵向缺陷相比，斜向缺陷漏磁场强度更低。斜向缺陷是不锈钢管生产过程中最为常见的一种缺陷，但在实际检测过程中往往以标准垂直缺陷作为评判标准，从而容易造成斜向缺陷的漏检。为实现对具有不同走向的同尺寸缺陷的一致性检测与评价，必须提出相应的漏磁场差异消除方法。
1. 斜向缺陷的漏磁场分布特性
图4-58所示缺陷分别为用于校验设备的标准人工刻槽和钢管轧制过程中形成的自然斜向缺陷。与标准刻槽相比，斜向缺陷走向与磁化场之间存在一定倾斜夹角，会导致相同尺寸斜向缺陷的漏磁场强度更低，从而容易形成漏检。
建立如图4-59所示的斜向缺陷漏磁场分析模型，缺陷1、缺陷2和缺陷3依次与磁化场B。形成夹角a1、α2和3，深度和宽度分别为d和2b，并形成漏磁场分布B2和B3。
当缺陷走向垂直于磁化场方向时，由于在磁化方向上缺陷左右两侧磁介质具有完全对称性，漏磁场可简化为(y,z)二维模型；但如果缺陷走向与磁化方向不垂直，此时，缺陷左右两侧磁介质在磁化方向上不对称，会对磁力线路径造成扰动，从而形成三维空间分布的非对称漏磁场。
以缺陷两侧面上P1、P2和P3点作为研究对象，分析缺陷两侧面磁势分布。图4-60a所示为斜向缺陷漏磁场分析模型，根据磁路原理，沿着磁力线路径分布的P1、P2和P3处磁势Uml、Um2和Um3满足如下关系式：
Um1>Um2,Uml>Um3 (4-27)
因此，磁化场磁通量达到1点时会产生分流，一部分磁通量2会沿着平行于缺陷Φ方向达到磁势更低的P2点，而剩余部分磁通量则经过缺陷到达P3点，从而形成漏磁场B1，根据磁路的基尔霍夫第一定律，磁通量满足以下关系式：
建立如图4-61所示的仿真模型，计算缺陷走向对漏磁场分布的影响。测试钢板的长、宽和高分别为500mm、100mm和10mm，钢管材质为25钢。穿过式磁化线圈内腔宽度和高度分别116mm和12mm，外轮廓宽度和高度分别为216mm和112mm，线圈厚度为100mm，，方向如图所示。漏磁场提取路径l位于钢板上方中心位置处，提离值为1.0mm，并建立如图所示坐标系(x,y,z)
当α=90°以及α=60°时计算缺陷漏磁场矢量分布，如图4-62所示。当缺陷走向与磁化方向垂直时，所有磁力线均垂直通过缺陷，如图4-62a所示；当缺陷走向与磁化方向存在一定夹角时，一部分磁力线沿着平行于缺陷方向分布，其余部分磁力线则沿着近似垂直于缺陷方向通过，如图4-62b所示。
采用图4-61所示的模型，夹角α分别取0°、15°、30°、45°、60°和75°，沿路径l提取磁场分量Bx、By、、B2以及磁通量密度B，并绘制成如图4-63～图4-66所示的关系曲线。
从图4-63中可以看出，随着夹角α的增大，漏磁场分量B2幅值呈现先增大后减小的规律。从图4-64～图4-66中可以看出，随着夹角α的不断增大，By、和磁通量密度B幅值均呈不断上升趋势，当缺陷走向与磁化场方向垂直时，幅值达到最大值。
从图中还可以看出，随着夹角α的不断增大，BxB、B2和B分布宽度均在不断减小。进一步提取漏磁场分量B，峰-峰值点宽度，绘制其与夹角α的关系曲线，如图4-67所示。从图中可以看出，随着夹角α的增大，漏磁场分量B，峰-峰值点宽度不断变小；当夹角α较小时，峰-峰值点宽度下降较快；当夹角α较大时，峰-峰值点宽度下降缓慢。
由于磁力线经过斜向缺陷时基本沿着垂直于缺陷方向通过，因此，提取路径l与漏磁场分布方向会存在夹角，为此，将漏磁场变换到提取路径l方向上，即
z≈z'/sino (4-31) 式中，z＇为垂直于缺陷方向的坐标轴。
绘制漏磁场分量B，峰-峰值点宽度与1／sina之间的关系曲线，如图4-68所示。从图中可以看出，峰-峰值点宽度与1／sina之间成近似正比关系，与式（4-31）所示的变换关系相符。
2. 缺陷走向对漏磁场分布的影响
在钢板上刻制不同走向的缺陷，并进行漏磁检测试验。钢板的长度、宽度和厚度分别为750mm、100mm和10mm，并在其表面加工4个走向不同的缺陷，深度和宽度分别为2mm和1.5mm，夹角α分别为20°、45°、70°和90°，如图4-69所示。
磁化电流设置为5A且传感器提离值为1.0mm。将钢板以恒定速度0.5m／s通过检测系统，使传感器依次扫查缺陷Crk1、Ck2、Ck3和Crk4，并分别记录漏磁场x、y、z轴分量检测信号，如图 4-70~图 4-72所示。
从试验结果可以看出，随着夹角α的不断增大，漏磁场分量B，幅值呈现先增大后减小的趋势，而漏磁场分量B，和B，则不断增强，试验结果与理论分析吻合。
从图中还可以看出，随着夹角α的不断增大，检测信号宽度不断减小。进一步提取缺陷Ck1、Ck2、Ck3和Crk4漏磁场分量B，的信号峰-峰值点宽度，并绘制其与夹角α和1／sina的关系曲线，如图4-73和图4-74所示。从图中可以看出，随着夹角α的不断增大，B，信号峰-峰值点宽度不断减小，并与1／sina成近似正比关系，与仿真及理论分析结论相同。
二、消除缺陷走向影响的方法
不锈钢管漏磁检测分别采用轴向和周向磁化场激发周向和轴向裂纹产生漏磁场，因此，检测系统对标准周向和轴向裂纹缺陷最为敏感，而45°斜向裂纹灵敏度最低。此外，检测规程常以标准周向和轴向裂纹作为质量评判标准，从而容易导致斜向缺陷漏检。由于具有灵敏度高、性能稳定和工艺简单等优点，感应线圈是目前使用最为广泛的漏磁检测传感器。磁场拾取系统一般以垂直缺陷作为传感器敏感方向设计基准，从而感应线圈敏感方向会与斜向缺陷形成夹角，最终产生检测信号幅值差异。为实现同尺寸斜向缺陷的一致性检测与评价，需要根据感应线圈敏感方向与缺陷走向之间的夹角对检测信号幅值差异的影响机制，提出合理的感应线圈布置方法。
1. 感应线圈与裂纹夹角对检测信号的影响
分析感应线圈敏感方向与缺陷走向夹角对漏磁检测信号的影响。感应线圈敏感方向也即感应线圈长轴方向，如图4-75所示，感应线圈敏感方向与试件轴向垂直，当试件上存在不同走向缺陷时，感应线圈将与其形成不同的夹角，从而引起检测信号幅值差异。
图4-76所示为水平线圈与缺陷走向存在一定夹角时的漏磁场检测原理。线圈长度为l，宽度为2w，提离值为h，水平线圈敏感方向与缺陷走向之间的夹角为β。建立如图所示坐标系（x，，缺x,y)陷走向平行于y轴，缺陷漏磁场分布满足磁偶极子模型，水平线圈运动方向与x轴平行。从图中可以看出，当水平线圈敏感方向与缺陷走向形成一定夹角时，组成水平线圈的四段导线均会产生感应电动势，因此水平线圈整体输出为四段导线感应电动势之差。设四段导线L1、和L4产生的感应电动势输出分别为e1e2和，则可获得水平线圈感应电动势输出Δehorizontal为：
如图4-77所示，进一步将四段导线交界点沿x轴投影，将水平线圈分解为和L6六段导线，其交界点x轴坐标分别为x1、x2、x3、x4、x5和此时，水平线圈09x感应电动势为处于前端三段导线和尾部三段导线感应电动势之差
进一步设线圈宽度参数w=0.3253mm，线圈长度mm，水平线圈运行速度为1m／s，根据式（4-37），绘制水平线圈感应电动势与夹角β的关系曲线，如图4-79所示。从图中可以看出，随着夹角β不断增大，水平线圈感应电动势不断减小；当水平线圈与缺陷走向平行时感应电动势幅值最大，当两者垂直时几乎没有感应电动势输出。
利用钢板漏磁检测试验研究水平线圈敏感方向与缺陷走向夹角对检测信号幅值的影响，感应线圈的长度、宽度和高度分别为11mm、2mm和2mm，线径为0.13mm，共30匝，水平线圈中心提离值h为1.5mm。一共进行四组试验，使水平线圈与不同走向缺陷平行放置进行检测，如图4-80所示。水平线圈以恒定速度0.5m／s依次通过缺陷Crk1、Ck2、Ck3和Cyk4获得如图4-81所示的检测信号。
从图4-81中可以看出，按不同方向布置的水平线圈产生了不同的漏磁信号幅值输出：当水平线圈以90°方向依次扫过四个缺陷时，检测信号依次减小，其中Ckt缺陷信号幅值最大，4缺陷信号幅值最小；当水平线圈以70°方向依次扫过四个缺陷时，Ck2缺陷信号幅值最大，信号幅值次之，然后依次为Crk3和C,k4当水平线圈以45°方向依次扫过四个缺陷时，Ck3缺陷信号幅值明显增加，C,k4信号幅值有所增加，而Cukl和Ck2信号幅值均降低；当水平线圈以20°方向依次扫过四个缺陷时，Ck4缺陷信号幅值增加，其余三个缺陷信号幅值都降低，而且C,k1Crk2和C,k3信号幅值依次由小到大排列。
绘制不同走向缺陷检测信号峰值与水平线圈布置方向的关系曲线，如图4-82所示。从图中可以看出，当水平线圈以不同方向扫查同一缺陷时将产生不同的检测信号幅值。当水平线圈敏感方向与缺陷走向平行时，信号幅值最大；随着两者方向夹角的增大，信号幅值逐渐降低。
图4-83所示为垂直线圈敏感方向与缺陷走向存在一定夹角时的漏磁场扫查原理图，线圈长度为l，宽度为2w，线圈中心提离值为H，垂直线圈敏感方向与缺陷走向之间的夹角为β。建立如图所示坐标系（x,y)），缺陷走向平行于y轴，垂直线圈运动方向与x轴平行。
垂直线圈由四段导线L1、L2、L3和L组成，其感应电动势输出分别为e1e2、e3和e4，
设线圈宽度参数w＝0.15mm，线圈长度l＝12.5mm，垂直线圈运l=12.行速度为1.0m／s，根据式（4-42）绘制垂直线圈感应电动势与夹角β的关系曲线，如图4-85所示。从图中可以看出，随着夹角β的不断增大，垂直线圈感应电动势不断减小。当垂直线圈敏感方向与缺陷走向平行时，感应电动势输出最大；当两者垂直时，几乎没有感应电动势输出。
采用与水平线圈相同的试验方法，研究垂直线圈敏感方向与缺陷走向夹角对漏磁检测信号的影响。将感应线圈垂直摆放，垂直线圈中心提离值H为2mm。同样本试验分为四组，分别使垂直线圈以不同的布置方向依次扫查四个缺陷Ck1、Ck2、Ck3和Crk4，速度为0.5ms，如图4-86所示，并获得不同走向缺陷的信号幅值与垂直线圈布置方向的关系曲线，如图4-87所示。
从图4-87中可以看出，当垂直线圈以不同布置方向扫查四个缺陷时，检测信号变化规律与水平线圈相同：当垂直线圈以90°方向依次扫过四个缺陷时，检测信号依次减小，其中C，k1缺陷信号幅值最大，C4缺陷信号幅值最小；当垂直线圈以70°方向依次扫过四个缺陷时，缺陷信号幅值最大，C信号幅值次之，然后依次为Ck3和C4k4；当垂直线圈以45°方向依次扫过四个缺陷时，C,k3缺陷信号幅值明显增加，C,k4信号幅值有所增加，而Ck1和Ck2信号幅值均降低；当垂直线圈以20°方向依次扫过四个缺陷时，Crk4缺陷信号幅值增加，其余三个缺陷信号幅值都降低，而且Ck1、Crk2和Crk3信号幅值依次由小到大排列。
绘制不同走向缺陷检测信号峰值与垂直线圈布置方向的关系曲线，如图4-88所示。从图中可以看出，当垂直线圈以不同布置方向扫查同一缺陷时将产生不同的检测信号幅值。当垂直线圈敏感方向与缺陷走向平行时，信号幅值最大，随着两者方向夹角的增大，信号幅值逐渐降低。
2. 多向性阵列感应线圈消除方法
与标准缺陷相比，斜向缺陷检测信号幅值更低的原因有：一方面，不锈钢管漏磁检测采用轴向和周向复合磁化方式对不锈钢管进行局部磁化，从而导致与磁化方向形成夹角的斜向缺陷漏磁场强度更低；另一方面，在缺陷漏磁场拾取过程中，检测线圈敏感方向与斜向缺陷会形成一定夹角，从而降低缺陷检测信号的幅值。为实现具有不同走向的同尺寸缺陷的一致性检测与评价，提出基于多向性阵列感应线圈的布置方法。水平线圈与垂直线圈布置方法相同，以水平线圈作为消除方法的阐述对象。
在实际生产过程中，当生产工艺参数确定后，同批钢管中自然缺陷走向往往大致相同。如图4-89所示，设钢管中存在斜向缺陷1，并与磁化场方向形成夹角ao，由于在物料运输过程中可能出现钢管方向倒置，因此，斜向缺陷走向也可能会与磁化场方向形成夹角ππ-α0，如斜向缺陷3。对此，在探头内部布置多向性阵列感应线圈S1、S2和S3，分别与磁化场形成夹角a1、α2和α3其中，第一排阵列感应线圈S，对斜向缺陷1进行扫查，根据水平线圈敏感方向与缺陷走向夹角对检测信号幅值的影响规律，线圈敏感方向应该与缺陷1走向平行，即α1=α0；第二排阵列感应线圈S2用于检测标准垂直缺陷2和校验设备状态，因此线圈敏感方向与磁化方向垂直，即a2=90°第三排阵列感应线圈S3方向与缺陷3走向平行，即α3=π-α0。
从而，通过多向性阵列感应线圈布置方式可以最大限度地提高斜向缺陷的检测信号幅值，并消除线圈敏感方向与缺陷走向夹角引起的检测信号幅值差异。图4-90所示为针对钢管上有30°斜向自然缺陷而制作的多向性阵列感应线圈探头芯。
在消除了水平线圈敏感方向与缺陷走向夹角引起的检测信号差异之后，需要进一步消除由于缺陷走向带来的漏磁场强度差异，为此对斜向缺陷检测通道进行增益补偿。阵列感应线圈S1、S2和S3分别通过斜向缺陷1、标准缺陷2和斜向缺陷3之后输出信号峰值分别为e1、2和e3，设阵列感应线圈S1和S3增益补偿参数分别为和a3，经补偿后使得不同走向缺陷10具有相同的信号幅值。
