管道補板漏磁檢測信號的研究

于永亮，業 成，楊志軍，方學鋒，劉玉琢

(1.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，南京 210019；2.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318)

長輸管道是石油化工行業中油氣介質輸送的關鍵設備之一。投入使用后，長輸管道在內部介質和外部環境的長期共同作用下，容易產生內外部腐蝕，甚至會發生泄漏或爆炸，影響企業安全生產，故需要對管道定期開展檢驗檢測。漏磁檢測技術是目前應用最廣泛的管道內檢測技術之一。管道被磁化后，缺陷處磁導率的變化會導致漏磁場的形成，利用霍爾元件、線圈制成的磁敏元件采集漏磁信號并進行分析即可實現缺陷尺寸的定量評估[1-5]。由漏磁檢測原理可知，在管道漏磁檢測過程中，不僅管道中存在的缺陷會造成管壁磁場變化，修復缺陷的管道補板位置的壁厚增大也會影響磁場分布，產生類似于缺陷漏磁場的漏磁信號。若這類信號處理不當，與缺陷漏磁信號相混淆，將會影響檢測結果的準確度及置信度[6]。

文章在管道漏磁內檢測原理的基礎上，結合動態磁場有限元分析理論，建立管道內檢測仿真模型，研究了不同管道缺陷、補板情況下漏磁場的分布規律，搭建了管道內檢測試驗平臺，通過試驗對管道缺陷和補板漏磁場的分布特征進行驗證。試驗結果對今后管道漏磁檢測信號自動識別技術的發展具有重要的參考作用[7-8]。

1 管道漏磁檢測有限元分析模型

1.1 漏磁檢測有限元分析理論

漏磁檢測涉及的磁場有限元分析理論可轉化為麥克斯韋方程組的求解問題。在給定的邊界條件下，若漏磁檢測系統處于靜態磁場中，有限元分析求解的麥克斯韋方程組可寫為

(1)

?·B=0

(2)

?×H=J

(3)

式中：E為電場強度矢量；B為磁感應強度矢量；H為磁場強度矢量；J為永磁鐵產生的電流密度矢量；t為時間。

在實際管道漏磁檢測過程中，漏磁檢測系統以一定的速度在管道內沿管道軸向運動。由電磁感應原理可知，變化的勵磁場會使管道產生環形電流，而環形電流形成的反向磁場會減弱被測管段的磁化強度[9-10]，從而導致實際管道局部磁化的磁場強度略低于靜態分析理論中的磁場強度。因此，在計算過程中應考慮檢測系統運動的因素，調整靜態麥克斯韋方程組。當管道中漏磁檢測系統的行進速度為ν時,式(1)可以調整為式(4)。

(4)

引入磁矢量A，則磁感應強度B的表達式為

B=?×A

(5)

由式(3)，(5)可導出

(6)

式中：μ為空氣磁導率。

對于任意的標量K(其增量為ΔK)，將式(5)代入式(4)整理得

(7)

現定義Je為檢測系統或勵磁裝置運動產生的感應渦流，Js為源電流，則永磁鐵中產生的電流密度J可表示為

J=Je+Js

(8)

由管道的對稱性可得ΔK=0，引入材料的電導率σ(系統運動速度為v時，材料的電導率為σv)，整理式(6)～(8)可得到漏磁檢測系統對管道進行動態磁化的漏磁場矢量偏微分方程

(9)

1.2 管道漏磁檢測有限元模型

在管道漏磁檢測過程中，檢測系統相對管道軸向運動，勵磁裝置在被測管段形成磁回路，當被測管段存在缺陷或其他異常結構時會產生漏磁場。試驗在建立有限元仿真分析模型時僅考慮對磁路影響較大的勵磁裝置、氣隙和被測管段。管道漏磁檢測裝置的三維有限元模型如圖1所示。勵磁裝置由永磁鐵、銜鐵和鋼刷組成，根據分析對象的需要可在模型中加入不同規格的缺陷或補板等異常結構。被測管段規格為159 mm×5 mm(直徑×壁厚)，材料為20鋼；勵磁源采用N48型高性能釹鐵硼永磁鐵，其矯頑力為895 000 A/m，內徑為95 mm，外徑為120 mm，寬度為55 mm，銜鐵和鋼刷的厚度分別為25,10 mm。

圖1 管道漏磁檢測裝置的三維有限元模型

2 計算結果分析

2.1 典型管道腐蝕缺陷有限元分析

為研究管道腐蝕缺陷的漏磁場分布特性，試驗在模型中加入兩組圓錐形外壁缺陷來模擬典型腐蝕缺陷，第一組缺陷的半徑(也認為是缺陷的寬度)為5 mm，缺陷深度設置為管道壁厚的20%，40%，60%，80%；第二組缺陷深度為管道壁厚的20%，缺陷半徑分別設置為5.0，7.5，10.0，12.5 mm。有限元分析得到管道腐蝕缺陷深度和寬度變化時的漏磁場分布曲線如圖2，3所示，可見，缺陷漏磁場的徑向和軸向分布曲線均沿缺陷中心呈對稱分布，缺陷漏磁場徑向分量分布曲線存在一正一負兩個峰值，正負峰值出現在缺陷邊緣附近，其峰峰間距與缺陷半徑存在對應關系；缺陷漏磁場軸向分量同樣具有正負峰值，當缺陷半徑較小時存在一正兩負3個峰值，但是當缺陷半徑增大到一定程度后，漏磁場軸向分布曲線正峰值處發生改變，由單峰值逐漸轉變為多峰值。當缺陷半徑一定時，缺陷產生的漏磁場徑向分量和軸向分量的峰峰間距不變，峰值隨著缺陷半徑的增大而增大；當缺陷深度一定時，其漏磁場徑向分量峰值和峰峰間距均隨缺陷半徑的增大而增大，但漏磁場軸向分量曲線的中心峰值逐漸減小，且中心位置峰值由單峰轉變為多峰。因此，可根據缺陷漏磁場徑向和軸向的分布規律進行管道缺陷半徑和深度尺寸的量化分析。

圖2 有限元分析得到的管道腐蝕缺陷深度變化時的漏磁場分布曲線

圖3 有限元分析得到的管道腐蝕缺陷半徑變化時的漏磁場分布曲線

2.2 管道補板漏磁檢測有限元分析

在有限元模型中加入兩組管道補板模型，第一組模型中補板寬度設置為100 mm,厚度分別設置為2.5，5.0，7.5，10.0 mm；第二組模型中補板厚度設置為5.0 mm,寬度分別設置為50，100，150，200 mm。有限元分析得到的補板厚度和寬度變化時的漏磁場分布曲線如圖4,5所示。

圖4 有限元分析得到的補板厚度變化時的漏磁場分布曲線

圖5 有限元分析得到的補板寬度變化時的漏磁場分布曲線

與缺陷漏磁場分布規律相似，補板漏磁場徑向和軸向分布曲線同樣沿補板中心呈對稱分布，漏磁場徑向分量曲線存在一正一負兩個峰值，峰值出現在補板邊緣附近。當補板寬度較小時，漏磁場軸向分布曲線存在兩正一負3個峰值，隨著補板寬度不斷增大，其漏磁場軸向分布曲線逐漸演變為三正兩負5個峰值。當補板寬度一定時，隨著補板厚度的增大，其漏磁場徑向分量曲線的峰值先呈逐漸增大趨勢，當厚度大于7.5 mm后，峰值趨于穩定，不再增大；補板軸向分量曲線兩端的正峰值隨著厚度的增大而增大，中心處正峰值逐漸減小，同樣在厚度大于7.5 mm后，峰值趨于穩定。補板厚度一定，寬度在50～200 mm內逐漸增大時，補板漏磁場徑向分量的峰值和峰峰間距均逐漸增大，漏磁場軸向分量曲線兩端峰值的間距也逐漸增大，當補板寬度大于100 mm時，其漏磁場軸向分量曲線中心處存在一段漏磁場強度不變的區域。

2.3 缺陷與補板漏磁場對比分析

匯總缺陷與補板漏磁場徑向分量的峰值(見表1)，并與相關曲線進行對比，可以看出，在同一檢測方向的條件下，缺陷漏磁場徑向分量峰值1為正峰值，峰值2為負峰值；補板漏磁場徑向分量峰值1為負峰值，峰值2為正峰值，即缺陷漏磁場徑向分量正負峰值出現的順序與補板漏磁場的相反。與寬度參數變化相比，缺陷深度和補板厚度對漏磁場徑向分量峰值的影響更為明顯。由漏磁場軸向分量的分布曲線可知，由于補板寬度大于典型腐蝕缺陷的寬度，所以在補板漏磁場軸向分布曲線的中心位置存在一段平滑的直線段，而缺陷漏磁場的軸向分量隨著寬度的增大，其曲線中心位置由單峰逐漸轉變為多峰。

表1 缺陷與補板漏磁場徑向分量的峰值對比

3 管道漏磁檢測試驗

3.1 試驗裝置

為驗證有限元仿真結果，筆者搭建了如圖6所示的管道漏磁檢測試驗裝置，由卷揚機帶動檢測裝置在管道內行進并完成檢測。試驗采用規格為159 mm×5 mm(直徑×壁厚)的20號鋼鋼管，人工缺陷半徑為5 mm，深度分別為壁厚的20%，40%，60%，80%；管道補板厚度與鋼管厚度相同，沿管道周向的長度為150 mm，沿管道軸向的寬度分別為50，100，150 mm。管段中缺陷及管道補板布置如圖7所示。為方便霍爾元件的安裝，檢測系統設置了沿管道圓周分布的傳感器陣列，該傳感器陣列可采集漏磁場的徑向分量。

圖6 管道漏磁檢測試驗裝置

圖7 管段中缺陷及管道補板布置示意

3.2 試驗結果

人工缺陷的徑向漏磁檢測信號如圖8所示，可見當缺陷半徑不變，缺陷深度在20%～80%壁厚范圍內變化時，漏磁信號徑向分量峰值隨著缺陷深度的增大而增大。管道補板的徑向漏磁檢測信號如圖9所示，可見，當補板厚度不變，補板寬度在50～150 mm范圍內變化時，管道漏磁信號徑向分量的峰值隨著補板寬度的增大而增大，峰值間距也隨著補板寬度的增大而增大。將圖8和圖9的漏磁信號進行對比可以發現，當檢測方向一定時，缺陷與補板的徑向漏磁信號均存在一正一負兩個峰值；缺陷漏磁信號先出現負峰后出現正峰，而補板漏磁信號先出現負峰后出現正峰，峰值變化規律相反。

圖8 人工缺陷的徑向漏磁檢測信號

圖9 管道補板的徑向漏磁檢測信號

4 結論

(1) 管道缺陷深度和寬度的變化對漏磁場的徑向和軸向分量均存在影響。缺陷深度變化主要影響漏磁場徑向和軸向分量的峰值，缺陷寬度變化主要影響漏磁場徑向分量的峰值間距。

(2) 管道補板厚度和寬度的變化對漏磁場的影響與缺陷對漏磁場的影響相似，補板厚度變化主要影響漏磁場徑向和軸向分量的峰值，補板寬度變化主要影響漏磁場徑向分量的峰值間距。

(3) 與寬度變化相比，缺陷深度和補板厚度的變化對漏磁場徑向分量峰值的影響更為明顯。

(4) 在檢測方向相同的條件下，缺陷漏磁場徑向分量峰值1為正峰值，峰值2為負峰值，補板漏磁場徑向分量峰值1為負峰值，峰值2為正峰值，正負峰值出現的順序相反。