管道環焊縫缺陷漏磁檢測信號仿真分析

蘇林， 成文峰， 劉保余， 徐杰， 宋威

(1.中石化長輸油氣管道檢測有限公司,江蘇 徐州 221008; 2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116；3.徐州工程學院，江蘇 徐州 221018)

0 前言

近年來，管道運輸業得到了快速發展，為了保障石油、天然氣等管道長距離運輸的安全運行，需要定期對鐵磁性材料(管道)進行無損檢測和安全評估。目前，針對管道內檢測常用的方法有渦流檢測、射線照相檢測、超聲檢測、磁粉檢測和漏磁檢測法等。其中，漏磁檢測法可檢測出油氣管道內外壁的金屬損失缺陷，對體積型缺陷非常敏感，且不需要耦合劑，受外界干擾小，檢測速度快易實現自動化，更適合大面積、長距離管道的快速檢測，是目前國內外應用最為普遍的管道內檢測技術[1-5]。

據數據顯示，錯邊、咬邊和凹坑等是出現較多的缺陷類型。文中基于管道漏磁檢測原理，采用ANSYS電磁場模擬軟件，對這三種缺陷管道進行了有限元建模與計算分析，得到了三種缺陷類型不同尺寸下的磁通密度徑向和軸向分量的分布規律，為缺陷管道漏磁信號特征識別提供理論基礎和實踐依據與參考。

1 漏磁檢測原理

管道漏磁檢測器與清管器結構示意圖如圖1所示。一般通過檢測器勵磁裝置和管道本體構成磁場回路[6]。漏磁檢測技術是建立在鐵磁性材料的高磁導率特性基礎上，當磁化器磁化管道時，若材料是均勻連續的，則材料中的磁感應線將被約束在材料中，即鐵磁性的管體對磁場有聚攏作用，磁通平行于材料表面，且幾乎沒有磁力線從表面穿出，被檢測工件表面幾乎沒有漏磁場。

圖1 管道漏磁檢測器與清管器結構示意圖

當材料中存在切割磁力線的缺陷時，材料表面的缺陷或組織狀態變化使磁導率發生變化。由于缺陷磁導率非常小，磁阻很大，使磁路中的磁通發生畸變，磁感應線流會發生變化。如圖2所示，除了部分磁通直接通過缺陷或通過材料內部繞過缺陷，還有部分磁通會泄露到材料表面上方，通過空氣繞過缺陷再進入材料，從而在材料表面缺陷處形成漏磁場。利用磁敏元件可檢測該漏磁信號，從而判斷缺陷的存在和特征。利用麥克斯韋方程有限元法和計算機輔助可以求解漏磁場分布[7-15]。

圖2 漏磁檢測原理示意圖

2 缺陷管道有限元模型

2.1 幾何模型

運用ANSYS有限元軟件的電磁模塊對勵磁管道的檢測結構進行仿真模擬，圖3給出了錯邊、咬邊和凹坑缺陷管道的幾何模型。根據實測管道，管體材料為壁厚9 mm，管徑529 mm的L415管線鋼，環焊縫的焊道寬度為13.6 mm，余高1.5 mm。為了便于比較分析，均采用軸向勵磁方法對管道缺陷漏磁場進行仿真模擬研究，提離值大小為1 mm，即漏磁信號取距離缺陷正上方1 mm處。模型中設管子徑向為坐標x方向，軸向為坐標y方向，即Bx為磁通密度徑向分量，By為磁通密度軸向分量。

圖3 幾種缺陷管道的幾何模型

2.2 材料屬性

由漏磁檢測原理可知，模型中的關鍵部件有管道、內介質、外空氣罩、勵磁源、磁靴、銜鐵等，模型中需分別對這些部件的材料屬性進行定義。

采用永磁體作為勵磁源，磁體材料為體積小磁性強的釹鐵硼磁鐵。管道為油氣管道鋼L415，銜鐵、磁靴和管道材料均為非線性材料，通過相關資料得其相應的B-H曲線并進行材料屬性設置。

在實際檢測過程中，管道內物質為流體，以推動檢測儀前進，可以是氣體也可以是液體。管道外側空氣罩介質為空氣，其相對磁導率為1.0。

2.3 網格劃分

在有限元計算中，網格劃分的合適與否與計算結果的精度和計算效率息息相關。網格劃分得越細，計算精度越高，但所花費的計算時間也越長；反之，計算精度變低，所花費的時間越短。實際計算時需要對有限元網格進行多次試算，直至其對計算結果的精度影響較小時方能確定最優方案。圖4給出了優化后的模型有限元網格劃分結果。

圖4 網格劃分

3 結果分析與討論

3.1 錯邊

鋼質管道安裝時常會發生對口錯邊的現象，隨著錯邊量的增大，出現在根部的錯邊未焊透也愈加嚴重。管道焊縫中存在錯邊未焊透不僅影響焊縫的美觀和外觀形狀，還會降低焊接接頭的力學性能，而且在管道運行時容易產生應力集中，影響構件的承載能力，甚至使管道早期失效，縮短管道的使用壽命。在鋼質管道安裝焊接施工方面，頒發了從國家到各個行業的標準規范，管道安裝對口錯邊量在各標準規范中都做了明確的規定。

為了研究不同錯邊量對漏磁信號的影響，參考國家標準、石油和石化等行業的標準規范的規定，文中擬定了四種錯邊量大小，即取其值為沿管壁厚深度分別為5%t、10%t、15%t和20%t(t為管子壁厚)計算不同錯邊量下的漏磁場分布特征。同時，根據標準中規定，即錯邊沿管口一周均勻分布的要求，對錯邊模型進行必要地簡化，即假定錯邊沿管道環向一周，方向垂直于管子軸向方向。

圖5給出了不同錯邊量下磁場分布的徑向分量Bx分布曲線(此處取提離值1 mm時，距錯邊缺陷中心兩側不同距離的Bx值繪制而成。另外，文中所有磁通密度分布曲線的取值方法相同，即取提離值1 mm處距缺陷中心兩側不同距離的B值)和試驗測試結果(因錯邊量在實際管道環焊縫的焊接過程中很難定量控制，測試結果僅作為錯邊缺陷漏磁信號分布曲線特征的參考，圖5b中實際錯邊量為3 mm)。圖6給出了模擬計算的軸向分量By的分布曲線。

圖5 不同錯邊量的磁通密度徑向分量Bx分布曲線與實際管道錯邊缺陷的漏磁信號

由圖5的結果可見，錯邊漏磁信號特征分布曲線的仿真模擬結果與試驗結果是一致的，進一步驗證了有限元模擬的可行性和準確性。在此基礎上，采用有限元仿真對不同錯邊量的影響做進一步分析。由圖5、圖6的模擬計算結果可見，錯邊的磁通密度徑向分量和軸向分量在不同錯邊程度下的分布曲線形狀基本相同。另外，Bx和By的峰值均隨著錯邊量的增加顯著增大，即錯邊的漏磁信號強度隨著錯邊量的增加顯著增強。由漏磁原理不難理解，這是由于磁通在經過錯邊缺陷時因受阻會盡量繞開缺陷，而對于較大的缺陷因其無法在管道材料內繞開，因此在缺陷附近會有大量磁通穿出，故而形成較強的漏磁信號。

圖6 不同錯邊量的磁通密度軸向分量By

為了進一步分析不同錯邊量下的漏磁信號特征，圖7對不同錯邊量下Bx和By的的峰值進行了比較?？梢?，Bx和By的峰值隨著錯邊量增加線性增大，說明錯邊量與漏磁場徑向和軸向分量的峰值呈現很好的線性關系，該峰值能較好地表征錯邊量的大小，可作為評價錯邊程度的特征參量。

圖7 不同錯變量下磁通密度徑向和軸向分量峰值

3.2 咬邊

對于咬邊缺陷，由于其幾何形式更為復雜，且其在實際焊接過程中的形成往往是不可控的，為了便于比較分析，文中取咬邊缺陷位于管子表面，呈兩個三棱柱凹凸不平狀，如圖3b所示。此處主要探討其沿管子壁厚深度不同時對漏磁信號的影響(取其值分別為5%t，10%t，15%t，20%t)。圖8給出了不同深度的咬邊缺陷的磁通密度徑向分量Bx和軸向分量By的分布曲線。

由于咬邊缺陷的幾何模型為兩個三棱柱凹凸不平位于管子表面，漏磁信號曲線相對復雜。由圖8的結果可見，漏磁信號徑向分量Bx呈典型的一正一負兩個峰，軸向分量呈現一個主峰和一個小峰。隨著咬邊深度增加，漏磁信號增強，磁通密度徑向和軸向分量的峰值均明顯增大。

圖8 不同深度的咬邊缺陷的磁通密度分布曲線

圖9 咬邊缺陷漏磁信號分布特征

為了進一步了解咬邊缺陷漏磁信號分布特征，圖9給出了咬邊缺陷磁感應強度分布云圖和磁力線分布圖?？梢钥闯?，沿缺陷中心兩側形狀突變處的磁感應強度分布和磁力線分布特征與磁通密度分布曲線特征是相對應的。如圖8a中的漏磁分布曲線在-2.5 mm處有一峰值，在圖9a的云圖可見該位置正好處于咬邊突出部位的最高點。在圖8b中顯示的位于+2.5 mm處的峰值，由圖9b所示可見該位置的磁力線最為密集，因此，漏磁信號最強。

3.3 凹坑

對于凹坑缺陷，為簡化模型，缺陷形狀采用圓柱體近似，圓柱體長度沿管子壁厚方向(簡稱為凹坑深度)，直徑沿管子軸向方向。為了比較分析凹坑深度和直徑對漏磁場分布的影響，這里建立了四種深度(即沿管壁厚分別為10%t,30%t,50%t和70%t)的凹坑，每種深度又分別取四種不同直徑(即0.5 mm,1 mm,3 mm,5 mm)進行比較分析。圖10給出了相同深度不同直徑時的磁通密度徑向分量Bx分布曲線，圖11給出了相同直徑不同深度下磁通密度徑向分量Bx分布曲線，圖12給出了相應的同深度不同直徑時的By分布曲線，圖13給出了同直徑不同深度下By分布曲線。

由圖10和圖11的結果可知，凹坑缺陷漏磁信號徑向分量亦呈現典型的一正一負兩個峰，且對稱分布于缺陷中心兩側。由圖10可知，在相同深度不同直徑時，Bx曲線的峰值變化較小，但隨著凹坑直徑增加，一正一負兩峰的峰值間距增大。如圖11可知，相同直徑不同深度時，Bx峰值隨深度增加顯著增大，且隨深度增加，峰值間距略有增大。

對于磁通密度軸向分量By分布曲線，如圖12所示，在同樣深度不同直徑時，漏磁信號波形寬度隨直徑增大逐漸變寬，在直徑超過2 mm時，隨直徑繼續增大，磁通密度幅值降低，漏磁信號強度變平緩。由圖13所示相同直徑不同深度的磁通密度軸向分量結果可見，凹坑深度對波形寬度影響不明顯，但隨深度增加，磁場強度明顯增大。

圖14給出了磁通密度分量峰值和峰寬的比較。其中，圖14a給出了直徑為2 mm，不同凹坑深度時的徑向和軸向分量的峰值比較；圖14b取深度為50%t時，磁通密度徑向和軸向分量的峰寬的結果對比(Bx的峰寬取一正一負兩峰值的距離，By的峰寬取磁通密度為40 mT時波形的寬度)。

由圖14結果可知，在凹坑直徑一定時，Bx和By的峰值隨凹坑埋入深度的增加近似線性增大，如圖14a所示；當埋入深度一定時，波寬隨凹坑直徑增加亦呈近線性增大的趨勢，如圖14b所示，即凹坑埋入深度與漏磁場徑向和軸向分量的峰值呈近似線性關系，凹坑直徑與峰寬呈近線性關系?？梢?，漏磁信號的峰值和峰寬可以較好地描述凹坑埋入深度和直徑的大小，可作為評價凹坑特征尺寸的參量。其它凹坑直徑和埋入深度下也得到了類似的結果，為了避免重復，這里不再一一給出。

圖10 相同深度不同直徑凹坑磁通密度徑向分量Bx

圖11 相同直徑不同深度磁通密度徑向分量Bx

圖12 相同深度不同直徑磁通密度軸向分量By

圖13 相同直徑不同深度磁通密度軸向分量By

圖14 磁通密度分量峰值和峰寬的比較

綜上分析可見，漏磁信號特征與缺陷尺寸之間存在對應關系，可通過漏磁信號對缺陷外形進行初步判斷，進而為管道缺陷尺寸定量化研究奠定基礎。

4 結論

(1)對于錯邊缺陷，隨著錯邊量增加，磁通密度徑向、軸向分量的峰值均線性增大。

(2)對于咬邊缺陷，隨著咬邊深度增加，漏磁信號增強，磁通密度徑向和軸向分量的峰值均明顯增大。

(3)對于凹坑缺陷，磁通密度徑向和軸向分量的峰值隨凹坑深度增加近線性增大，波形寬度隨凹坑直徑增加亦近線性增大。