齊洪洋 楊志軍 林 楠

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院茂名檢測院；2.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

20世紀(jì)30年代，國外已有科研人員對漏磁檢測技術(shù)進(jìn)行研究，而國內(nèi)漏磁檢測技術(shù)理論研究工作是從20世紀(jì)80年代逐步開展的。雖然國內(nèi)漏磁檢測技術(shù)理論研究起步較晚，但是經(jīng)過科研人員的深入學(xué)習(xí)和不斷探索，相關(guān)研究工作已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，得到了大量、全面又可靠的研究成果，已達(dá)到國際上較高水平。

1 漏磁檢測原理

當(dāng)鐵磁性材料內(nèi)部無缺陷且無結(jié)構(gòu)突變時，在磁化裝置（如磁鐵）的磁化下，同一截面磁力線密度分布均勻。如果材料內(nèi)部或表面存在切割磁力線方向的缺陷，將導(dǎo)致磁力線發(fā)生彎曲，產(chǎn)生磁場畸變，磁力線將在缺陷位置漏出材料表面，進(jìn)入空氣中，形成漏磁場，如圖1所示。采用磁感應(yīng)傳感器對該部位進(jìn)行掃描，即可獲得漏磁場信號，通過對信號的分析就能得到缺陷的相關(guān)信息。

圖1 漏磁檢測原理示意圖

漏磁檢測的優(yōu)點(diǎn)是：可對一定壁厚的鐵磁性材料進(jìn)行全壁厚缺陷檢測；可用于長輸埋地管道的在線檢測，檢測效率高，定位精確；檢測結(jié)果以波形或云圖形式呈現(xiàn)，檢測文件可長期保存。

2 研究進(jìn)展

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始將漏磁檢測技術(shù)應(yīng)用于無損檢測行業(yè)，從漏磁場基本物理機(jī)理入手，研究了漏磁檢測技術(shù)的可行性，推導(dǎo)出缺陷的幾何參數(shù)與缺陷內(nèi)磁場強(qiáng)度的關(guān)系，并指出如何通過計(jì)算將缺陷內(nèi)部磁場特性轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的缺陷信息［1～3］，為漏磁檢測技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2.1 檢測方式優(yōu)化

漏磁檢測是長輸管道在線檢測常用的無損檢測手段，但其清晰度不高。單少卿等將主探頭與IDOD探頭結(jié)合，提出一種改變傳感器設(shè)置密度、檢測維度及采樣頻率等的解決方案，同時優(yōu)化采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高清晰度采集，實(shí)驗(yàn)證明，缺陷特征參數(shù)的檢測結(jié)果最大誤差僅為9.8%［4］。

漏磁檢測方法一般應(yīng)用于鋼板、管道直段等簡單的檢測對象，為此胡春陽通過對基礎(chǔ)理論進(jìn)行深入研究，利用有限元仿真軟件建立了特殊部件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的磁場模型，并得到了相關(guān)缺陷信號分量及其分布規(guī)律［5］。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型對于管道補(bǔ)板、彎頭和隔熱油管內(nèi)外管的缺陷均具有較好的檢測能力，為復(fù)雜檢測對象的漏磁檢測技術(shù)應(yīng)用提供了一個良好的研究思路。

為減輕設(shè)備重量、增強(qiáng)設(shè)備的可控性，戴光等設(shè)計(jì)了一種永磁鐵與電磁鐵復(fù)合勵磁的磁化模型，即多路并聯(lián)復(fù)合勵磁模型，其特點(diǎn)是可以調(diào)節(jié)勵磁強(qiáng)度［6］。通過仿真軟件模擬改變磁場特性和缺陷參數(shù)，得到缺陷影響磁場分布的特性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多路并聯(lián)復(fù)合勵磁模型的可行性。

交流漏磁檢測是一種精確測量鐵磁性材料表面和近表面缺陷的無損檢測技術(shù)，但是由于交流電磁場在材料內(nèi)部會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，不能進(jìn)行材料內(nèi)部和內(nèi)表面缺陷的檢測。廖肖曉等對趨膚效應(yīng)和不同提離值對檢測結(jié)果的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)勵磁頻率高于1 kHz時，屈膚效應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定值，約0.6 mm，并給出了磁化器和傳感器最佳匹配的提離值［7］。

2.2 數(shù)據(jù)分析方式優(yōu)化

磁偶極子解析模型的理論僅適用于簡單模型，為了提高復(fù)雜模型漏磁檢測技術(shù)中正演和反演的精確性，李巖松等對復(fù)雜模型進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)需要有針對性地建立數(shù)值計(jì)算模型。通過研究發(fā)現(xiàn)，基于場點(diǎn)的漏磁場數(shù)值計(jì)算模型的基本方程是b=Am（其中A為矢量磁位，b為磁感應(yīng)強(qiáng)度，m為磁偶極子的磁偶極矩），該方程可將漏磁檢測的正演問題轉(zhuǎn)換為求解線性方程組的問題，并通過仿真軟件得到驗(yàn)證［8］。

孫燕華和康宜華從漏磁場信號切向分量中的單峰信號與法向分量的雙峰信號之間有略微差異入手，提出切向分量中的單峰信號實(shí)則為三峰信號［9］。采用逐步細(xì)化的多重空氣層建模的有限元分析方法，獲得了細(xì)致的缺陷泄漏場分布模式——泄漏磁泡。切向分量產(chǎn)生三峰信號的原因是缺陷的泄漏磁泡中存在正、負(fù)磁區(qū)，當(dāng)提離值增加時，負(fù)磁區(qū)逐漸消失；而法向方向的磁泄漏分量在同一掃描路徑上只存在正或負(fù)磁區(qū)，只形成正負(fù)雙峰信號。最后，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)缺陷漏磁場的信號特征。

在研究漏磁信號小波降噪算法的過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的小波降噪算法將一部分關(guān)鍵的高頻信號濾除，造成處理后的信號失真。宋志強(qiáng)等提出了一種基于小波包-Haar小波的自適應(yīng)降噪壓縮算法，在信號處理過程中，最大程度地保留低頻部分，同時對高頻段區(qū)域進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，刪除高頻噪聲，再通過信號重構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)壓縮優(yōu)化，最后通過實(shí)驗(yàn)證明該方法的有效性［10］。

通過對常用缺陷識別方法——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的深入研究，楊理踐等發(fā)現(xiàn)該方法容易出現(xiàn)樣本需求量大、泛化能力沒有保證、存在過擬合現(xiàn)象及局部極值等缺點(diǎn)，為此提出支持向量機(jī)（SVM）技術(shù)，該技術(shù)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論并且根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，能夠較好地解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的缺點(diǎn)［11］。采用40組缺陷仿真數(shù)據(jù)和10組缺陷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，外加10組缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行識別測試，結(jié)果表明，絕對誤差在5%以下，達(dá)到較高的精度。

2.3 缺陷重構(gòu)的研究

漏磁檢測技術(shù)中的缺陷重構(gòu)是指從缺陷的漏磁信號中分析出缺陷的二維或三維參數(shù)。二維重構(gòu)是依據(jù)單個通道的漏磁信號對缺陷的某一截面進(jìn)行分析，不考慮寬度方向；三維重構(gòu)要求重建缺陷三維輪廓［12，13］。

科研人員利用有限元分析軟件，對缺陷漏磁場三維分量分布規(guī)律進(jìn)行了大量研究，得到缺陷區(qū)域三維分量的曲線圖、云圖和缺陷高度的擬合方程［14～16］。目前，漏磁檢測設(shè)備對鋼板、容器或管道的母材部分具有良好的檢測效果，但是有3個難點(diǎn)是亟待解決的：焊縫部位，由于焊縫的形狀多變，缺陷信號與焊縫信號疊加，兩者難以區(qū)分；端部盲區(qū)，試件的端部在檢測時信號紊亂，不能提供準(zhǔn)確的檢測信息；對儲罐底板進(jìn)行檢測時，缺陷深度方向的定位比較困難?？蒲腥藛T基于以上難點(diǎn)，建立相應(yīng)的三維模型，取得較好的效果。其中，崔巍等設(shè)計(jì)了一種焊縫缺陷漏磁檢測研究平臺，模擬并實(shí)驗(yàn)焊縫表面不同規(guī)格的圓柱體缺陷（體積型缺陷）和矩形槽缺陷（面積型缺陷）的漏磁檢測，兩者相關(guān)系數(shù)分別達(dá)99%和87%，驗(yàn)證了該檢測系統(tǒng)的可行性與有效性，并得到磁場垂直分量與缺陷深度關(guān)系的回歸方程［17］。

2.4 脈沖漏磁物理特性

脈沖漏磁檢測技術(shù)結(jié)合脈沖渦流檢測技術(shù)和漏磁檢測技術(shù)的特點(diǎn)，即在傳統(tǒng)漏磁磁軛上加裝勵磁線圈，激勵信號為一定占空比的脈沖方波，在磁路中產(chǎn)生可控的脈沖瞬態(tài)磁場，以獲得比常規(guī)漏磁檢測更多的缺陷信息［18］。

張韜等通過對脈沖漏磁檢測原理的研究，設(shè)計(jì)了一套檢測方法，采取硬件（調(diào)整激勵線圈和激勵信號）與軟件（采集信號的小波去噪處理和差分處理）相結(jié)合的信號處理方法，對缺陷瞬態(tài)漏磁場信息進(jìn)行差分信號分析，以得到缺陷體積信息；通過對過零時間進(jìn)行分析，可以得到缺陷深度信息；實(shí)驗(yàn)證明，該檢測方法對10 mm厚鐵磁性材料的表面和下表面缺陷具有良好的識別效果［19］。

脈沖磁場在鐵磁性材料中會產(chǎn)生渦流效應(yīng)，對渦流效應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行研究，有助于對脈沖漏磁場信號特點(diǎn)的把握。費(fèi)駿骉等對脈沖漏磁檢測中的渦流效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，分析瞬態(tài)磁場和感生渦流效應(yīng)間的相互影響，得到感生渦流密度峰值時間與缺陷深度之間的關(guān)系［20］。

3 結(jié)束語

隨著我國無損檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，在漏磁檢測方面的研究也會愈加深入，針對不同形式的檢測對象和不同的檢測工況，相關(guān)的新理論和新研究方法將層出不窮，對此要廣泛學(xué)習(xí)，但應(yīng)用起來應(yīng)該更全面地考慮實(shí)際情況，有所取舍：

a.對于缺陷漏磁檢測技術(shù)的研究，應(yīng)采用先數(shù)值模擬、再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的模式，以節(jié)約研究成本；對于漏磁檢測原理的研究，應(yīng)基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析。

b.對于信號處理的研究，要有高精度的實(shí)驗(yàn)或模擬平臺做基礎(chǔ)，以先進(jìn)的數(shù)學(xué)理論為研究方法，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)提高研究效率。

c.對于缺陷重構(gòu)，目前對缺陷信號三維信息的研究已經(jīng)比較成熟，但對于缺陷深度的研究尚淺，未應(yīng)用于實(shí)際檢測。

d.對于漏磁檢測的“副作用”（如切向分量中的三峰信號、脈沖漏磁產(chǎn)生的渦流等），要有開闊的思路，基于大量實(shí)驗(yàn)，采集足夠多的數(shù)據(jù)，以研究其優(yōu)缺點(diǎn)，并為漏磁檢測技術(shù)的升級改造所用。