《无损检测 钢材 钢管内外双面漏磁检测方法-编制说明》

一、工作简况

1.任务来源

本标准经中国材料与试验团体标准委员会（以下简称：

CSTM标准委员会）无损检测技术及设备领域委员会审查，

CSTM标准委员会批准《无损检测钢材钢管内外双面漏磁

检测方法》立项，标准项目归口管理委员会为CSTM/FC94

无损检测技术及设备领域委员会，标准计划编号为CSTM

LX940000435-2020，由中国特种设备检测研究院牵头承担

《无损检测钢材钢管内外双面漏磁检测方法》团体标准的

制定工作。

2.标准制定的背景和目的

钢管被大量应用在机械、石油、化工、能源等领域，钢

管在生产过程中由于加工工艺等问题会出现裂纹、折迭、划

伤或拉伤等表面缺陷和内部缺陷，严重影响产品品质。长期

以来钢管的漏磁检测都无法解决内外探伤灵敏度不一致和

内壁探伤灵敏度偏低等问题。

通过标准的制定旨在建立钢管内外双面检测的基本技

术规范，解决钢管内外探伤灵敏度不一致的问题，尤其是提

高精密钢管、大厚径比钢管及其部件内部和内壁缺陷漏磁检

测的灵敏度。

3.工作主要过程

按照中国材料与试验团体标准委员会标准制修订程序

的要求，《无损检测钢材钢管内外双面漏磁检测方法》团

体标准的编制完成了以下工作：

（1）起草阶段：

CSTM/FC94无损检测技术及设备领域委员会成立之后，

积极开展各项标准制定工作，为保证后续标准的规范性，针

对《无损检测钢材钢管内外双面漏磁检测方法》组建成立

了标准起草工作组，确定了标准编写原则和分工，提出标准

编制进度安排。

1、2019年6月，召开标准启动会，确定各单位分工；

2、2019年7-9月，标准草案初稿完成；

3、2020年1-5月，标准草案讨论，形成征求意见稿；

4、2020年6月，标准草案征求意见；

5、2020年7月-2021年1月，标准修改、审查。

（2）征求意见阶段：

在华中科技大学等单位先后承担的国家自然科学基金

项目《磁导率扰动无损检测新方法及机理研究》（编号：

051875226）、2018年湖北省重大专项“轴承钢管在线电磁无

损检测技术与系统研发”等科研项目研究成果的基础上，形成

了标准的征求意见稿。华中科技大学成立了磁学检测项目组，

其中有1位博士研究生、3位硕士研究生的毕业论文与本标

准相关，武汉华宇一目检测装备有限公司开发了相关的检测

设备和性能测试，并与多家应用单位（如宝武集团直缝焊管、

沙市钢管螺旋焊管、无锡贝莱精密钢管等）交流了相关技术

的应用要求，合作单位提供了大量的数据和使用要求。

4.主要参加单位及工作组成员

主要参加单位包括：华中科技大学、武汉华宇一目检测

装备有限公司、爱德森（厦门）电子有限公司。

工作组成员包括：康宜华、邱晨、陈文宇、刘伯承、林

俊明。

二、标准化对象简要情况及制修订标准的原则

1.标准化对象简要情况

本标准为旨在规范本领域内各标准的制修订和发布。

2.制修订标准的原则

（1）制修订标准的依据或理由

依据中国材料与试验团体标准制修订管理细则、中关村

材料试验联盟团体标准管理办法（试行）制定本标准，规范

本领域内各标准的制修订和发布。

（2）制修订标准的原则

本标准编制遵循经济社会发展需求原则、技术先进和经

济合理原则、适应贸易全球化需求原则、维护公众利益原则、

协商一致原则、广泛参与和公开透明原则。

本标准在结构编写和内容编排等方面依据GB/T

1.1—2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》

进行编写。

三、采用国际标准和国外先进标准的情况

本标准为自主起草，国内同类标准有GB/T12606-2016

《无缝和焊接（埋弧焊除外）铁磁性钢管纵向和/或横向缺欠

的全圆周自动漏磁检测》，国际同类标准有ISO10893-3-2011

《钢管的无损检测.第3部分:无缝与焊接(除埋弧焊接外)铁磁

钢管纵向与/或横向缺陷检测用自动漏磁检测》。国内和国际

标准关于钢管的自动化漏磁检测均是检测探头在管外扫查，

管内漏磁检测均是检测探头在管内扫查。本标准提出在同一

磁化器的磁化下在钢管内外双面均布置检测探头进行扫查，

主要解决钢管内外探伤灵敏度不一致的问题。

四、标准主要内容

本标准主要包括：1范围，2规范性引用文件，3术语

和定义，4探伤要求，5探伤方法，6对比试件，7探伤设

备，8探伤设备运行和调整，9探伤结果的评定，10探伤

报告。

本标准的全部内容，经过起查人审查而协商一致。

五、主要试验（或验证）结果的分析、综述报告、技术经济

论证，预期的经济效果等

1、主要试验（或验证）的分析、综述报告

本标准所使用的方法，经过国家自然科学基金资助项目

《磁导率扰动无损检测新方法及机理研究》、湖北省重大专

项“轴承钢管在线电磁无损检测技术与系统研发”等项目相关

任务的众多试验和现场检测应用，其有效性得到了验证。

标准编制组对本标准所规定的钢管内外双面漏磁检测

方法进行了试验验证和大量的现场检测试验验证分析，试验

验证内容主要涉及钢管内外双面漏磁检测方式与原理、检测

设备和器材、表面粗糙度对漏磁检测精度的影响、曲率半径

对漏磁检测精度的影响等。

钢管内外双面漏磁检测系统和工艺研究

钢管漏磁检测中，为便于实现自动化，一般将传感器和

磁化器布置在钢管的同一侧，按照传感器布置的位置将漏磁

检测系统分为两类：传感器和磁化器均布置在管外的为钢管

漏磁外检测系统；传感器和磁化器均布置在管内的为钢管漏

磁内检测系统。将目前已有的几种主要钢管漏磁检测系统特

点进行汇总，如表1所示。

表1钢管漏磁检测系统特点对比

钢

检测精度

管传感器及传感器内外多规小径管

常规漏

运磁化器的与钢管伤区格钢检测存

磁检测

动位置及运相对运内壁缺外壁分准管通在的问

方案

方动方式动方式陷缺陷确率用性题

式

空间有

漏磁内静直线扫不通限；检测

管内直行一般差低

检测止描用精度不

足

横向：管横向：内/外壁

漏磁外直外静止直线不通轴向裂

差较好低

检测行纵向：管纵向：用纹检测

外旋转螺旋精度不

螺足

旋螺旋扫可通

管外静止差较好低

前描用

进

注：“横向”及周向伤传感器及轴向磁化器；“纵向”及轴向伤传感器及周向磁化器

从表中可以看出，对于单个的传感器布置在管外的钢管

漏磁外检测系统或者是单个的传感器布置在管内的钢管漏

磁内检测系统，会造成贴近探头的一侧的检测层面检测精度

较高，远离层面的检测精度低，这种单面布置传感器的检测

方式无法适用于精密钢管、大厚径比钢管的内外表面缺陷的

检测。本标准提出的基于同一磁化器在钢管内外双面均布置

有传感器的钢管内外双面漏磁检测方法可以摆脱现有的检

测方法和探头工艺的制约，解决内外表面检测精度不一致的

问题，可以达到精密钢管和大厚径比钢管的检测要求。

标准编制组开展了大量关于钢管内外双面漏磁检测方

法与工艺的研究，并研发了钢管内外双面漏磁检测系统，该

系统主要有钢管周向磁化系统、钢管轴向磁化系统、轴向伤

阵列传感器及周向伤阵列传感器、內导杄机构、压紧装置、

信号处理系统、控制系统、退磁系统等，下面对其主要组成

部分进行简单介绍。

·钢管周向磁化系统

钢管周向磁化系统由向磁化器、升降对中系统、轴向伤

检测探头跟踪机构等组成,以实现钢管轴向裂纹的检测,其实

物图如图1所示，采用的是轴向磁极对对钢管直流磁化,两磁

极正对的管壁中央区会形成较均匀的磁化场,有利于此处轴

向裂纹激发漏磁场。将轴向伤内外检测探头分别布置在与磁

极相对的钢管内外壁的两侧。

升降系统磁化

线圈

磁极

探头

跟踪

机构

下铁芯

图1钢管周向磁化器

·钢管轴向磁化系统

钢管轴向磁化系统由轴向磁化器、升降对中系统、周向

伤检测探头跟踪机构等组成，以实现钢管周向裂纹的检测。

其实物图如图2所示。

周向缺陷检测主机的磁化器采用的是穿过式直流磁化

线圈。常见两种方式：单线圈开路磁化和双线圈开路磁化。

前一种磁化方式的线圈内径大，磁通量在钢管外的空气中流

失量大，磁化效率较低，易产生漏检现象。本系统采用双线

圈磁化方式，两磁化线圈通入方向相同的直流电，在两线圈

中间形成密集均匀的磁场，且磁场强度为整个磁场最大处。

检测时，将检测元件布置在两线圈的中心。特点是线圈内径

小，磁化效率高，检测效果好，重复性好。

探头跟

踪机构

磁化线圈

图2双磁化线圈轴向磁化实物图

·内导杆机构

此检测系统在钢管内外壁均布置有周向伤和轴向伤传

感器，管内传感器固定在内导杆上，内导杆上只布置有传感

器，不布置磁化器，避免了永磁磁化对机构运行的阻力，也

避免了小径管内部空间导致的检测局限性。

如图3所示呈现了周向伤检测主机处外置传感器、内导

杆及传感器部分的相对位置，当钢管进入该工位时，内导杆

穿入钢管内与钢管内表面贴合，外置检测探靴合拢与钢管外

表面贴合。

外置内导杆传

检测探靴感器部分

图3内导杆及传感器实物图

·检测探头

试验分析磁传感器采用MSR33单轨型磁头，MSR33磁

头如图4所示，传感器敏感区间为弧面，从传感器布置工艺

上可以实现其敏感区域与钢管外表面和钢管内表面的零提

离，可以解决由于常规传感器布置导致的提离问题，将传感

器阵列并采用一定的工艺安装固定在探靴内，如图5所示，

探靴外形根据钢管内外表面做弧形。

图4磁头传感器

(a)管外壁周向伤传感器(b)管外壁轴向伤传感器

(c)管内壁周向伤传感器(d)管内壁轴向伤传感器

图5内外阵列传感器探靴实物图

基于上述所说的各组成部分，研发了钢管内外双面检测

的漏磁检测系统，并进行了大量的检测试验，如图6所示。

图6轴承钢管精密漏磁内外检测设备实物图

此检测系统需要满足API、ASTM和GB/T12606-1999

等标准规定的检测要求，对于检测样件，选择φ20mm、

φ40.6mm及φ110.7mm三种外径规格，壁厚分别为2.5mm、

3.8mm及7.6mm，长度均为2.5m的钢管作为标样管，如图7

所示为标样管的内外壁及轴向裂纹的分布图，其中C1处为

管外壁周向裂纹、C2处为管内壁周向裂纹、L1处为管外壁

轴向裂纹、L2处为管内壁轴向裂纹，每根标样管上均有这4

处人工裂纹，且裂纹尺寸均为：6.25mm长×0.20mm宽

×0.10mm深（对周向裂纹而言沿管周向方向的尺寸为裂纹长

度，对轴向裂纹而言沿管轴向方向的尺寸为裂纹长度）。

图7系统测试标样管缺陷分布示意图

该检测系统对三种规格的标样管进行关内外壁微细裂

纹检测性能测试，检测信号如图8所示。

外伤L1

外伤C1

内伤L2

内伤C2

(a)φ20mm标样管系统测试信号

外伤L1轴向自然伤

外伤C1

内伤L2

内伤C2

(b)φ40.6mm标样管系统测试信号

外伤L1

外伤C1

内伤L2

内伤C1

(c)φ110.7mm标样管系统测试信号

图8轴承钢管精密漏磁内外检测系统测试结果

上图检测结果可以看出，钢管内外表面的缺陷均可以检

测出，解决了内外壁缺陷的检测灵敏度不一致的问题，同时

由于钢管内外壁缺陷是由内外传感器分别进行检测，因此该

系统可以直观有效的实现内外裂纹的区分，且对于不同直径

和壁厚的钢管均具有一定的适配性，整体上提升了钢管漏磁

检测设备的检测精度，拓宽了漏磁检测方法的应用范围。

表面粗糙度特征对检测精度的影响

·表面粗糙度对裂纹产生漏磁场影响的实验验证和分析

在常规漏磁检测中，由于裂纹尺寸远大于微观表面起伏

的几何尺寸，故在理论分析和实际应用中均默认铁磁性材料

表面为光滑表面，从而忽略被探伤构件表面状况的影响。一

旦被检测裂纹的尺度小到微米级时，表面粗糙度的影响就越

发明显。

通过实验分析磁传感器扫查路径下工件表面粗糙度引

起的磁场分布变化对漏磁检测的影响规律，采用线切割方式

在16块相同尺寸的样板（材料：10#钢）中间50mm×40mm

范围的面上加工得到不同特征参数的粗糙度表面，如图9所

示。

图9样板粗糙度表面加工示意图

在加工过程中保证加工表面的评定中线离样板底面的

距离均为7mm，得到的实验样板如图所示，由于存在加工误

差，采用英国TalysurfPGI830表买你轮廓综合测量仪对样板

进行表面粗糙度几何特征值参数Ra和RSm的实际值进行测

定，粗糙度测定试验台如图10所示。

(a)16块实验样板(b)表面粗糙度测量

图10粗糙面实验样板及粗糙度实测

对加工表面的粗糙度实测结果进行汇总，结果如表2所

示。表中编号0#为实验对比样板，编号1#~编号15#为粗糙

表面样板。其中粗糙度参数RSm设计了三组值：500μm、

750μm及1000μm，每一个RSm值对应的粗糙度参数Ra有

5种，设计值为：50μm、70μm、90μm、100μm及120μm，

实测值在48.7μm~122μm之间。

表2样板表面粗糙度几何特征参数实测值

按照图11搭建粗糙度样板实验平台，如图2.23所示。

计算机

信号放大器直流磁化电源

调节滑轨

采集卡

刻度尺

供电电源

霍尔传感器

实验样板

不锈钢支撑板

磁化线圈

支撑轮

图11粗糙度样板实验平台

根据实验样板的表面粗糙度实测值，在实验中通过刻

度尺和调节滑轨将传感器提离值控制在=0.25mm，即传感器

与工件基准面（评定中线）距离保持一致ℎ。传感器相对扫查

经过粗糙表面，实验中，磁化线圈励磁电流为10A，电路板

放大倍数为50倍，依次记录16块实验样板加工表面上方的

信号，分析观察表面粗糙度对表面漏磁场信号产生的影响。

图12所示为0#和10#样板加工表面上方传感器拾取得到的

信号。

图12粗糙度引起的表面漏磁场实验信号

由上图的信号对比结果，可以看到粗糙表面轮廓单元的

两种几何特征形成的相反磁场扰动交替出现，表面漏磁场信

号整体上呈现出“近似正弦”形的特征。根据实验结果，汇总

得到Ra值和RSm值分别不同时表面漏磁场特征量的变化曲

线，如图13所示。

(a)表面漏磁场信号幅值(b)表面漏磁场信号宽度

图13Ra和RSm对表面漏磁场特征量的影响

由实验结果可知，粗糙度引起的表面漏磁场信号宽度主

要与间距特征参数RSm相关，幅度特征参数Ra的变化对信

号宽度影响较小；而粗糙度引起的表面漏磁场信号幅值与表

面粗糙度特征参数Ra和RSm都相关，Ra值或RSm值的增

加都会使表面漏磁场信号幅值增加。

采用激光加工方式在0#对比样板和另外15块粗糙度样

板的实验表面上加工裂纹，裂纹尺寸为：长40mm×宽0.3mm×

深0.5mm，此处裂纹深度均为裂纹在评定中线以下的深度。

0#样板上有一处人工裂纹，如图14左图所示；1#~15#样板

在粗糙元两相邻轮廓峰间和两相邻轮廓谷间各有一处人工

裂纹，如图14右图所示。

轮廓峰间轮廓谷间

图14对比样板（左）及粗糙度样板（右）

实验中传感器与工件基准面（评定中线）距离保持一致，

提离值固定为=0.25mm，磁化线圈励磁电流为10A，电路板

放大倍数与上ℎ节相同，依次记录16块实验样板裂纹上方的

信号，图15所示为0#和10#样板裂纹上方传感器拾取得到

的信号。

图15不同表面的裂纹附近漏磁场实验信号

由图15可知，同样尺寸的裂纹在不同表面粗糙度条件

下的信号差别较大，相对于0#光滑表面上的裂纹信号，10#

粗糙表面上的裂纹信号在裂纹中心和边缘处均发生了改变，

所得信号为粗糙度引起的漏磁场和裂纹自身漏磁场的矢量

叠加结果，并且轮廓峰间裂纹相对于轮廓谷间裂纹的信号幅

值更大。图16和图17中汇总了RSm分别为500μm、750μm

及1000μm时Ra值对裂纹上方漏磁场信号特征的影响情况。

Acb,

Acb,

Acb,

Acc,RSm=500μm

Acc,

Acc,

图16Ra和RSm对裂纹上方漏磁信号幅值的影响

Wcb,RSm=500μm

Wcb,

Wcb,RSm=1000μm

Wcc,RSm=500μm

Wcc,

Wcc,RSm=1000μm

图17Ra和RSm对裂纹上方漏磁信号宽度的影响

由实验结果可得，在相同的粗糙度幅度特征Ra值和间

距特征RSm值时，裂纹上方漏磁信号的幅值满足

，信号宽度满足，。另��外�，>

�裂�纹�>在�粗��糙元两轮廓峰之间�时��，<裂�纹��上方�漏��磁<场�信��号幅值随

表面粗糙度Ra值和RSm值的增加而增加，信号宽度随RSm

值的增加而增加，随Ra值的增加而缓慢变小；裂纹在粗糙

元两轮廓谷之间时，RSm值的增加会使裂纹上方漏磁场信号

的幅值和宽度都较快增加，而Ra值的增加会使裂纹信号幅

值和宽度都有减小趋势，但影响不大。

·粗糙表面微细裂纹漏磁检测的提升方法

通过研究发现，改变提离值以及提离介质可以起到改善

粗糙表面裂纹检测信号信噪比的作用，可以提升粗糙表面微

细裂纹信号的可辨识度，下面进行相关实验的探究。图18

为增加空气提离值及磁介质提离值的实际操作办法，检测过

程中传感器始终与提离介质表面保证接触，这样可借助特定

厚度的塑料薄膜以及坡莫合金来保证传感器与粗糙表面的

精准提离，使得实验结果更为可靠。

塑料薄膜磁性薄片

(a)空气提离(b)磁介质提离

图18改变提离值和提离介质的实物图

依然采用之前的实验平台，实验样板采用11#粗糙表面

样板，表面粗糙度几何特征量分别为：Ra=51.9μm、

RSm=1000μm，裂纹的几何特征量分别为w=0.3mm，

d=0.5mm。磁化线圈励磁电流为10A，电路板放大倍数与2.5

节中相同。接下来先改变传感器的净空气提离值，观察其对

检测结果的影响，结合实验条件，实验中采用0.025mm厚和

0.06mm厚的塑料薄膜进行不同组合，设计净空气提离值分

别为0、0.025mm、0.05mm、0.06mm、0.085mm及0.11mm

的6组实验。图19为净提离值分别为0和0.05mm时的

粗糙表面裂纹信号对比结果。�ℎ

图19不同空气提离值处的漏磁场实验信号

由上图可知，当提离值增加后，表面粗糙度引起的扰动

信号幅值和裂纹对应的漏磁场信号幅值均有所减小。将6组

实验对应的检测信号进行分析汇总，得到表面粗糙度引起的

扰动信号及裂纹漏磁场信号相关特征随空气提离值的变化

趋势，如图21所示，并依次计算得到检测信号的信号幅值

比因子及信噪比随空气提离值的变化规律，如图22所示。

在以上平台的基础上，继续进行实验以分析提离介质更

换为导磁介质后对检测信号信噪比的提升效果。同样的，结

合实验实际条件，实验中采用0.03mm厚和0.05mm厚的坡

莫合金进行不同组合，设计磁介质提离值分别为0、0.03mm、

0.05mm、0.06mm、0.08mm及0.1mm的6组实验。图20将

净提离值均为0.05mm时空气介质提离和磁介质提离两种情

况下的粗糙表面裂纹信号进行了对比。

图20不同提离介质时的漏磁场实验信号

由以上结果可知，当提离介质改为导磁介质时，裂纹漏

磁信号和表面粗糙度引起的扰动信号幅值均相对减小，但直

观上可以观察到信号幅值比更大。同样的，相同净提离值下

将提离介质从空气更换为导磁介质后，漏磁检测信号的信噪

比得到约2dB的提升。为更为直观的对比不同介质提离下的

信噪比改善能力，将磁介质提离下对应的6组实验结果进行

分析，可得到不同磁介质提离值下的漏磁检测信号相关特征，

也分别汇总至图21和图22中，并与空气介质提离下的相关

结果进行对比。

(a)信号幅值的变化(b)信号幅值衰减率

图21不同提离条件下的漏磁信号特征

图22不同提离条件下的信号幅值比因子Ka和信噪比SNR

图21(a)表明随着提离值的增加，粗糙度扰动信号的幅值

和裂纹信号幅值均减小，相对来说，当提离介质为导磁介质

时，粗糙度扰动信号的幅值和裂纹信号幅值均衰减更快，无

法分辨相同提离值下两种不同提离介质对漏磁检测信号信

噪比提升能力的差异。图21(b)中统计了提离值增加时粗糙度

扰动信号幅值和裂纹信号幅值的衰减率，随着提离值的增加，

相同提离介质情况下粗糙度扰动信号幅值的衰减率始终大

于裂纹信号幅值的衰减率，再次说明提离值的增加有利于信

噪比的改善。此外，提离介质为导磁介质时对应的两个衰减

率特征量均更大，信噪比改善效果更好，故依此可知磁介质

提离条件下对信号信噪比的改善更有效。

以上分析得到的结论可以从图22中直观看到，磁介质

提离相对于空气介质提离来说，随着提离值的增加，漏磁检

测信号的信号幅值比因子及信噪比增长更快。但需要注意的

是，提离值不能太大，否则会造成探伤灵敏度的下降，较难

获取到裂纹的有效漏磁信号。

接下来分析提离介质为不同磁导率材料时对信噪比改

善的能力，根据现有实验条件，采用厚度均为0.08mm的不

同磁介质：薄铁片、硅钢片及坡莫合金进行实验，三种材料

的相对磁导率大小关系为：薄铁片<硅钢片<坡莫合金。在净

提离值为0.08mm情况下获取不同提离介质情况下的漏磁检

测信号，采用与前面相同的信号分析方法，得到不同情况下

粗糙度扰动信号和裂纹漏磁信号的信号幅值以及其衰减率、

信号幅值比因子和检测信号信噪比，汇总至表3中。

表3不同磁导率时的漏磁检测信号相关特征

提离介裂纹信号扰动信号幅衰减率信号幅值信噪

衰减率

质幅值Ac值Ar比因子KaSNR

�

��

空气331.72mV142.18mV�002.337.35dB

薄铁片279.46mV100.89mV15.75%29.04%2.778.85dB

硅钢片232.81mV75.1mV29.82%47.18%3.109.83dB

坡莫合10.21d

195.5mV60.31mV41.06%57.58%3.24

金B

上表中信号幅值衰减率均是基于空气净提离值为

0.08mm时的信号计算而得，以确保得到在相同的净提离值

情况下漏磁检测信号特征随磁介质导磁率的变化（空气的相

对磁导率为1）。由表中结果可知，当磁介质的磁导率越大时，

裂纹漏磁信号幅值和粗糙度扰动信号幅值随之减小，信号幅

值衰减率随之增加，对应的信号幅值比因子和信噪比也逐渐

增加。但当提离介质从磁导率较高的硅钢片改变为磁导率更

高的坡莫合金时，信噪比提升变得缓慢，故可在满足信噪比

要求的基础上选择磁导率较小的材料作为提离介质，以保证

传感器的探伤灵敏度。综合以上的分析，提离值的增加以及

提离介质的改变可以起到有效改善粗糙表面裂纹检测的能

力及可辨识性，同时也说明采用一定的检测工艺是可以突破

原有的检测极限的。

曲率半径对检测精度的影响

·曲率半径对钢管轴向裂纹漏磁检测的影响

已有研究中，钢管曲率影响的研究结果呈现的规律并不

全面，并且对磁化影响机理、漏磁信号影响规律以及小径管

检测难点解决方法等问题研究较少。针对以上问题，需要研

究曲率半径对钢管、特别是小口径钢管磁化的影响，分析管

壁磁化状态以及管壁附近空气中的背景磁场变化规律，从机

理上分析曲率半径变化对裂纹漏磁检测的影响。

目前的自动化钢管在线漏磁检测设备中，广泛采用的是

轴向直流线圈和周向直流磁化实现钢管的磁化，由于钢管曲

率半径的变化对钢管轴向磁化无明显影响，而对钢管周向磁

化的影响较大，因此主要围绕曲率半径的变化对钢管周向磁

化及轴向缺陷漏磁场的影响展开研究。

为通过实验来观察钢管曲率半径对轴向内外裂纹漏磁

信号的影响，准备了内壁曲率半径分别为5mm、10mm、14mm、

25mm和35mm的5根实验样管，如图23(a)所示。样管材料

为10#钢，壁厚均为5mm，管长为400mm，采用电火花刻伤

的方式在5根样管的内外壁上分别了轴向人工裂纹，裂纹尺

寸均为：长20mm×宽0.2mm×深0.5mm，同一根样管上的外

壁和内壁轴向裂纹分别位于样管两端，如图23(b)中为φ20mm

规格样管上的人工轴向裂纹。

外裂纹

内裂纹

(a)实验样管5根(b)人工轴向裂纹

图23实验样管及人工轴向裂纹

搭建样管轴向裂纹检测实验平台，如图24所示。实验

装置主要组成为：线圈磁化器、直流励磁电源、升降可调磁

极靴、样管、旋转机构、磁头传感器、采集卡、信号放大器

以及可存储及显示检测信号的计算机。为更好的得到曲率半

径对轴向裂纹信号的影响规律，并且考虑到小径管轴向裂纹

的漏磁场较小，经过试验探究，选用了灵敏度和分辨率均较

高的磁头传感器。在实验中，为避免极靴与不同样管外壁之

间的间距变化造成的影响，磁极靴由上极靴、下极靴以及中

间可调极靴板组成，可在不同样管实验时调整上下极靴之间

的间距，保证上下极靴与不同规格样管外壁最小间距均为

5mm，磁极靴宽度为20mm，沿样管轴向长度为250mm。

110

211

9

8

3

4567

1-信号放大器2-采集卡3-供电电源4-直流励磁电源5-计算机

6-线圈磁化器7-支撑台8-磁头传感器9-实验样管

10-升降可调磁极靴11-旋转机构

图24样管轴向裂纹检测实验平台

采用以上实验平台，实现样管的周向磁化，传感器布置

在样管外壁周向0°处（图4.6中x轴上），旋转机构带动样管

原地旋转，使传感器与样管外壁产生周向相对运动，当传感

器扫查经过人工裂纹处，会有突变的电信号输出，并由计算

机存储和显示。实验中，磁化线圈的励磁电流为8A，传感

器提离为0.05mm，电路板放大倍数为300倍。依次更换样

管规格进行实验，并用传感器分别获取每根样管上的内、外

壁轴向裂纹信号。为便于对比，将五种规格样管的外壁轴向

裂纹信号均汇总至图25同样的，将五种规格样管的内壁轴

向裂纹检测信号均汇总至图26。

(a)外壁裂纹实验信号(b)信号幅值

图25同曲率半径钢管的外壁轴向裂纹实验信号

(a)内壁裂纹实验信号(b)信号幅值

图26同曲率半径钢管的内壁轴向裂纹实验信号

图25结果表明，对于相同几何尺寸的外壁轴向裂纹，

随着样管曲率半径的增加，外壁裂纹实验信号幅值先增加后

趋于平缓。由于检测中传感器布置在样管外壁处，故图26(a)

中内壁轴向裂纹的实验信号实际是内壁轴向裂纹在样管外

壁处的漏磁场信号，由图可知，同样大小的裂纹尺寸，内壁

轴向裂纹检测信号明显小于图25(a)所得的信号。除此之外，

由图26(b)可知随着样管曲率半径的增加，内壁裂纹实验信号

幅值随之增加，变化趋势与图25(b)中一致。实验结果表明小

径管的轴向微细裂纹检测对漏磁探伤设备的检测精度要求

较高，尤其是小径管的内壁轴向微细裂纹。

·小径管表面轴向微细裂纹漏磁检测工艺优化

从上面结果可以看出，对于相同尺寸的裂纹，由于裂纹

附近漏磁场传递到传感器的路径不同，外壁上裂纹的检测信

号要比内壁裂纹的检测信号大的多，因此必须要对钢管的检

测工艺进行优化。为更有效的利用裂纹处的漏磁场，最大化

的获取裂纹处的原始漏磁场，因此在小径钢管内部布置一组

阵列探头，为解决钢管轴向内裂纹检测的难题。按照在小径

钢管内外面均布置传感器的布置工艺进行实验，内置的传感

器借助内导杆布置在钢管内部的周向0°的位置处，如图27

所示。

外置传感器

内置传感器

图27传感器内、外布置实物图

在之前的实验平台基础上进行实验，除传感器布置位置

发生改变，其他实验条件与之前相同。依次更换样管，将内

置传感器拾取到的内壁轴向裂纹漏磁场信号进行汇总，并将

信号幅值与图21和22实验结果进行对比，得到图28。

(a)内壁裂纹内检测信号(b)信号幅值对比

图28检测工艺优化实验结果

由以上实验结果，当钢管内壁曲率半径不同时，对于相

同几何尺寸的轴向裂纹，钢管内壁裂纹附近漏磁场信号始终

大于钢管外壁裂纹附近漏磁场的信号。更重要的是，在新检

测工艺下，将传感器布置到钢管内壁处，内壁轴向裂纹的检

测信号得到非常明显的提升，说明该方法优化的效果很好。

下面以内壁曲率半径10mm的样管（外径φ30mm）为例，

在上述检测工艺优化的基础上对钢管磁化状态进行优化，在

原有实验的基础上分别进行小径管内、外轴向裂纹的检测信

号随磁化线圈励磁电流、磁极靴宽度以及极靴与钢管间隙的

变化特征的实验。首先进行磁化线圈励磁电流优化的相关实

验，首先保证极靴与钢管最小间隙为5mm，磁极靴宽度为

20mm，在磁化线圈励磁电流分别为2A、4A、6A、8A及10A

时进行相关实验，传感器在样管内壁和外壁相同提离

（h=0.05mm）处分别拾取内壁轴向裂纹和外壁轴向裂纹的漏

磁场信号，如图29所示。提取不同励磁电流条件下的信号

幅值并进行对比，得到图30。

(a)内壁裂纹实验信号(b)外壁裂纹实验信号

图29不同励磁电流下轴向裂纹实验信号

图30轴向裂纹实验信号幅值随励磁电流的变化

由以上结果可知，内、外轴向裂纹的漏磁检测信号均随

直流线圈励磁电流的增加而增大，且在传感器分别布置于管

壁内、管壁外处的工艺下，原存在检测难度的管内壁轴向裂

纹检测信号大小明显已可以满足指标要求。

接下来进行极靴宽度优化的相关实验，实验中极靴与钢

管最小间隙为5mm，磁化线圈励磁电流为8A，通过增减极

靴宽度延伸导磁铁块来改变实上下磁极靴的宽度，取值分别

为20mm、30mm、40mm及50mm。在以上参数下，传感器

在样管内壁和外壁相同提离（h=0.05mm）处分别拾取内、外

壁轴向裂纹的漏磁场信号，如图31所示。提取不同磁极靴

宽度时裂纹检测信号的幅值并进行对比，得到图32。由汇总

结果可知，在新工艺下内壁裂纹信号大于外壁裂纹信号，且

内、外轴向裂纹的漏磁检测信号均随极靴宽度的增加而增大，

但随之增加的幅度较小。

(a)内壁裂纹实验信号(b)外壁裂纹实验信号

图31不同极靴宽度时轴向裂纹实验信号

图32轴向裂纹实验信号幅值随极靴宽度的变化

同样的，保证其他实验条件不变，磁化线圈励磁电流为

8A，磁极靴宽度为20mm，通过调整图中的可升降磁极靴

改变样管外壁与磁极靴端面间竖直方向的最小间距g，使得

磁极靴端面与样管外表面的最小间隙值依次为1mm、3mm、

5mm、8mm、10mm。在以上参数下，传感器在样管内壁和

外壁相同提离（h=0.05mm）处分别拾取内、外壁轴向裂纹的

漏磁场信号，如图33所示。提取不同间隙g时裂纹检测信

号的幅值并进行对比，得到图34。汇总实验结果表明，内、

外轴向裂纹的漏磁检测信号均随样管与磁极靴端面间最小

间隙g的增加而减小，并且是先快后慢。可见小的间隙值g

有利于获得更大的裂纹漏磁场信号，但间隙值过小时，样管

在运行中稍有偏心或弯