由于制造工具缺陷、溫度控制不均和原料屬性差異等因素的影響，造成鋼管在穿孔、頂管和張減等成形工藝中產生壁厚不均，如圖4-33a所示。另外，不銹鋼管在使用過程中，由于受到腐蝕介質和交變應力作用，同樣會形成如圖4-33b所示的腐蝕、偏磨等局部壁厚變化。壁厚不均對不銹鋼管性能的影響與缺陷有所不同，壁厚不均一般為大面積材料的緩慢損失或增加，一定范圍內的壁厚變化對不銹鋼管力學特性和使用性能的影響較??；缺陷為突變的局部材料損失，容易產生應力集中，并會往深度方向加速擴展，進而造成鋼管使用性能失效。根據美國石油協會API標準要求，鋼管壁厚偏差允許范圍為≤±12.5％，缺陷深度要求范圍為≤5％。
根據磁力線傳遞機制，壁厚不均會形成擾動背景磁場，疊加于原缺陷漏磁場上會改變漏磁場特征；另一方面，壁厚不均會改變磁化場磁通路徑，引起不銹鋼管磁化狀態發生變化，進一步影響缺陷漏磁場強度。從而，相同尺寸的缺陷在壁厚減薄和增大處會產生不同于壁厚均勻處的漏磁場。
一、壁厚不均的磁場分布
不銹鋼管壁厚不均主要包括橫向壁厚不均和縱向壁厚不均，如圖4-34所示。橫向壁厚不均主要指鋼管橫截面上形成的局部壁厚增大和減薄，如青線；縱向壁厚不均是指鋼管在長度方向上形成的局部壁厚增大和減薄，如腐蝕坑。不銹鋼管漏磁檢測一般采用復合磁化方法對缺陷進行全面檢測，即軸向磁化檢測橫向缺陷和周向磁化檢測縱向缺陷。
不銹鋼管漏磁檢測的本質為磁場、空氣介質與鋼介質之間的電磁耦合作用，主要體現為磁力線在空氣介質、磁介質及其分界面上的傳遞過程。不銹鋼管壁厚減薄和增大時，在磁介質與空氣介質之間會形成具有一定角度的作用界面。壁厚減薄磁力線傳遞過程為：①. 磁力線在鋼／空氣分界面處發生折射；②. 磁力線在空氣／鋼分界面處發生折射。壁厚增大磁力線傳遞過程為：①. 磁力線在空氣／鋼分界面處發生折射；②. 磁力線在鋼／空氣分界面處發生折射，如圖4-35所示。
對分界面上磁力線作用過程進行梳理，主要歸納為磁力線在鋼／空氣、空氣／鋼界面上的折射作用。由麥克斯韋方程組和電磁場邊值條件可獲得磁力線在兩介質分界面上的磁折射作用方程：
式中為垂直于分界面的單位矢量；B1(H1)和B2(H2)分別為介質1和介質2內的磁感應強度（磁場強度）；為分界面上的電流線密度。
設鋼介質磁導率為μ1，空氣介質磁導率為H2，由于不銹鋼管表面不存在電流分布，因而，從而可獲得鋼介質內、外磁場的關系：（切向分量），（法向分量）。圖4-36a所示為在鋼介質與空氣介質分界面處的磁力線折射作用原理圖，磁力線與分界面法向形成入射角01，經分界面折射入空氣中，并與分界面法向形成折射角02o根據式（4-11），并結合磁感應強度和磁場強度關系，可獲得磁力線在分界面上走向與介質磁導率的關系，即
根據式（4-12），由于鋼介質磁導率遠遠大于空氣介質磁導率，即，因此磁力線與分界面法向在磁介質中的夾角大于在空氣介質中的夾角，即由于磁化場方向平行于鋼管表面，因此，在鋼／空氣分界面附近，磁力線在鋼介質中幾乎平行于分界面，而在空氣介質中磁力線幾乎與分界面垂直，如圖4-36a所示。同樣，根據式（4-12）可獲得磁力線在空氣／鋼分界面上的傳遞路徑，如圖4-36b所示。
根據圖4-36所示的磁折射原理，并結合圖4-35所示的壁厚減薄磁力線作用過程①和②，以及壁厚增大磁力線作用過程①和②，可分別獲得壁厚減薄與壁厚增大產生的擾動背景磁場B1和B2的分布特性，如圖4-37所示。從圖中可以看出，壁厚減薄與壁厚增大形成了方向相反的擾動背景磁場：在壁厚減薄處，部分磁力線泄漏出鋼管表面；而在壁厚增大處的外部磁力線被吸收入鋼管內部。
磁場特性通過磁力線表征：①. 磁力線形成閉合路徑；②. 磁力線具有彈性且不交叉；③. 磁力線存在相互擠壓作用；④. 磁力線總是走磁阻最小的路徑。當鋼管壁厚均勻時，磁力線均勻通過管壁截面，磁感應強度為；如圖4-37所示，當鋼管壁厚減薄時，磁化場磁通路徑由Z。減小到，磁力線之間的相互擠壓作用使得小部分磁力線折射入空氣中，而絕大部分磁力線通過磁阻更小的鋼介質，造成磁感應強度由Bo增加到近似BoZo/(Zo-Zdec)；同樣，當壁厚增大、磁通路徑由Z。增加到Zo+Zinc時，磁力線會基本均勻分布于整個壁厚截面，造成磁感應強度由Bo減小到近似
建立如圖4-38所示的仿真模型，不銹鋼管外徑為250mm，壁厚為20mm，長度為1200mm，材質為25鋼。磁化線圈內徑為290mm，外徑為590mm，厚度為300mm，磁化電流密度i＝。仿真中分別用減薄、均勻和增大三種壁厚特性進行對比，其中壁厚減薄和增大程度均為12.5％，獲得不同壁厚特性形成的背景磁場和磁感應強度分布，如圖4-39和圖4-40所示。
圖4-39所示的鋼管壁厚變化產生的背景磁場仿真結果與圖4-37所示的理論分析結論吻合：壁厚減薄形成鋼／空氣和空氣／鋼分界面，進而產生從鋼管管壁向空氣中泄漏磁力線的背景磁場；壁厚均勻形成的背景磁場與鋼管表面近似平行；壁厚增大形成空氣／鋼和鋼／空氣分界面，進而形成從外部空氣中吸引磁力線進入鋼管內部的背景磁場。另外，壁厚變化使磁化場磁通路徑發生改變，鋼管壁厚減薄、均勻和增大部位形成不同的磁感應強度，分別為2.2844T、2.1474T和1.9473T，如圖4-40所示。由此可見，與鋼管壁厚均勻相比，壁厚減薄與增大會形成不同的擾動背景磁場和磁感應強度。
二、壁厚不均對缺陷漏磁場的影響
不銹鋼管漏磁檢測利用磁敏感元件測量鋼管表面的磁場分布，并將磁場量依次轉換為模擬信號和數字信號進入計算機進行數字化處理，圖4-41所示為不銹鋼管缺陷漏磁場測量原理。
從本質上講，磁敏傳感器所測量的缺陷總漏磁場由三部分磁場疊加而成，包括磁化線圈在鋼管表面處形成的初始背景磁場，鋼管壁厚變化產生的擾動背景磁場以及缺陷產生的漏磁場，即
式中，為傳感器測量的總漏磁場；Bo(r,z)為磁化線圈產生的初始背景磁場；Bwallz)為壁厚變化形成的擾動背景磁場；為缺陷漏磁場。進一步將式（4-13）按徑向和軸向進行矢量分解，即
磁化線圈在測點處形成的初始背景磁場在檢測過程中基本不發生變化。然而不同壁厚特性會產生不同的擾動背景磁場，其疊加于缺陷漏磁場之后會影響測點處總磁場的分布。結合圖4-41所示的鋼管缺陷漏磁場測量原理，對測點處各磁場進行矢量分解，如圖4-42所示。
圖4-42a所示為壁厚減薄不銹鋼管表面磁場矢量分解圖，從圖中可以看出，缺陷漏磁場徑向分量Brmnl與壁厚減薄擾動背景磁場徑向分量Brvall方向相同，而與磁化線圈初始背景磁場徑向分量B,01方向相反；缺陷漏磁場、壁厚減薄擾動背景磁場和磁化線圈初始背景磁場三者的軸向分量方向相同，從而可獲得壁厚減薄鋼管表面缺陷總漏磁場徑向分量Brmsl和軸向分量Bzmsl如式（4-）和式（4-17）所示。可以看出，磁化線圈初始背景磁場削弱了缺陷總漏磁場徑向分量強度，并增強了缺陷總漏磁場軸向分量強度；壁厚減薄形成的背景磁場對缺陷總漏磁場徑向和軸向分量均具有增強作用。
圖4-42b所示為壁厚均勻不銹鋼管表面磁場矢量分解圖，由于不存在壁厚變化形成的擾動背景磁場，缺陷總漏磁場由磁化線圈產生的背景磁場和缺陷漏磁場矢量合成。其中，缺陷漏磁場與初始背景磁場徑向分量方向相反，軸向分量方向相同，從而可獲得壁厚均勻時缺陷總漏磁場徑向和軸向分量Brmw2和Bzms2，如式（）和式（419）所示。同樣，磁化線圈初始背景磁場削弱了缺陷總漏磁場徑向分量強度，而對其軸向漏磁場分量具有增強作用。
圖4-42c所示為壁厚增大不銹鋼管表面磁場矢量分解圖，缺陷漏磁場徑向分量Bmm壁厚增大擾動背景磁場徑向分量BrwlB和磁化線圈初始背景磁場徑向分量B,m西者方向均相l"^u反；缺陷漏磁場、壁厚增大擾動背景磁場和磁化線圈初始背景磁場三者的軸向分量方向相同，從而可獲得壁厚增大時缺陷總漏磁場徑向分量B,ma3和軸向分量B4m3如式（4）和式（4-21）所示?？梢钥闯?，磁化線圈初始背景磁場與壁厚增大擾動背景磁場對缺陷總漏磁場徑向分量同時具有削弱作用，而對其軸向分量同時具有增強作用。
進一步，采圖4-38所示模型仿真研究壁厚變化形成的背景磁場分布特性。磁場提取路徑ム、2和的提離值均為2mm，如圖4-43所示。通過數值有限元仿真計算壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大時鋼管表面磁場的徑向和軸向分量，如圖4-44所示。
由于不存在缺陷漏磁場，此時不銹鋼管表面形成由磁化線圈初始背景磁場和壁厚變化擾動背景磁場疊加而成的背景磁場，即中可以看出，壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大形成的背景磁場軸向分量的方向相同，但強度存在差異：壁厚減薄B強度最大，壁厚均勻Brm2強度次之，壁厚增大Brma3強度最弱。壁厚減薄徑向分量與壁厚均勻Bma2以及壁厚增大Bm3方向相反，其中壁厚均勻徑向分量強度微弱。究其原因，與壁厚均勻相比，壁厚減薄形成由鋼管內部向空（中泄漏磁力線的背景磁場，而壁厚增大則產生從外部空中吸引磁力線進人鋼管中的背景磁場，從而使得鋼管表面的總背景磁場軸向分量強度滿足關系：并且徑向分量Brmsl與Brmm3方向相反。
下面以缺陷漏磁場軸向分量為討論對象，研究相同尺寸缺陷在不同壁厚下產生的總漏磁場差異。仿真模型如圖4-45所示，其中缺陷寬度和深度分別為4mm和6mm，建立提離值均為2mm的磁場拾取路徑l4、ls和l6，并通過仿真計算獲得相應的軸向分量Bzms4、Bzms5和Bzms6，如圖4-46所示。
從仿真結果可以看出，相同尺寸缺陷在不同壁厚特性處產生的總漏磁場強度差異較大：壁厚減薄處的缺陷總漏磁場軸向分量Bzms4最大，壁厚均勻B2ms5次之，壁厚增大Bzms6信號最弱。究其原因包括：①. 不同壁厚變化會在鋼管表面產生不同的擾動背景磁場，疊加于缺陷漏磁場之后會造成不同程度的基線漂移，如圖4-46所示，壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大處產生的缺陷漏磁場軸向分量處于不同的基線上；②. 壁厚變化使磁化場磁通路徑發生改變，壁厚減薄、壁厚均勻與壁厚增大處形成依次減弱的磁感應強度，進而產生不同強度的缺陷漏磁場。
三、消除壁厚不均影響的方法
為實現在不同壁厚特性處的相同尺寸缺陷的一致性評價，一方面需要消除壁厚變化產生的背景磁場，另一方面需要消除由于壁厚變化引起的磁感應強度差異。為此，提出基于陣列式差動傳感布置和深度飽和磁化方法，用于消除壁厚不均引起的漏磁場差異。
1. 背景磁場消除方法
不銹鋼管自動化漏磁檢測通過軸向和周向復合磁化技術實現，如圖4-47所示。軸向磁化技術用于檢測橫向缺陷，磁場傳感器陣列S；沿鋼管周向布置，從而縱向壁厚變化會引起橫向缺陷的漏磁場差異；與此對應，周向磁化技術用于檢測縱向缺陷，磁場傳感器陣列S，沿鋼管軸向布置，因此橫向壁厚變化主要引起縱向缺陷漏磁場差異。
由于壁厚變化主要為緩慢變化的大面積鋼管損失或增加，從而傳感器單元S；和Si-1所處空間位置的鋼管壁厚特性基本相同，進一步傳感器單元S；和S;-1拾取的背景磁場Bzwall也基本相同。設傳感器S；和拾取的磁場軸向分量分別為B2i和，并且局部橫向缺陷經過傳感器Si，根據式（4-15），Bi和可表示為
式中，Bswall為壁厚變化產生的擾動背景磁場軸向分量；Bzmn為缺陷漏磁場軸向分量；Bo為磁化線圈形成的初始背景磁場軸向分量。將傳感器S；和-測量的磁場軸向分量進行差分處理，即
通過式（4-24）可知，經過差分處理之后的漏磁場檢測信號等于缺陷漏磁場軸向分量Bzcko將圖4-46和圖4-44所示的缺陷總漏磁場軸向分量和背景磁場軸向分量進行差分處理，即：Bzms2和可獲得如圖4-48所示的漏磁場檢測信號。從圖中可以看出，經過差分處理之后，相同尺寸缺陷在壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大處產生的漏磁場檢測信號Bzck4、Bzcks和Bzck6處于同一基線上，從而有效消除了壁厚變化產生的背景磁場。同樣，將傳感器S，和Sj-1拾取的磁場軸向分量進行差分處理可有效消除橫向壁厚變化產生的背景磁場，即
2. 磁感應強度差異消除方法
從圖4-48中可以看出，在消除背景磁場后，處于不同壁厚特性處的相同尺寸缺陷產生的漏磁場檢測信號仍存在較大差異。為此，提出一種深度飽和磁化方法，用于消除壁厚變化引起的磁感應強度差異。根據線磁偶極子模型，建立矩形缺陷漏磁場Bmn的表達式為
Bmn=2/·f(b,d) (4-26) 式中，f(b,d，d）為缺陷的寬度與深度參數方程；M為磁化強度矢量。
由式（4-26）可知，當尺寸大小確定時，缺陷產生的漏磁場強度主要由不銹鋼管磁化強度決定。
在外加磁化場強度逐步增大的過程中，不銹鋼管內部依次將發生磁疇壁移動和磁矩轉動，磁化強度M從零逐漸增大，當所有磁疇的磁矩都轉到與外場方向相同時，磁化強度M達到最大值。因此，如果使得檢測區域內鋼管磁化強度處于最大值，則可使相同尺寸缺陷產生相同強度的漏磁場。采用圖4-45所示的模型仿真計算不同壁厚特性部位磁化強度與勵磁電流密度的關系曲線，如圖4-49所示。從圖中可以看出，在勵磁電流密度較弱時，不同壁厚特性部位磁化強度差異較大，其中壁厚減薄磁化強度M21最大，壁厚均勻M2次之，壁厚增大M3最小。隨著勵磁電流密度的進一步增強，磁化強度差異逐漸減小，并最終到達相同的幅值而保持不變。
進一步比較位于不同壁厚特性處的缺陷漏磁場軸向分量檢測信號幅值與勵磁電流密度的關系曲線，如圖4-50所示。其中，B24、B25和B6分別為壁厚減薄、壁厚均勻和壁厚增大處鋼管表面的缺陷總磁場軸向分量，其包含了磁化線圈產生的初始背景磁場、壁厚變化形成的擾動背景磁場以及缺陷漏磁場。進一步通過差分處理消除背景磁場，從而獲得位于不同壁厚特性處的缺陷漏磁檢測信號B＇4、B's和B'6。從圖4-50中可以看出，在漏磁檢測方法常用的近飽和磁化區，不銹鋼管壁厚不均引起較大的缺陷漏磁檢測信號差異；但在深度飽和磁化區，相同尺寸缺陷可獲得相同的漏磁檢測信號，從而可實現處于不同壁厚特性處的相同尺寸缺陷的一致性檢測與評價。
進一步討論不銹鋼管壁厚變化對缺陷漏磁場的影響，對內外加厚鉆桿孔缺陷進行漏磁檢測試驗。內外加厚鉆桿幾何結構尺寸如圖4-51所示，鉆桿桿體、過渡區和加厚區的壁厚不同。在鉆桿不同壁厚部位處刻制尺寸相同的不通孔，直徑和深度分別為1.6mm和3.0mm。鉆桿漏磁檢測試驗平臺如圖4-52所示，其由穿過式磁化線圈、勵磁電源、傳感器、鉆桿、支撐輪、采集卡和帶有數據分析軟件的計算機組成。
檢測過程中，保持磁場傳感器與鉆桿表面提離值恒定為0.5mm，并使鉆桿以0.5m／s勻速沿軸向移動。如圖4-53所示，傳感器拾取路徑分兩種：路徑①所拾取的磁場為無缺陷背景磁場，主要為壁厚變化和磁化線圈產生的背景磁場；路徑②測量的磁場包含背景磁場以及缺陷漏磁場。試驗中，沿路徑①和②往復掃查過渡區并獲得相應的磁場軸向分量檢測信號，如圖4-54和圖4-55所示。從圖中可以看出，過渡區壁厚變化形成了較大幅值的背景磁場信號。當傳感器掃查過渡區缺陷時，缺陷漏磁信號疊加于背景磁場信號之上，形成基線偏移。
為消除鉆桿過渡區壁厚變化引起的背景磁場，采用差分式傳感檢測方式對缺陷進行掃查，即將路徑①和路徑②處的兩個傳感器檢測信號進行差分輸出，獲得如圖4-56所示差分式缺陷漏磁信號。從圖中可以看出，采用差分式傳感器布置方法可基本消除基線漂移，從而消除了由背景磁場引起的缺陷漏磁場差異。
進一步采用差分式傳感布置法對不通孔H1、H2和H3進行檢測。在常規的磁化條件下，由于磁化場磁通路徑不同，鉆桿桿體、過渡區和加厚區會形成不同的磁感應強度，進一步使得不同位置不通孔產生不同的漏磁場強度。為驗證深度飽和磁化法的有效性，采用差分式傳感布置法，試驗獲得不通孔H1、H2和H3產生的漏磁場軸向分量信號幅值B21B22和B3與磁化電流的關系曲線，如圖4-57所示。
從圖4-57中可以看出，當磁化電流較小時，桿體處不通孔H3漏磁信號強度最大，過渡區不通孔H2信號強度次之，加厚區不通孔H1信號強度最?。浑S著磁化電流的不斷增大，三處不通孔漏磁信號強度不斷增加且差異逐漸減小；當磁化電流增加到45A之后，三處不通孔漏磁檢測信號基本相等并保持不變。在對鉆桿進行深度飽和磁化后，由于缺陷處所有磁疇的磁矩都翻轉到與外磁化場相同的方向上，磁化強度達到最大值，此時缺陷漏磁場強度只與缺陷尺寸有關，從而可消除由于磁感應強度不同引起的缺陷漏磁場差異。
