不銹鋼管穿過磁化線圈時會發(fā)生如下兩種電磁感應(yīng)現(xiàn)象：

 1. 鋼管在橫向漏磁檢測磁化器內(nèi)運動時，不銹鋼管切割磁力線而在其內(nèi)部形成感生渦流。

 2. 不銹鋼管磁介質(zhì)在管頭進入磁化線圈和管尾離開磁化線圈時，由于磁化線圈的磁通總量發(fā)生急劇變化，線圈中會產(chǎn)生感生電流。

一、鋼管內(nèi)產(chǎn)生的感生渦流

  不銹鋼管橫向缺陷漏磁檢測方法采用穿過式線圈產(chǎn)生軸向磁化場，并在磁化線圈內(nèi)布置檢測傳感器。當(dāng)鋼管沿著軸向移動時，處于磁化線圈內(nèi)的不銹鋼管段被磁化至近飽和狀態(tài)，如存在缺陷將在鋼管表面產(chǎn)生泄漏磁場，然后被磁敏感元件拾取并依次轉(zhuǎn)換為模擬信號和數(shù)字信號，最終由計算機信號處理系統(tǒng)實施報警和分類。

  如圖5-1所示，以鋼管軸線為中心建立圓柱坐標(biāo)系。沿著鋼管運動方向，以磁化線圈為中心將鋼管劃分為進入?yún)^(qū)和離開區(qū)，在磁化線圈中施加如圖所示的磁化電流，磁力線分布特征為：在進入?yún)^(qū)磁力線從空氣中進入鋼管，并在磁化線圈中部匯聚，然后在離開區(qū)折射入空氣中。

  如圖5-1所示，將磁感應(yīng)強度矢量B(r,z)分解為軸向分量和徑向分量，即  B(r,z)=B2(r,z)+B,(r,z)

  從圖5-1中可以看出，軸向分量B2(r,z)在進入?yún)^(qū)和離開區(qū)方向一致，沿著鋼管前進方向，其強度在進入?yún)^(qū)逐漸增大，并在磁化線圈中部達到極大值，之后在離開區(qū)逐漸減小。徑向分量B,(r,z)在進入?yún)^(qū)方向指向鋼管內(nèi)部，并在磁化線圈中部發(fā)生轉(zhuǎn)變，在離開區(qū)方向指向鋼管外部。

  為了研究與鋼管同軸圓環(huán)l(ro ,zo)的渦流分布，設(shè)圓環(huán)半徑為ro，軸向位置為200根據(jù)楞次定律，當(dāng)圓環(huán)移動時，軸向分量B,(r,z)的強度變化導(dǎo)致圓環(huán)磁通量也發(fā)生改變，從而在圓環(huán)中產(chǎn)生感生電動勢。因磁化場為軸對稱，建立圓環(huán)感應(yīng)電動勢方程為

  根據(jù)式（5-3），沿鋼管前進方向，在進入?yún)^(qū)，軸向分量強度逐漸增強，感生渦流方向與原磁化電流方向相反；在磁化線圈中間位置，由于軸向分量變化率為零，故此部位無感生流產(chǎn)生；在離開區(qū)，軸向分量強度由中間最大值逐漸減小，于是形成與原磁化電流方向相同的感生渦流，最終鋼管中感生渦流分布如圖5-2a所示。如果改變磁化電流方向，根據(jù)式（5-3），同樣可得出鋼管內(nèi)感生渦流分布，如圖5-2b所示。

  從圖5-2中可以看出，鋼管中感生電流分布方向由磁化電流方向和鋼管運動方向共同決定。在進入?yún)^(qū)，鋼管中的感生渦流J1與磁化電流方向相反；在磁化線圈中間位置無感生渦流產(chǎn)生；在離開區(qū)，感生渦流J2與磁化電流方向相同。從而，在感生渦流產(chǎn)生的磁場作用下，鋼管的磁化狀態(tài)將發(fā)生變化。

  建立如圖5-3所示的仿真模型。鋼管直徑為400mm、壁厚為15mm、長度為3000mm，材質(zhì)為25鋼（電導(dǎo)率為）。磁化線圈內(nèi)徑為440mm、外徑為750mm、厚度為160mm，磁化電流密度iA／㎡，電流方向如圖5-3所示。

  對不銹鋼管中的感生渦流分布進行仿真研究。磁化線圈固定不動，鋼管運行速度設(shè)置為1m／s，不銹鋼管從左端進人并向右端移動，當(dāng)鋼管中心與磁化線圈中心重合時獲取感生渦流分布云圖，如圖5-4所示。從圖中可以看出，進入?yún)^(qū)的感生渦流方向與磁化電流方向相反，離開區(qū)的感生渦流方向與磁化電流方向相同，在線圈中部感生渦流幾乎為零。進入?yún)^(qū)和離開區(qū)的渦流分布相對于線圈呈對稱分布，方向相反，強度基本相同，仿真結(jié)果與圖5-2所示的渦流分布理論分析結(jié)論相同，其中感生渦流最大值為1.4×105A/㎡。

  為了研究感生渦流與不銹鋼管運行速度的關(guān)系，分別取速度0.1m／s、1m/s、2m/s、5m/s、8m／s、10m／s、20m／s、30m／s、40m／s和50m／s進行仿真。當(dāng)鋼管中部與磁化線圈重合時提取渦流密度最大值和最小值，繪制成如圖5-5所示的渦流密度與運行速度關(guān)系曲線。從圖中可以看出，感生渦流與不銹鋼管運行速度成近似正比關(guān)系。鋼管低速運動時感生渦流很小，可忽略不計；當(dāng)運行速度增至50m／s時，渦流密度為2。此時，感生渦流已接近傳導(dǎo)電流密度。因此，高速運動時，感生渦流對鋼管漏磁檢測的影響不可忽視。

二、磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流

  當(dāng)不銹鋼管端部進入和離開磁化線圈時，線圈中的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感生電流。設(shè)磁化電源提供的電壓為Uo，磁化線圈電阻為R，則磁化電源在線圈中產(chǎn)生的初始傳導(dǎo)電流為Io=Uo/RR。磁化線圈通過的磁通總量為Φ，當(dāng)磁化線圈中磁通總量發(fā)生變化時，根據(jù)楞次定律，線圈中將產(chǎn)生感生電動勢，對應(yīng)的感生電流磁化線圈中通過的電流I為初始傳導(dǎo)電流和感生電流之和，即

  當(dāng)線圈中沒有鋼管時，磁化線圈磁通總量為線圈自身產(chǎn)生的靜態(tài)磁通量，其與磁化電流強度成正比，當(dāng)磁化電流不變時，線圈磁通總量也不發(fā)生變化。此時線圈中通過的電流為磁化電源產(chǎn)生的初始磁化傳導(dǎo)電流

  當(dāng)管頭進入磁化線圈時，具有高磁導(dǎo)率的鋼管磁介質(zhì)進入磁化線圈內(nèi)部，使得線圈內(nèi)部的磁通總量增大。根據(jù)式（5-4），磁化線圈中會產(chǎn)生與初始磁化傳導(dǎo)電流方向相反的感生電流，此時線圈中通過的電流為，如圖5-6a所示。

  當(dāng)管體通過磁化線圈時，線圈內(nèi)部磁介質(zhì)總量及分布特性基本不變，從而線圈內(nèi)部的磁通總量也保持恒定。根據(jù)式（5-4），磁化線圈基本無感生電流產(chǎn)生，此時，磁化線圈中通過的電流與無鋼管時相同，為磁化電源產(chǎn)生的初始磁化傳導(dǎo)電流1＝，如圖5-6b所示。

  當(dāng)管尾離開磁化線圈時，由于線圈內(nèi)部的高磁導(dǎo)率磁介質(zhì)不斷減少，導(dǎo)致磁化線圈的磁通總量也不斷減少。根據(jù)式（5-4），磁化線圈中會產(chǎn)生與初始磁化傳導(dǎo)電流方向相同的感生電流，此時線圈中通過的電流為，如圖5-6c所示。

  不銹鋼管內(nèi)的磁場包括：磁化線圈通過電流I產(chǎn)生的磁場和鋼管中感生渦流J形成的磁場。磁化線圈的磁通總量包含了由感生渦流J產(chǎn)生的部分磁通量，因此鋼管中的渦流效應(yīng)會對磁化線圈中的感生電流產(chǎn)生一定影響。

  采用如圖5-3所示模型，進一步研究磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流變化規(guī)律。其中，線圈匝數(shù)為600匝，磁化電流為5A。當(dāng)鋼管管頭、管體和管尾分別與磁化線圈耦合時提取磁化線圈內(nèi)部產(chǎn)生的感生電流，如圖5-7所示。仿真分兩種：一是考慮鋼管渦流效應(yīng)時分析線圈感生電流與運動速度的關(guān)系，二是忽略鋼管渦流效應(yīng)而單獨分析線圈感生電流與鋼管運動速度關(guān)系。分別取速度0.1m／s、1m／s、2m／s、5m／s、8m／s、10m／s、20m／s、30m／s、40m／和50m／s進行仿真，獲得如圖5-8所示的磁化線圈感生電流與運動速度關(guān)系曲線。其中I1csI2cs和I3cs分別為考慮鋼管渦流效應(yīng)時在管頭、管體和管尾處線圈中產(chǎn)生的感生電流，11cI2c和I3c分別為忽略不銹鋼管渦流效應(yīng)時磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流。

  圖5-8所示的仿真結(jié)果與圖5-6所示的理論分析結(jié)論相同：當(dāng)管頭進入磁化線圈時，線圈中產(chǎn)生的感生電流幅值為負(fù)，即與磁化電流方向相反；當(dāng)管體通過磁化線圈時，線圈中基本無感生電流產(chǎn)生；隨著管尾離開磁化線圈，此時線圈中產(chǎn)生與磁化電流方向相同的感生電流。根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生的感生電流會阻礙線圈磁通量的變化：當(dāng)管頭進入磁化線圈時，線圈中會產(chǎn)生反向感生電流來阻礙磁通量的增大；當(dāng)管體與磁化線圈耦合時，由于線圈磁通量基本不變而無感生電流產(chǎn)生；當(dāng)管尾離開磁化線圈時，線圈中會產(chǎn)生同向感生電流來阻礙磁通量的減小。

  另外，從圖5-8中可以看出，在運行速度較低時，磁化線圈中感生電流隨著速度的增加而快速上升；當(dāng)速度達到一定幅值時，磁化線圈中的感生電流基本保持不變。因為感生電流只能減緩磁化線圈磁通量的變化速度，而不能改變磁通量的變化趨勢。

  從圖5-8中還可以看出，鋼管中的渦流會削弱磁化線圈中產(chǎn)生的感生電流，根據(jù)楞次定律，鋼管中的渦流同樣會阻礙鋼管中磁通量的變化。當(dāng)不銹鋼管進入和離開磁化線圈時，鋼管中的磁通量變化規(guī)律同樣先增大后減小。由于磁化線圈磁通總量包含了不銹鋼管磁通量，所以，感生渦流在阻礙鋼管磁通量變化的同時也阻礙了線圈磁通量的變化速率，最終削弱了線圈感生電流的強度。