钢管正交磁化优化设计方案

细长的钢管使周向磁化长径比很小，导致周向磁化要比轴向磁化困难得多。所以，对于正交磁化漏磁检测的磁化装置设计，需要着重考虑的是周向磁化器的优化。

图4-4 钢管周向磁化三维有限元模型

通常情况下，单一的周向磁化器包括磁化线圈及其内的铁心，它们的结构尺寸直接影响着周向磁化效果。建立钢管周向磁化的三维有限元模型，如图4-4所示，其中，采用RACE宏命令建立跑道形线圈作为磁化线圈，无须赋予材料属性和划分网格。

对上述有限元模型进行数值模拟，获得了如图4-5所示的钢管周向磁化时管体和空间背景磁场的周向展开分布。从该图可以看出，管壁内的磁场及背景磁场越靠近，磁极越强烈，且磁场强度变化陡峭，远离两磁极时逐渐减弱，在两磁极中间区域磁场最弱，但变化最为平缓，即该区域的磁场在周向上的强度分布较为均匀。根据第3章介绍的磁真空泄漏原理，背景磁场越强，对缺陷漏磁场的形成以及检测越不利，所以，有效检测区域划分为中间的-45°～45°区域。

图4-5 钢管周向磁化时管体及空间背景磁场的周向展开分布

轴向伤周向检测盲区（NDZ或NDZ′）和可检测区（DZ或DZ′）分别如图4-6a、b所示。从图4-6b中可以确定此时轴向伤可检测区（DZ或DZ′）为一个有限的区域，并且区域大小在管道周向和轴向上存在非规则的渐变变化。

图4-6 钢管单一周向磁化时的磁场分布

a）钢管单一周向磁化时的检测盲区（NDZ或NDZ′） b）钢管单一周向磁化时的可检测区（DZ或DZ′）

为了进一步分析钢管周向磁化特性，对周向磁化区进行划分，如图4-7所示。其中，靠近两个磁极的非均匀区为检测盲区，中间较为均匀的为可检测区，其余的为过渡连通区。可检测区始终为一个有限的区域，其大小受磁极结构参数影响。

图4-7 钢管单一周向磁化时管体磁化特性区域划分

由于正交磁化的对称互补关系，检测区域周向宽度C有如下关系：

C=DZ=DZ′=DZ″=DZ‴ （4-2）(www.xing528.com)

根据式（4-1），必须满足

4C＞C_pipe （4-3）

从而有

同时，由于检测探头环抱钢管时存在宽度，检测探头在轴向上的宽度尺寸W_sensor与检测区域的轴向有效距离L应该满足如下匹配关系：

L＞W_sensor （4-5）

式中，W_sensor为检测探靴轴向长度。

周向磁化器极靴的尺寸主要包括：周向宽度（CT）、轴向长度（AL）、径向厚度（RD）以及磁极靴面与钢管管壁的提离距离（LFD）。所获得的钢管周向有效磁化区大小DZ（主要是尺寸L及C）与磁极靴的结构参数之间的影响关系如图4-8所示。

同样也可通过计算得到钢管外周向背景磁场与磁极靴结构尺寸之间的变化关系，如图4-9所示。

从图4-8和图4-9可以看出，检测区的周向尺寸C刚开始随着磁极靴周向宽度CT的增大而增大，但到后来反而减小，而管外的背景磁场却一直呈现增大的趋势，所以，磁极靴周向宽度CT不能过大。检测区随着磁极靴的轴向长度AL和径向厚度RD的增大而增大，但对检测区周向尺寸C的影响不大。另外，磁极靴提离值越小，磁化效果越好。

图4-8 钢管周向有效磁化区与磁极靴尺寸的关系

图4-9 钢管外周向背景磁场与磁极靴尺寸的关系