油氣管道特殊缺陷的漏磁信號識別方法*

王國濤， 郭天昊

(1. 中石化管道儲運有限公司， 江蘇 徐州 221008； 2. 沈陽工業大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

隨著經濟和科技的快速發展，管道作為運輸物料的一種經濟高效的媒介，被廣泛用于輸送水、石油和天然氣等人民生產生活所需物資.管道的安全運行保障了油氣等能源的有效運輸及充分利用，同時也是生活基礎的保障.隨著管道運輸行業的快速發展，國家越來越重視管道安全[1].

目前，國內外學者對凹形缺陷的信號檢測研究居多，對于不同類型缺陷漏磁信號的產生機理研究較少.上海交通大學的闕沛文、黃作英等人[2-3]對缺陷漏磁場進行了建模分析，提出了三維缺陷漏磁場信號的計算方法，利用磁荷法建立了漏磁信號模型；韓國Pusan National University的Hui等人[4]利用三維有限元法對軸向定向裂紋的檢測進行了研究；清華大學的黃松嶺、劉新萌等人[5-6]對管道缺陷重構方法和儲罐底板的水平凹槽缺陷的量化方法進行研究；沈陽工業大學的楊理踐團隊從不同角度裂紋對漏磁信號的影響及油氣管道特殊部件的漏磁檢測信號特征進行了分析研究[7-8].

本文基于管道漏磁內檢測原理，對管道上普遍存在的凸形缺陷和凹形缺陷的漏磁信號產生機理和分布特點進行研究，同時對其進行了仿真和實驗分析，實驗結果和理論具有很好的一致性，為管道不同缺陷類型的識別判定提供了依據.

1 漏磁內檢測原理

漏磁檢測技術建立在鐵磁性材料的高磁導率特性之上，利用永磁鐵通過鋼刷對管壁進行充分磁化，使其達到飽和或近飽和狀態，當管道中不存在缺陷時，磁力線平行于管道內部；當管道存在缺陷時，磁力線被其表面或近表面的缺陷阻隔，使部分磁力線漏出管道表面，產生漏磁通.在漏磁檢測過程中，霍爾傳感單元檢測到的漏磁信號主要由磁化裝置產生的背景磁場、缺陷產生的漏磁場及渦流磁場等部分組成，通過分析信號的基值和變化值，從而判斷缺陷的存在和特征.管道漏磁內檢測原理圖如圖1所示.

圖1 管道漏磁內檢測原理圖Fig.1 Principle diagram for internal detection of magnetic flux leakage of pipeline

2 模型建立

2.1 凹形缺陷漏磁場理論模型

當鐵磁性試件被磁化時，試件的磁感應線被試件表面處凹形缺陷阻隔，當遇到兩種不同磁導率介質的分界面時，磁感應線會發生折射，部分磁感應線泄漏出試件表面，形成漏磁場.凹形缺陷漏磁場分布示意圖如圖2所示.

圖2 凹形缺陷漏磁場分布示意圖Fig.2 Schematic diagram for magnetic flux leakage field distribution of concave defect

圖2中，H為外加磁場強度，B1和B2分別為試件內和缺陷處磁感應強度，θ1和θ2分別為在試件內部和缺陷處的磁感應線與分界面法線的夾角，n為分界面上法線方向.當外加水平方向磁場H時，磁感應線在試件缺陷邊緣處發生折射，根據磁通連續性原理，在磁導率不同的介質分界面上，不同介質中磁感應強度和磁場強度滿足

B2n=B1n

(1)

H2t=H1t

(2)

式中：B1n和B2n分別為試件和缺陷處磁感應強度的法向分量，B1n=B1cosθ1，B2n=B2cosθ2；H1t和H2t分別為試件處和空氣中磁場強度的切向分量，H1t=H1sinθ1，H2t=H2sinθ2.將式(1)、(2)進行相除，得到

(3)

式中，H1和H2分別為試件和缺陷處磁場強度.設試件中磁導率為μ1，空氣中磁導率為μ2，真空中磁導率為μ0，則磁感應強度可以表示為

B1=μ0μ1H1

(4)

B2=μ0μ2H2

(5)

將式(4)、(5)代入式(3)可得

(6)

由于鐵磁性材料的磁導率μ1?1，空氣中磁導率μ2=1，通過式(6)可得到θ1≈90°，θ2≈0°，此時鐵磁性試件內的磁感應線與分界面平行.凹形缺陷處產生的漏磁場主要依賴于磁感應線的折射作用，且折射角度與試件磁導率和缺陷處磁導率有關.

2.2 凸形缺陷漏磁場理論模型

凸形缺陷產生的漏磁信號與凹形缺陷產生的漏磁信號機理不同，凸形缺陷產生的磁場示意圖如圖3所示.

圖3 凸形缺陷漏磁場分布示意圖Fig.3 Schematic diagram for magnetic flux leakage field distribution of convex defect

當鐵磁性試件被磁化，外加磁場到達試件凸形缺陷時，磁感應線不會發生折射，而是對試件的凸起部分進行充磁，此時凸起部分相當于被充磁后的永久磁鐵，在空氣中產生附加磁場，影響缺陷漏磁場分布.由于永磁鐵磁感應線的閉合特性，使得凸形缺陷自身產生的附加磁場與原磁場方向相反，且該附加磁場的大小取決于磁勢密度，磁勢密度可以表示為

(7)

式中：M為凸形缺陷產生的附加磁場強度；S為環繞凸起部分的曲面；R為源點和場點之間的距離；為散度算子；τ為凸起部分的整個積分區域.

由式(7)可知，凸形缺陷的漏磁場主要與產生的附加磁場強度有關，由于附加磁場方向與原磁場方向相反，影響缺陷的磁化狀態，導致凸形缺陷處產生負向漏磁通.

根據上述分析可知，凹形缺陷產生的漏磁場信號特征為正向上升信號，凸形缺陷產生的漏磁場信號特征為反向下降信號.當進行管道漏磁內檢測時，可以根據信號特征和缺陷類型之間的映射關系識別缺陷的類型，從而實現特殊缺陷甚至管道特殊部件缺陷的檢測和識別.

3 仿真分析

3.1 模型建立

仿真模型主要由永磁鐵、鋼刷、軛鐵及描述漏磁檢測實際環境的空氣場組成.采用永磁鐵為整個模型提供磁化場，相對磁導率為1.05，設置兩處永磁鐵磁極方向相反，矯頑力分別為±896 000 A/m，設置軛鐵模型的磁導率為186 000 H/m，鋼刷模型的磁導率為186 000 H/m，被測管道材料為X52，通過BH曲線設置管道的屬性.仿真模型的具體幾何參數如表1所示.

表1 仿真模型幾何參數Tab.1 Geometric parameters of simulation model mm

3.2 結果分析

3.2.1 凹形缺陷和凸形缺陷磁場分析

為了分析凹形缺陷和凸形缺陷的漏磁場分布特點及規律，本文以補板代表凸形缺陷，對不同類型缺陷進行仿真分析.設置管道缺陷深度為8 mm，寬度為50 mm，長度為20 mm；補板厚度為10 mm，寬度為140 mm，管道缺陷和補板的三維磁通密度云圖如圖4所示.

圖4 缺陷與補板磁通密度云圖Fig.4 Nephogram of magnetic flux density for patch plate and defect

如圖4a所示，管道凹形缺陷即壁厚減薄處磁通密度變大，最大處約為1.6 T，顏色較深，主要由于凹形缺陷折射出表面的漏磁場信號方向與原磁場方向相同，產生正向磁通泄漏，導致信號增加；如圖4b所示，補板(凸形缺陷)處磁通密度比管體上磁通密度低，約為0.8 T，主要由于補板處管壁增厚，凸形缺陷本身產生反向磁場，與原磁場方向相反，產生負向磁通泄漏，使得信號變小，且補板中心位置磁通密度比兩邊大.

3.2.2 補板缺陷磁場分析

為進一步驗證理論分析的正確性，分析了不同類型缺陷的漏磁信號特點，在管道補板(凸形缺陷)上設置凹形缺陷，設置補板上缺陷寬度40 mm，厚度為補板的50%，位于磁化器中心位置，管道上補板缺陷三維磁通密度云圖如圖5所示.

圖5 管道上補板缺陷磁通密度云圖Fig.5 Nephogram of magnetic flux density for defect on patch plate

進一步討論不同缺陷處漏磁場信號分布特點，提取不同軸向距離和徑向距離處的缺陷漏磁信號的軸向分量，繪制整體圖像，其中軸向距離為管道軸向長度坐標，徑向距離為管道周向寬度，幅值為漏磁軸向分量的幅值大小.圖6為補板(凸形缺陷)和補板上存在凹形缺陷時漏磁信號分布圖.

如圖6a所示，補板(凸形缺陷)上產生的漏磁信號先降后升；如圖6b所示，當補板上存在凹形缺陷時，整個補板漏磁軸向信號中間存在另一個極性相反的缺陷漏磁信號軸向分量，產生的漏磁信號為先降、后升再下降的變化趨勢，與理論分析結果一致.

圖6 補板與補板缺陷漏磁信號分布Fig.6 Distribution of magnetic flux leakage signal on patch plate and patch plate defect

4 實驗與結果分析

4.1 實驗方法

實驗中采用永磁勵磁的管道漏磁內檢測器對管道進行漏磁檢測，管道材質為X52鋼，管道壁厚15 mm，管道漏磁內檢測器上磁化裝置和檢測傳感器沿管道環向排列，在管道上分別制作不同類型缺陷，如補板以及補板缺陷等，利用霍爾傳感器檢測缺陷處漏磁信號.實驗示意圖如圖7所示.

圖7 實驗示意圖Fig.7 Schematic diagram of experiment

4.2 結果分析

采用圖7所示的實驗裝置檢測不同類型缺陷漏磁信號的軸向分量值.為了更清晰直觀地分析漏磁信號規律，提取傳感器多路檢測通道下的漏磁信號.徑向坐標為檢測通道數，橫坐標為跨度，即管道的長度.圖8為補板(凸形缺陷)和補板上存在凹形缺陷時的實驗結果圖.

圖8 補板與補板缺陷漏磁實驗結果Fig.8 Experimental results of magnetic flux leakage on patch plate and patch plate defect

如圖8所示，補板(凸形缺陷)以及補板缺陷漏磁信號軸向分量的變化趨勢與仿真分析結果一致.由于軸向長度選取的范圍較大，從實驗結果中可以很直觀地看出在沒有缺陷的位置處信號均勻平穩，在補板(凸形缺陷)和補板上凹形缺陷處有明顯的漏磁信號的變化.實驗結果與理論、仿真分析具有很好的一致性，通過該信號特點可以進一步確認管道上缺陷類型.

5 結 論

本文分析了凹形缺陷和凸形缺陷的漏磁場產生機理，凹形缺陷處磁感應線發生折射，使得漏磁場信號方向與原磁場方向相同，產生正向磁通泄漏，凹形缺陷漏磁信號呈先增大后減小，輪廓呈凸形分布趨勢；凸形缺陷在磁化過程中產生反向磁場，與原磁場方向相反，產生負向漏磁通，凸形缺陷漏磁信號先減小后增大，輪廓呈凹形分布.對不同類型缺陷進行了仿真和實驗分析，實驗結果與理論分析具有很好的一致性，通過信號分布特點可準確識別不同類型信號的缺陷類型，為管道特殊缺陷的準確檢測與判別提供依據.