管道腐蝕脈沖渦流檢測的三維仿真與試驗

黨 娜,王維斌,張 濤,,趙 弘,朱子東

(1.中國石油管道公司 沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110000;2.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

管道腐蝕脈沖渦流檢測的三維仿真與試驗

黨 娜1,王維斌1,張 濤1,2,趙 弘2,朱子東1

(1.中國石油管道公司 沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110000;2.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

脈沖渦流檢測技術具有非接觸、對大面積腐蝕檢測靈敏度高等特點，適合通過非開挖外檢測方式對埋地管道腐蝕狀況作出評價。利用ANSYS MAXWELL有限元分析軟件建立脈沖渦流檢測仿真模型，分析不同壁厚管道的信號變化規律，結合仿真結果制作了試驗裝置，并通過該裝置對管徑為108 mm，壁厚分別為6，10 mm的管道進行檢測。結果表明：不同壁厚的脈沖渦流信號衰減曲線與仿真曲線基本重合。仿真結果為實際非開挖管道腐蝕檢測器的設計、遠場渦流探頭的優化和腐蝕量化評估提供了有效參考。

脈沖渦流法；仿真；衰減；量化

脈沖渦流法又稱時域電磁法[1]。其原理是：通過給發射線圈施加階躍型電流信號,在空間產生穩定的一次磁場，然后瞬間關斷電流信號，在地下管道的表面上形成渦流;由于管體本身和周圍介質的歐姆損耗[2]，渦流會隨著時間慢慢衰減形成二次磁場，二次磁場信息被地面上的接收線圈接收且以電壓變化的形式表示出來[3]。而二次磁場的變化攜帶著地下管道的狀態信息，且與管道材料、壁厚、檢測提離高度有著密切關系[4]，故分析二次磁場信息能得出管道的腐蝕狀態。

筆者通過ANSYS MAXWELL電磁仿真軟件進行三維建模，計算不同壁厚的金屬管道的渦流響應，從理論上驗證了脈沖渦流檢測技術在埋地金屬管道腐蝕上的可行性，并且通過制作試驗裝置對該仿真模型進行了驗證，結果表明試驗結果與仿真結果基本一致。

1 有限元建模與仿真

1.1 有限元仿真建模

根據脈沖渦流法檢測原理建立仿真模型(見圖1)，模型包括傳感器(發射線圈和接收線圈)、被測管道及周圍空氣介質。整個模型采用MAXWELL DESIGN 3D磁場單元進行參數化建模，方便修改模型參數，求解器設置為Transient瞬態求解[5-6]。有限元仿真軟件只適用于封閉區域的磁場計算，需要設定計算區域為正方體1 m×1 m×1 m，計算區域充滿空氣介質(x∈[-0.5,0.5]，y∈[-0.5,0.5]，z∈[-0.5,0.5])，采取自由劃分網格，網格精度設置為Δx=Δy=Δz=0.1 m。傳感器位于整個計算

區域的正中心(0,0,0)，網格精度為Δx=Δy=Δz=0.05 m;被檢管道中心平行位于傳感器的正下方30 mm處(0,0,-30),網格精度為Δx=Δy=Δz=0.01 m。建立模型所需的具體參數見表1。

圖1 有限元仿真模型示意

發射線圈接收線圈Q235鋼管道外徑/mm200內徑/mm100外徑/mm108內徑/mm210外徑/mm110內徑/mm96高度/mm20高度/mm20長度/mm1000匝數130匝數400磁導率/(H·m-1)250磁導率/(H·m-1)1磁導率/(H·m-1)1電導率/(S·m-1)7.14×106電導率/(S·m-1)5.8×107電導率/(S·m-1)5.8×107壁厚/mm4/6/8/10

1.2 發射電路設計

脈沖渦流法采用的是階躍型電流信號，這也是脈沖渦流有限元仿真的設置關鍵，采用MAXWELL中的circuit editor電路單元進行電磁-電路耦合聯合仿真，用繞組耦合對發射線圈施加激勵電流并獲取其上的電壓信號[7-8]。圖2,3為仿真模型中發射線圈上施加的電路及階躍信號。圖3中

圖2 發射線圈電路示意

圖3 發射線圈中施加的電流波形

T=1 s為周期，t1=1/2T，幅值U=12 V，占空比為50%，信號上升時間和下降時間都為t0=0.2 μs。

圖4 不同壁厚管道的脈沖渦流檢測仿真數據曲線(笛卡爾坐標系)

1.3 仿真結果分析

利用ANSYS MAXWELL時間處理器進行求解設置，在0～0.5 s內每隔0.1 ms進行數據采集，通過改變模型中管道參數，分別采集壁厚為4,6,8,10 mm時的數據。通過ORIGIN數據處理軟件對采集的數據進行整理作圖(見圖4)。由于二次磁場非常弱，在接收線圈上產生的感應電壓隨之更弱，故在笛卡爾坐標系中無法分辨出不同壁厚間的信號差異。從脈沖渦流原理可知產生的二次磁場信號是以指數函數的形式衰減的[9]，所以對笛卡爾坐標系進行坐標變換，變換成雙對數坐標系(沒有改變信號值，只是改變了曲線的顯示方式)，如圖5所示。通過坐標變換后可以清楚地看出，各個曲線在前期數據基本重合，后期出現了明顯的分叉。采用ORIGIN數據處理工具(get data point)可以獲取曲線上任一點的數據信息。從圖5上可知不同壁厚的管道在23 ms以后開始出現分叉。由于每次仿真的試驗環境都不變，唯一變化的只是管道的壁厚，因此通過這一特征可以辨別出埋地管道的腐蝕狀況。

圖5 不同壁厚管道的脈沖渦流檢測仿真數據曲線(雙對數坐標系)

2 試驗驗證

2.1 試驗設備及試件

試驗所用的裝置如圖6所示，其主要由四部分組成：激勵部分，傳感器部分，接收部分和管道試件。

圖6 脈沖渦流檢測系統結構框圖

為對上述有限元仿真模型的正確性進行試驗驗證，采用脈沖渦流儀在管件上進行檢測試驗。激勵部分為脈沖渦流檢測儀，可以產生激發頻率為1/16～32 Hz的階躍脈沖信號，輸出的有效電壓幅值可達±20 V，詳細參數為：發射電壓，5～20 V;激發頻率,1/16～32 Hz;最小采樣頻率,1 μs;接收機分辨率,1 μV；通道數,5～20。傳感器部分采用圓形線圈:激勵線圈直徑為200 mm，采用線徑為1 mm的漆包線在聚四氟乙烯線框上繞制而成，匝數130匝；接收線圈直徑為100 mm，線徑為0.25 mm，匝數400匝。試件部分選用材質為Q235鋼的管道，尺寸(外徑×壁厚)分別為：φ108 mm×6 mm,φ108 mm×10 mm，位置處于傳感器正下方30 mm，試驗現場布置見圖7，試驗條件和有限元仿真環境基本相似。

圖7 試驗現場布置

2.2 試驗結果

采集設置激發頻率為1 Hz，采樣頻率為32 μs，共31個時窗，壁厚6 mm管道的各時窗的信號見表2。由于試驗數據較多，表2只列出壁厚6 mm管道的實測數據。通過對數據的整理及分析，得到如圖8所示的曲線。從笛卡爾坐標系中可明顯看出模擬和試驗曲線的變化趨勢是一致的。

表2 φ108 mm×6 mm管道脈沖渦流檢測試驗數據

圖8 φ108 mm×6 mm,φ108 mm×10 mm管道渦流檢測兩種坐標系下的試驗數據曲線

圖9 φ108 mm×6 mm，φ108 mm×10 mm管道渦流檢測仿真曲線和試驗曲線對比

2.3 模擬與試驗結果對比

為了驗證有限元模型仿真的正確性，對壁厚為6，10 mm的管道仿真曲線和試驗曲線進行對比分析，結果如圖9所示。從圖中可以看出，曲線在前期數據差異較大，后期數據重合性良好。導致這一差異的原因有以下兩個方面，一是實際管體的真實物理參數(制造工藝)和仿真設置的管道物理參數有偏差；二是仿真過程中可實現激勵信號的瞬間關斷，而試驗設備由于電路中線圈的自感效應和人為控制延遲不能實現瞬間關斷。由脈沖渦流法檢測原理可知，由于一次磁場的影響，前期數據是無效的，后期數據才是正確反映管體的主要信息，因此有限元仿真的模型是正確的。

3 結論

(1) 對比壁厚為6,10 mm管道的脈沖渦流檢測模擬和試驗數據曲線，結果表明，曲線基本重合，說明了有限元仿真模型的正確性。

(2) 仿真結果表明管道埋深不變時，不同腐蝕程度的管道信號值在笛卡爾坐標系中看不出差異，經過坐標變換后，在23 ms后出現了明顯的分叉且腐蝕程度越嚴重的信號值衰減得越快。

(3) 由于實際管體的真實物理參數(制造工藝)和仿真設置的管道物理參數有偏差以及試驗瞬間關斷等影響因素，試驗檢測值與仿真分析結果在數值上存在一定的誤差。但作為一種分析手段，利用仿真模型分析脈沖渦流檢測信號影響的基本規律，仍然可為優化檢測器的結構設計、確定遠場渦流檢測能力、提高油氣管道缺陷評估提供有效的參考。

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3D Simulation and Experiment of Pulsed Eddy Current Testing for Pipeline Corrosion

DANG Na1, WANG Wei-bin1, ZHANG Tao1,2, ZHAO Hong2, ZHU Zi-dong1

(1.Shenyang Longchang Pipeline Survey Center, Petro China Pipeline Company, Shenyang 110000, China;2.College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

Pulsed eddy current testing technology is of non-contact and high sensitivity to large-area corrosion, and is applicable for the buried pipeline corrosion condition evaluation without the need of the excavation of the pipeline. The finite element analysis software ANSYS MAXWELL was used to establish the simulation model for pulsed eddy current testing technology, and the signal variations of different pipe wall thickness were analyzed. An experimental device was designed based on the simulation results and corresponding testing was carried on the pipeline of diameter of 108 mm and wall thickness of 6 mm and 10 mm, respectively. Experimental results show that the decay curves of pulsed eddy current signals of different thickness basically coincide with the simulation curve, which might provide a valid reference for the corrosion detector design for trenchless pipeline, for the optimization of eddy current probes, and for the quantitative assessment of pipeline corrosion.

Pulsed eddy current testing; Simulation; Attenuation; Quantization

2016-08-02

黨 娜(1981-)，女，碩士，工程師，主要從事電磁、超聲檢測技術研究與管理工作。

張 濤，E-mail: pawn_zhangtao@sina.com。

10.11973/wsjc201702014

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0057-04