论文部分内容阅读
【摘 要】本文首先介绍了钢管漏磁探伤中的内外伤区分的重要意义，然后分析了钢管漏磁检测中内外伤区分的必要性，最后探讨了钢管漏磁探伤中的内外伤区分方法。
【关键词】钢管；漏磁探伤；内外伤；区分方法
钢管在许多行业都有着广泛的应用。随着国民经济的迅猛发展和国际化水平的不断提高，钢管制造也在我国得到大力发展，到2007年底，全球约有46%的无缝钢管是由中国制造的。2008年，全球约有60%的无缝钢管是由中国制造的，国际化企业中中国的成分也越来越多。
1钢管漏磁探伤中的内外伤区分的重要意义
由于内伤在外观上不具有可见性，其修复也较外伤困难得多，多数情况下不可实现而将其割弃；另一方面，当检测探头在钢管外表面扫描过程中，由于提离值的增大，磁敏感元件对内伤的感应灵敏度要大大降低，集中反应在检测信号的幅值锐减，极容易造成对管材中伤的危害程度的误判。对其危害程度的漏报将直接为后续的生产作业过程中埋下安全隐患。因此，在现场检测信号中，准确地识别信号对应伤的位置特征，将有着明确的实际意义，随着检测精度要求的不断提高，信号处理技术在实际应用中得到很大程度的发展。
另一方面，对于特定壁厚的钢管，饱和磁化条件下，位于管壁外表面的漏磁检测探头有能力检测到外表面与内管壁表面的伤，这可以说是漏磁检测相对于其它无损检测方法的一个优势；但相对于这种优势，漏磁检测输出量的表达形式或者说信息的表达能力则显得功能较差，往往仅通过信号波形特征的某一个或几个参数对伤的形态特征进行推断。由于铁磁性构件的磁导率多数情况下是非线性的，与此相关联的一系列物理量如：漏磁场的法向及切向分量，在空间的分布特性也脱不开非线性的特点。如果硬要在非线性关系之上强加一种线性关系，并按着线性关系去进行推断，当研究对象稍微表现一丝随机性时，那么这一整套评判规则的可靠性和准确率就可想而知了。为实现自动化、定量化的无损检测，达到更精确的钢管质量控制，钢管的漏磁检测中实现内、外伤区分这一领域研究将具有一定的理论意义。
2钢管漏磁检测中内外伤区分的必要性
由于检测探头对构件某一部位（如钢管漏磁检测中的内管壁）扫查能力的限制，只能在便于探头扫查的方位对被检测构件进行扫查，借助于检测过程中的深度磁化，对被检测构件中探头无法接触的部位进行检测。由于信号灵敏度的不同，内伤检测信号与外伤检测信号会在波形特征上有明显区别，当采用具有能量属性的法向分量峰一峰值进行缺陷评判时会对被检测件的强度性能评价失准。
当采用常规漏磁检测评判指标对缺陷的形态特征进行评判时，无论是切向分量还是法向分量，都无法形成一一对应的关系，容易受到非同类形态特征的干扰。
漏磁检测信号既然受到多种因素的影响，而常规漏磁检测评判指标却又未能提供完备描述矢量漏磁场的信息，如果对缺陷的形态特征进行准确评估，提取或构造新的评判指标显得格外重要。
漏磁检测探头中的磁敏感元件是以电信号的形式将漏磁场的磁信号在输出设备中显示出来，但由于标量在描述矢量过程中的信息缺失，对漏磁场进行描述時，信息并不完备，需要将这些标量信息进行重新整合，而不是仅仅依靠信号的波形畸变来进行评判。
以油井管为例，钢管在作业过程中的使用性能在很大程度上取决于承受载荷的大小、工作介质的腐蚀情况，以及管壁出现的金属损失量，在无法满足对管材内、外管壁表面都进行检测的情况下，从某一检测表面得到的伤信号必须进行位置特征的区分和识别，否则不能对被检测构件真实的强度性能作出准确评价。
3钢管漏磁探伤中的内外伤区分方法
3.1中心频率比较法
当缺陷位于油管内外壁面上时，在漏磁检测时，由于缺陷位置的不同，故会在检测空间形成分布特性各异的漏磁场，两者差异反映在检测信号的时域特征上时，表现为外表面缺陷所对应的检测量在检测过程中变化较为剧烈，测得信号的强度值也较大，而内表面缺陷则相反。如图1所示为钢管的单侧轴向剖面示意图，其材料为X52，内外表面的缺陷为宽度3mm，深度2mm对应的仿真漏磁感应强度法向分量如图2所示。对应频域中的特征参数，这种差异体现在外表面缺陷检测信号的中心频率较高、信号突变较为迅速。内表面缺陷检测信号的中心频率相对较低。信号变化较为缓慢。因此通过对内、外表面缺陷检测信号的频率进行对比，达到对缺陷内外表面位置区分的目的。
图1钢管单侧轴向剖面示意图
1.钢管内表面；2.缺陷；3.钢管外表面；4.扫描路径
图2钢管内外表面缺陷的法向漏磁信号
1.外表面缺陷引起；2.内表面缺陷引起
根据内外表面缺陷的漏磁检测信号的上述特点，通过配置相应的高通滤波器、带通滤波器、选择合适的截止频率以及触发门限电路，将检测到的漏磁信号通过该滤波系统后，通过对比该系统输出信号的幅度差异来区分内、外表面缺陷的位置。其实现区分内外表面缺陷的原理如图3所示。首先将检测到的漏磁信号输入到该滤波系统中，信号通过该系统中的高通滤波器和带通滤波器。其中，带通滤波器的频率范围设置时需要满足只是起着滤除高低频噪声的作用，而必须包含该漏磁信号中的真实内外缺陷信号频率范围。若将系统输出量分为A、B两路，将其中一路输出信号记为XA（t）。另外一路输出信号记为XB（t），即高通滤波支路，它能够明显削弱通过该支路后的频率成分较低的内表面缺陷检测信号的强度。分别将该滤波系统的输出量为XA（t）与XB（t）进行对比从而构造如图所示的内外缺陷位置判据。
图3中心频率比较法区分内外缺陷原理图
由上面的中心频率比较法的可以看出该方法识别缺陷的位置时具有很好的逻辑性。但由于该方法检测过程中通常是对时间域信号进行处理，因而该方法的不足在于，当探伤速度为匀速时才有效。当探伤速度改变时，需要调节该系统中滤波器的频率。 由于在实际应用时钢管中不同形态（如形状变化、走向差异等）缺陷产生的漏磁检测信号都会有对应的特定中心频率，这些不同缺陷形式的中心频率很有可能与缺陷位置特征对应检测信号的中心频率非常接近，故容易造成该评判指标在进行内外表面缺陷位置区分时失效，故该方法在实际应用中局限性较大。
3.2基于数字信号差分的区分方法
在实际检测应用中通过单一信号检测量常常不能有效的区分缺陷的内外位置。由于漏磁场具有矢量特性，于是提出了联合多个信号特征量进行缺陷内外伤位置区分方法，但要在同一空间位置，对缺陷漏磁信号实现两次不同信号量的拾取是较困难的，故尝试考虑对同一空间位置点采集的信号量进行数学变换，来达到这种实现同一空间位置点的不同信号特征量同时采集的目的，差分处理作为正交变换的一种形式，从差分处理的功能来看，在对漏磁信号中的一个分量，如：法向漏磁分量二阶差分处理，从而得到与原始漏磁检测信号的法向分量在波形特征上呈近似映像关系的二阶差分量，从而使得在波形特征上，二者具有参照对比的特征参数，如峰-峰值。这种一阶差分输出量作为二阶差分量的前身与法向漏磁检测信号有着正交关系，可以将其视为切向漏磁检测信号分量的等效量。这样就使得对同一检测点进行提取空间多维度信息变为可能，同时能够保证此二维漏磁信息量均来源于同一空间检测点。
由于在检测过程中检测探头的扫查方向与磁力线方向一致，故可以对检测信号中的采样值采用差分处理的方法，来等效分析漏磁场沿磁力线方向的分布特性，故具有不同位置特征的缺陷会在该采样点上呈现出较大的差异，图4所示的为对应于图2中内外表面缺陷的法向漏磁分量的二阶差分处理量，其内外缺陷二阶差分处理量存在明显差异。
图4漏磁法向分量信号二阶差分处理量
1.外缺陷信号；2.内缺陷信号
分别记油管缺陷的检测信号与其二阶差分输出量为V0（x）和V2（x），于其对应的峰-峰值分别为V0p-p（x）和V2p-p（x），通过二者之比定义二阶差分评价指标SDC（SecondDifferenceComparison）的表达式如下所示：
式中，V2p-p（x）-表示V2（x）的峰-峰值；
Vp-p（x）-表示V（x）的峰-峰值。
对缺陷处漏磁信号计算该评判指标SDC的大小，通过设定合适的阀值，从而可以有效的进行内外表面缺陷位置的区分，文献[3]分析了不同位置的刻槽、盲孔等缺陷形式的不同形态（深度、走向等）对该评价指标的影响，最后通过理论分析，得到此方案构建的评判指标SDC包含了采样序列X（k）的线性项与非线性项，从而使得该方法具有良好的稳健性和抗干扰能力，相对于其他区分方案，其在实际检测中表现出良好的适应性和排它能力。
3.3基于复层梯度检测的区分方法
为了得到更有效的内外表面缺陷位置区分方法，从信号冗余检测角度出发，在常规二维漏磁检测的基础上，通过在法向上布置两层或多层阵列磁敏感元件，获取在提离方向上特定位置间隔的两测点或多个测点的检测信号并对其進行对比分析，从而构建出与缺陷的位置特征相对应的评判指标。较之前二种区分方法，其原理主要是通过对单个测点所对应的检测信号反映出来的自相关特征来实现缺陷位置的区分，而该评判方法重点在于利用两个或多个测点漏磁检测信号间的互相关特征来实现缺陷位置区分。但该方法的不足之处在于需要更多的硬件检测资源才能实现，对于检测到的任何缺陷都可以利用该多通道检测信号来描述，可将各通道磁敏感元件检测到的信号视为冗余信号，而将所有通道采集的信号用来构建缺陷位置区分指标，从而能够有效地提高该区分方法的稳健性。
图6内外表面缺陷法向路径上的漏磁感应强度
1.外表面缺陷；2.内表面缺陷
通过观察上图6中内外表面缺陷的法向漏磁检测信号VP-P（z）值的提离特性曲线，由于内外表面缺陷位置对应的漏磁信号具有较大差异，故可将两个不同测点z1与z2之间（z1 由于内外表面缺陷所对应的缺陷信号在相同的提离值范围内其在提离方向上的衰减率相差明显，故可以用于此内外缺陷位置辨别指标。但在实际应用中需根据具体应用来确定其相应的提离范围区间。文献[3]对此复层提离法中的缺陷位置判别指标LDR的影响因素如：提离值的变化范围、被测试件的厚度、缺陷形态和走向等进行了分析，并指出该判别指标能够有效用于缺陷位置判别。
4结语
区分内外表面缺陷位置的方法在实际检测过程都以自身的特点得到实际应用，前二种方法均是基于漏磁检测信号自身特征去寻找内外伤识别的方法和特征量，由于信息的非独立性，判别方法的排它性和稳定性受多种因素的影响较大。而复层梯度区分方法利用两个独立的信号，通过互相关处理，得到的判据较为稳定。随着新的检测技术如脉冲漏磁检测、交流磁场检测等新技和新的信号处理技术的发展，对于钢管内外表面缺陷的位置识别准确率将有显著的提高，从而为缺陷的定量识别奠定良好的基础。
参考文献：
[1]王雪，张兴周，田金超.基于峭度的盲源分离方法研究[J].应用技术，2012，33（6）：31-33.
[2]崔伟，黄松岭，赵伟，等.传感器提离值对管道漏磁检测的影响[J].清华大学学报（自然科学版），2009，47（1）：21-24
[3]李久政.钢管漏磁探伤中的内外伤区分方法[D].武汉：华中科技大学，2009
【关键词】钢管；漏磁探伤；内外伤；区分方法
钢管在许多行业都有着广泛的应用。随着国民经济的迅猛发展和国际化水平的不断提高，钢管制造也在我国得到大力发展，到2007年底，全球约有46%的无缝钢管是由中国制造的。2008年，全球约有60%的无缝钢管是由中国制造的，国际化企业中中国的成分也越来越多。
1钢管漏磁探伤中的内外伤区分的重要意义
由于内伤在外观上不具有可见性，其修复也较外伤困难得多，多数情况下不可实现而将其割弃；另一方面，当检测探头在钢管外表面扫描过程中，由于提离值的增大，磁敏感元件对内伤的感应灵敏度要大大降低，集中反应在检测信号的幅值锐减，极容易造成对管材中伤的危害程度的误判。对其危害程度的漏报将直接为后续的生产作业过程中埋下安全隐患。因此，在现场检测信号中，准确地识别信号对应伤的位置特征，将有着明确的实际意义，随着检测精度要求的不断提高，信号处理技术在实际应用中得到很大程度的发展。
另一方面，对于特定壁厚的钢管，饱和磁化条件下，位于管壁外表面的漏磁检测探头有能力检测到外表面与内管壁表面的伤，这可以说是漏磁检测相对于其它无损检测方法的一个优势；但相对于这种优势，漏磁检测输出量的表达形式或者说信息的表达能力则显得功能较差，往往仅通过信号波形特征的某一个或几个参数对伤的形态特征进行推断。由于铁磁性构件的磁导率多数情况下是非线性的，与此相关联的一系列物理量如：漏磁场的法向及切向分量，在空间的分布特性也脱不开非线性的特点。如果硬要在非线性关系之上强加一种线性关系，并按着线性关系去进行推断，当研究对象稍微表现一丝随机性时，那么这一整套评判规则的可靠性和准确率就可想而知了。为实现自动化、定量化的无损检测，达到更精确的钢管质量控制，钢管的漏磁检测中实现内、外伤区分这一领域研究将具有一定的理论意义。
2钢管漏磁检测中内外伤区分的必要性
由于检测探头对构件某一部位（如钢管漏磁检测中的内管壁）扫查能力的限制，只能在便于探头扫查的方位对被检测构件进行扫查，借助于检测过程中的深度磁化，对被检测构件中探头无法接触的部位进行检测。由于信号灵敏度的不同，内伤检测信号与外伤检测信号会在波形特征上有明显区别，当采用具有能量属性的法向分量峰一峰值进行缺陷评判时会对被检测件的强度性能评价失准。
当采用常规漏磁检测评判指标对缺陷的形态特征进行评判时，无论是切向分量还是法向分量，都无法形成一一对应的关系，容易受到非同类形态特征的干扰。
漏磁检测信号既然受到多种因素的影响，而常规漏磁检测评判指标却又未能提供完备描述矢量漏磁场的信息，如果对缺陷的形态特征进行准确评估，提取或构造新的评判指标显得格外重要。
漏磁检测探头中的磁敏感元件是以电信号的形式将漏磁场的磁信号在输出设备中显示出来，但由于标量在描述矢量过程中的信息缺失，对漏磁场进行描述時，信息并不完备，需要将这些标量信息进行重新整合，而不是仅仅依靠信号的波形畸变来进行评判。
以油井管为例，钢管在作业过程中的使用性能在很大程度上取决于承受载荷的大小、工作介质的腐蚀情况，以及管壁出现的金属损失量，在无法满足对管材内、外管壁表面都进行检测的情况下，从某一检测表面得到的伤信号必须进行位置特征的区分和识别，否则不能对被检测构件真实的强度性能作出准确评价。
3钢管漏磁探伤中的内外伤区分方法
3.1中心频率比较法
当缺陷位于油管内外壁面上时，在漏磁检测时，由于缺陷位置的不同，故会在检测空间形成分布特性各异的漏磁场，两者差异反映在检测信号的时域特征上时，表现为外表面缺陷所对应的检测量在检测过程中变化较为剧烈，测得信号的强度值也较大，而内表面缺陷则相反。如图1所示为钢管的单侧轴向剖面示意图，其材料为X52，内外表面的缺陷为宽度3mm，深度2mm对应的仿真漏磁感应强度法向分量如图2所示。对应频域中的特征参数，这种差异体现在外表面缺陷检测信号的中心频率较高、信号突变较为迅速。内表面缺陷检测信号的中心频率相对较低。信号变化较为缓慢。因此通过对内、外表面缺陷检测信号的频率进行对比，达到对缺陷内外表面位置区分的目的。
图1钢管单侧轴向剖面示意图
1.钢管内表面；2.缺陷；3.钢管外表面；4.扫描路径
图2钢管内外表面缺陷的法向漏磁信号
1.外表面缺陷引起；2.内表面缺陷引起
根据内外表面缺陷的漏磁检测信号的上述特点，通过配置相应的高通滤波器、带通滤波器、选择合适的截止频率以及触发门限电路，将检测到的漏磁信号通过该滤波系统后，通过对比该系统输出信号的幅度差异来区分内、外表面缺陷的位置。其实现区分内外表面缺陷的原理如图3所示。首先将检测到的漏磁信号输入到该滤波系统中，信号通过该系统中的高通滤波器和带通滤波器。其中，带通滤波器的频率范围设置时需要满足只是起着滤除高低频噪声的作用，而必须包含该漏磁信号中的真实内外缺陷信号频率范围。若将系统输出量分为A、B两路，将其中一路输出信号记为XA（t）。另外一路输出信号记为XB（t），即高通滤波支路，它能够明显削弱通过该支路后的频率成分较低的内表面缺陷检测信号的强度。分别将该滤波系统的输出量为XA（t）与XB（t）进行对比从而构造如图所示的内外缺陷位置判据。
图3中心频率比较法区分内外缺陷原理图
由上面的中心频率比较法的可以看出该方法识别缺陷的位置时具有很好的逻辑性。但由于该方法检测过程中通常是对时间域信号进行处理，因而该方法的不足在于，当探伤速度为匀速时才有效。当探伤速度改变时，需要调节该系统中滤波器的频率。 由于在实际应用时钢管中不同形态（如形状变化、走向差异等）缺陷产生的漏磁检测信号都会有对应的特定中心频率，这些不同缺陷形式的中心频率很有可能与缺陷位置特征对应检测信号的中心频率非常接近，故容易造成该评判指标在进行内外表面缺陷位置区分时失效，故该方法在实际应用中局限性较大。
3.2基于数字信号差分的区分方法
在实际检测应用中通过单一信号检测量常常不能有效的区分缺陷的内外位置。由于漏磁场具有矢量特性，于是提出了联合多个信号特征量进行缺陷内外伤位置区分方法，但要在同一空间位置，对缺陷漏磁信号实现两次不同信号量的拾取是较困难的，故尝试考虑对同一空间位置点采集的信号量进行数学变换，来达到这种实现同一空间位置点的不同信号特征量同时采集的目的，差分处理作为正交变换的一种形式，从差分处理的功能来看，在对漏磁信号中的一个分量，如：法向漏磁分量二阶差分处理，从而得到与原始漏磁检测信号的法向分量在波形特征上呈近似映像关系的二阶差分量，从而使得在波形特征上，二者具有参照对比的特征参数，如峰-峰值。这种一阶差分输出量作为二阶差分量的前身与法向漏磁检测信号有着正交关系，可以将其视为切向漏磁检测信号分量的等效量。这样就使得对同一检测点进行提取空间多维度信息变为可能，同时能够保证此二维漏磁信息量均来源于同一空间检测点。
由于在检测过程中检测探头的扫查方向与磁力线方向一致，故可以对检测信号中的采样值采用差分处理的方法，来等效分析漏磁场沿磁力线方向的分布特性，故具有不同位置特征的缺陷会在该采样点上呈现出较大的差异，图4所示的为对应于图2中内外表面缺陷的法向漏磁分量的二阶差分处理量，其内外缺陷二阶差分处理量存在明显差异。
图4漏磁法向分量信号二阶差分处理量
1.外缺陷信号；2.内缺陷信号
分别记油管缺陷的检测信号与其二阶差分输出量为V0（x）和V2（x），于其对应的峰-峰值分别为V0p-p（x）和V2p-p（x），通过二者之比定义二阶差分评价指标SDC（SecondDifferenceComparison）的表达式如下所示：
式中，V2p-p（x）-表示V2（x）的峰-峰值；
Vp-p（x）-表示V（x）的峰-峰值。
对缺陷处漏磁信号计算该评判指标SDC的大小，通过设定合适的阀值，从而可以有效的进行内外表面缺陷位置的区分，文献[3]分析了不同位置的刻槽、盲孔等缺陷形式的不同形态（深度、走向等）对该评价指标的影响，最后通过理论分析，得到此方案构建的评判指标SDC包含了采样序列X（k）的线性项与非线性项，从而使得该方法具有良好的稳健性和抗干扰能力，相对于其他区分方案，其在实际检测中表现出良好的适应性和排它能力。
3.3基于复层梯度检测的区分方法
为了得到更有效的内外表面缺陷位置区分方法，从信号冗余检测角度出发，在常规二维漏磁检测的基础上，通过在法向上布置两层或多层阵列磁敏感元件，获取在提离方向上特定位置间隔的两测点或多个测点的检测信号并对其進行对比分析，从而构建出与缺陷的位置特征相对应的评判指标。较之前二种区分方法，其原理主要是通过对单个测点所对应的检测信号反映出来的自相关特征来实现缺陷位置的区分，而该评判方法重点在于利用两个或多个测点漏磁检测信号间的互相关特征来实现缺陷位置区分。但该方法的不足之处在于需要更多的硬件检测资源才能实现，对于检测到的任何缺陷都可以利用该多通道检测信号来描述，可将各通道磁敏感元件检测到的信号视为冗余信号，而将所有通道采集的信号用来构建缺陷位置区分指标，从而能够有效地提高该区分方法的稳健性。
图6内外表面缺陷法向路径上的漏磁感应强度
1.外表面缺陷；2.内表面缺陷
通过观察上图6中内外表面缺陷的法向漏磁检测信号VP-P（z）值的提离特性曲线，由于内外表面缺陷位置对应的漏磁信号具有较大差异，故可将两个不同测点z1与z2之间（z1
4结语
区分内外表面缺陷位置的方法在实际检测过程都以自身的特点得到实际应用，前二种方法均是基于漏磁检测信号自身特征去寻找内外伤识别的方法和特征量，由于信息的非独立性，判别方法的排它性和稳定性受多种因素的影响较大。而复层梯度区分方法利用两个独立的信号，通过互相关处理，得到的判据较为稳定。随着新的检测技术如脉冲漏磁检测、交流磁场检测等新技和新的信号处理技术的发展，对于钢管内外表面缺陷的位置识别准确率将有显著的提高，从而为缺陷的定量识别奠定良好的基础。
参考文献：
[1]王雪，张兴周，田金超.基于峭度的盲源分离方法研究[J].应用技术，2012，33（6）：31-33.
[2]崔伟，黄松岭，赵伟，等.传感器提离值对管道漏磁检测的影响[J].清华大学学报（自然科学版），2009，47（1）：21-24
[3]李久政.钢管漏磁探伤中的内外伤区分方法[D].武汉：华中科技大学，2009