漏磁檢測技術的研究進展

齊洪洋 楊志軍 林 楠

（1.廣東省特種設備檢測研究院茂名檢測院；2.東北石油大學機械科學與工程學院）

20世紀30年代，國外已有科研人員對漏磁檢測技術進行研究，而國內漏磁檢測技術理論研究工作是從20世紀80年代逐步開展的。雖然國內漏磁檢測技術理論研究起步較晚，但是經過科研人員的深入學習和不斷探索，相關研究工作已經有了質的飛躍，得到了大量、全面又可靠的研究成果，已達到國際上較高水平。

1 漏磁檢測原理

當鐵磁性材料內部無缺陷且無結構突變時，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。如果材料內部或表面存在切割磁力線方向的缺陷，將導致磁力線發生彎曲，產生磁場畸變，磁力線將在缺陷位置漏出材料表面，進入空氣中，形成漏磁場，如圖1所示。采用磁感應傳感器對該部位進行掃描，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信息。

圖1 漏磁檢測原理示意圖

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

2 研究進展

國內從20世紀80年代開始將漏磁檢測技術應用于無損檢測行業，從漏磁場基本物理機理入手，研究了漏磁檢測技術的可行性，推導出缺陷的幾何參數與缺陷內磁場強度的關系，并指出如何通過計算將缺陷內部磁場特性轉化成對應的缺陷信息［1～3］，為漏磁檢測技術的發展奠定了基礎。

2.1 檢測方式優化

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探頭結合，提出一種改變傳感器設置密度、檢測維度及采樣頻率等的解決方案，同時優化采集系統設計，實現數據的高清晰度采集，實驗證明，缺陷特征參數的檢測結果最大誤差僅為9.8%［4］。

漏磁檢測方法一般應用于鋼板、管道直段等簡單的檢測對象，為此胡春陽通過對基礎理論進行深入研究，利用有限元仿真軟件建立了特殊部件和復雜結構的磁場模型，并得到了相關缺陷信號分量及其分布規律［5］。經實驗驗證，該模型對于管道補板、彎頭和隔熱油管內外管的缺陷均具有較好的檢測能力，為復雜檢測對象的漏磁檢測技術應用提供了一個良好的研究思路。

為減輕設備重量、增強設備的可控性，戴光等設計了一種永磁鐵與電磁鐵復合勵磁的磁化模型，即多路并聯復合勵磁模型，其特點是可以調節勵磁強度［6］。通過仿真軟件模擬改變磁場特性和缺陷參數，得到缺陷影響磁場分布的特性，并通過實驗驗證了多路并聯復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，但是由于交流電磁場在材料內部會產生趨膚效應，不能進行材料內部和內表面缺陷的檢測。廖肖曉等對趨膚效應和不同提離值對檢測結果的影響進行了研究，結果表明，當勵磁頻率高于1 kHz時，屈膚效應達到穩定值，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 數據分析方式優化

磁偶極子解析模型的理論僅適用于簡單模型，為了提高復雜模型漏磁檢測技術中正演和反演的精確性，李巖松等對復雜模型進行了研究，并發現需要有針對性地建立數值計算模型。通過研究發現，基于場點的漏磁場數值計算模型的基本方程是b=Am（其中A為矢量磁位，b為磁感應強度，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換為求解線性方程組的問題，并通過仿真軟件得到驗證［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則為三峰信號［9］。采用逐步細化的多重空氣層建模的有限元分析方法，獲得了細致的缺陷泄漏場分布模式——泄漏磁泡。切向分量產生三峰信號的原因是缺陷的泄漏磁泡中存在正、負磁區，當提離值增加時，負磁區逐漸消失；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磁區，只形成正負雙峰信號。最后，通過實驗進一步證實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，發現傳統的小波降噪算法將一部分關鍵的高頻信號濾除，造成處理后的信號失真。宋志強等提出了一種基于小波包-Haar小波的自適應降噪壓縮算法，在信號處理過程中，最大程度地保留低頻部分，同時對高頻段區域進行細節分析，刪除高頻噪聲，再通過信號重構實現信號數據壓縮優化，最后通過實驗證明該方法的有效性［10］。

通過對常用缺陷識別方法——神經網絡法的深入研究，楊理踐等發現該方法容易出現樣本需求量大、泛化能力沒有保證、存在過擬合現象及局部極值等缺點，為此提出支持向量機（SVM）技術，該技術基于統計學習理論并且根據結構風險最小化原則，能夠較好地解決神經網絡法的缺點［11］。采用40組缺陷仿真數據和10組缺陷實驗數據作為學習樣本，外加10組缺陷數據進行識別測試，結果表明，絕對誤差在5%以下，達到較高的精度。

2.3 缺陷重構的研究

漏磁檢測技術中的缺陷重構是指從缺陷的漏磁信號中分析出缺陷的二維或三維參數。二維重構是依據單個通道的漏磁信號對缺陷的某一截面進行分析，不考慮寬度方向；三維重構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律進行了大量研究，得到缺陷區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，兩者難以區分；端部盲區，試件的端部在檢測時信號紊亂，不能提供準確的檢測信息；對儲罐底板進行檢測時，缺陷深度方向的定位比較困難。科研人員基于以上難點，建立相應的三維模型，取得較好的效果。其中，崔巍等設計了一種焊縫缺陷漏磁檢測研究平臺，模擬并實驗焊縫表面不同規格的圓柱體缺陷（體積型缺陷）和矩形槽缺陷（面積型缺陷）的漏磁檢測，兩者相關系數分別達99%和87%，驗證了該檢測系統的可行性與有效性，并得到磁場垂直分量與缺陷深度關系的回歸方程［17］。

2.4 脈沖漏磁物理特性

脈沖漏磁檢測技術結合脈沖渦流檢測技術和漏磁檢測技術的特點，即在傳統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，在磁路中產生可控的脈沖瞬態磁場，以獲得比常規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，設計了一套檢測方法，采取硬件（調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）相結合的信號處理方法，對缺陷瞬態漏磁場信息進行差分信號分析，以得到缺陷體積信息；通過對過零時間進行分析，可以得到缺陷深度信息；實驗證明，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生渦流效應，對渦流效應特點進行研究，有助于對脈沖漏磁場信號特點的把握。費駿骉等對脈沖漏磁檢測中的渦流效應進行了深入研究，分析瞬態磁場和感生渦流效應間的相互影響，得到感生渦流密度峰值時間與缺陷深度之間的關系［20］。

3 結束語

隨著我國無損檢測技術的不斷發展，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，相關的新理論和新研究方法將層出不窮，對此要廣泛學習，但應用起來應該更全面地考慮實際情況，有所取舍：

a.對于缺陷漏磁檢測技術的研究，應采用先數值模擬、再實驗驗證的模式，以節約研究成本；對于漏磁檢測原理的研究，應基于實驗現象和數據分析。

b.對于信號處理的研究，要有高精度的實驗或模擬平臺做基礎，以先進的數學理論為研究方法，通過計算機技術提高研究效率。

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

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