天然氣長輸管道金屬損失漏磁內檢測技術研究

呂 圓

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇南京 210000）

近年來，我國天然氣運輸事業得到跨越式發展，管道受到沿途復雜地理環境、土壤性質、人為因素以及自身材質缺陷等影響內部金屬損失嚴重，如穿孔、開裂引起天然氣泄漏，并引起經濟損失、安全隱患、自然環境破壞、生態污染等，因此，需將管道安全問題提上日程。定期對天然氣管道進行檢查有利于排除安全隱患、減少經濟損失。金屬管道檢測方式包括內、外檢，當下統一認為內檢更安全、高效便捷。

管道無損性檢測方法多樣，主要包括漏磁內檢測技術，也稱MFL技術。其因具有價格成本低、操作性強、環境污染低等優勢，被金屬磁鐵性管道檢測廣泛運用。檢測內檢測技術應用方法，通過漏磁內檢技術完善了燃氣長輸管線中金屬材料損失與監測技術的不足。為了提升對長輸管道缺陷檢測以及維護能力，在此次研究中，基于使用漏磁內檢測技術，設計有限元仿真分析方法，檢測天然氣長輸管道金屬損失、缺陷狀況，并研究管道漏磁場強度與金屬損失的關系。為保證對漏磁內檢測技術正確測試并加以研究，在設計應用方法的基礎上開展實驗，驗證漏磁內檢測技術的有效性與優勢。

1 長輸管道金屬損失漏磁內檢測技術原理

漏磁內檢測技術根據漏磁原理，使用磁傳感器，比如霍爾器件等，對金屬磁鐵試件進行外表局部磁飽和化，使其外表達到飽和。再將外表的漏磁進行磁感，使探頭根據磁力線進行回路運動，根據檢測器由壓力差形成的走向判斷磁場分布，辨別管道金屬是否缺陷漏損、缺陷大小與走向、分布等。

管道漏磁內檢測器由多個部分與模塊組成，如電池供電模塊、動力驅動模塊、磁化測量模塊、數據存儲模塊、計算分析模塊、控制速度與運行模塊、記錄路線模塊等，形成一個軟連接的密閉系統。首先要對被檢測管道處進行磁化，無法被磁化處則產生缺陷處漏磁場[1]。當內檢測器通過磁分布均勻的部分管時，沒有檢測到磁漏或磁場的變化，則證明部分管無缺陷損壞。反之若檢測器所經管道磁場的分布不均勻，則感受到管道內壁泄漏出來的漏磁通，并在向前運動中將泄漏數據與缺陷位置記錄下來。數據記錄系統再將漏磁信號區域進行歸納，對設備采集到的缺陷磁場進行分析、預處理。

管道漏磁內檢測分析方法分為兩種：①運用麥克斯維數值分析法求解。②建立解析分析法磁偶極子模型。數值分析法有利于對漏磁信號數值分析的細化，運用范圍更廣。數值分析法分為抽象的有限差分法與更具實用的有限元分析法，研究使用有限元仿真分析法并建立實體模型。

2 天然氣長輸管道金屬損失漏磁內檢測方法設計

漏磁場也是電磁場理論的一部分，符合電磁場運行理論[2]。在對漏磁場數據進行采集之后，建立基于數值分析的金屬管道缺陷實際結構，即有限元模型實體。對磁場數值進行參數化分析的過程，也是對金屬管道缺陷程度與磁場關系進行關系分析的過程。在此次研究中，將方法設定為5部分，具體如下。

2.1 建立磁場有限元方程

建立磁場有限元方程過程中，要基于麥克斯韋方程式。得出具體方程式如下：

式（1）是法拉第定律，式中：E為金屬漏磁電場強度，單位為V/m；B為金屬漏磁磁通量密度，單位為WB/m2。根據矢量分析公式可知：

式（2）中H為金屬磁場強度，單位為A/m；J為金屬內部電流密度，單位為A/m2。根據法拉第定律，油氣管道等鐵磁性金屬材料在非變磁場狀態下時，聯立式（1）、式（2）可以得到：

式（3）中A為金屬磁場矢量磁矢勢，根據金屬磁鐵磁場無源性得出：

天然氣長輸金屬管道漏磁內檢測在靜態狀態下是軸對稱的，在強加邊界上與齊次邊界上、非齊次邊界上得出能量泛函方程方程式（4），可以清楚了解金屬漏磁內檢測空間磁場強度以及磁力線分布情況。

2.2 選定內檢測設備

在此技術的使用過程中，涉及大量的檢測設備，為保證此技術的使用效果，設定檢測設備如下。

在長輸管道金屬的內檢測中，將檢測設備設定為管道漏磁內檢測器，內部包括橡皮碗、鋼刷、探頭、萬向節、里程輪、管壁下位機等主要的設計組成部 分[3]。管道漏磁內檢測器各個部分都有其具體功能，比如動力功能節、電力功能節、測量功能節、數據功能節等，共同構建成檢測運行系統。在此技術設計中，動力功能節作為管道內檢測技術的運行基礎，與天然氣運動一同推進測量器平穩運行，磁化管道[4]。測量功能通過霍爾元件構成的探頭以及磁化設施實現運行，通過電動勢使金屬管道產生漏磁通，測量磁漏與管道缺陷。數據功能節是機器運行核心部分，記錄檢測過程與結果，它的主要設備是586工控機，除此設備外，采用脈沖式碼盤對運行里程與路線進行記載[5]。電力功能節為整個密閉的工作設備提供續航保障，為運行、測量、分析功能提供基本保障。使用上述設備，完成適用于長輸金屬管道的漏磁內檢測設備的組裝 過程。

采用上述設備獲取到金屬管道內部漏磁通與磁漏數據，使用ANSYS進行前處理、求解與后處理，采用的處理方式見表1。

表1 ANSYS 單元類型分析

采用以上維數與自由度，為仿真電磁與管道漏損數據提供單元類型，建立二維實體模型。

2.3 建構檢測有限元仿真模型

由于此次設計要立體化圖像分析，就要求對實體模型進行劃分，創建文件名與材料名，加載和求解。選擇模型類型，設置施加載荷選項，處理結果，使用求解器分析。根據腐蝕缺陷的程度與形態特征，在進行管道漏磁內檢測有限元仿真分析建立實體模型時，將缺陷模型建立在管道的外壁上。以半橢圓形替換圓形或矩形模型，給建立的每一部分模型賦予其特定的屬性，從而達到建模完成的結果。

在建模完成基礎上采用智能網格劃分工具進行自由映射網格劃分，使用APDL命令流把網格進一步多網格化劃分。

2.4 參數化分析有限元仿真模型結果

參數化分析的過程也是模型構建加載與求解、研究內檢測研究數據之間關系的精準化過程。用磁鐵為仿真材料提供仿真勵磁源和載荷，將永磁鐵磁特性轉化為等效的電流。尋求最合適的解析方法，利用二維實體模型的構建劃分網絡單元與節點，利用波前、稀疏矩陣兩個求解器，創造給定為0的獨立邊界。

根據圖1得出：磁力線分布于明顯存在缺陷的管道時，內外壁都存在明顯的磁泄漏，使得缺陷周圍產生同一強度的漏磁場。因為漏磁場分為橫向與徑向，所以密度不一，磁感應強度也不一致。至此，對于天然氣長輸管道金屬漏磁內檢測技術研究實驗設計 完成。

圖1 磁力線分布與磁感應強度關系

3 應用測試

對使用效果展開驗證，以保證漏磁內檢技術安全高效運用于實踐中。在此次驗證中，采用與原有外檢測技術對比的形式，通過不同迭代步數的損失率進行對比，得出漏磁內檢測技術對比原有技術在應用中使用效果更佳的結論。

設定在此次實驗中，采用仿真實驗的形式，隨機設置管道缺陷的迭代步數幾何參數，采取對比的方式重構實體模型結果。設定兩條具有不同迭代步數的路徑，生成缺陷處徑向損失率，提取特征值，代入算法方程。

在此實驗中，①將內檢測迭代步數參數初始化，即直接設置為 0，再檢驗服從高斯分布的完全隨機迭代步數。②將外檢測初始化參數設置為帶尺度約束的迭代步數隨機數。③通過內外檢測同一迭代步數產生的損失率來進行對比。對照內檢測與外檢測技術手段在同一迭代步數的損失率高低，得到管道內外檢測技術對比整體最優解。采用以上檢測中獲取的數據展開對比，確定文中設計方法與原有方法的使用效果以及使用區別。按照漏磁內檢測實驗設計的步驟完成仿真實驗，得到兩次實驗迭代步數算法所得到的損失率重構結果，如圖2、圖3所示。

圖2 首次實驗損失率對比

圖3 第二次實驗損失率對比

獲得兩次實驗中內檢測技術與外檢測技術在同一迭代步數的損失率的數據，得出對比結果見表2：

表2 兩次實驗損失率檢測結果對比

通過上述測試結果可知，在同一迭代步數條件下，文中設計方法損失率比原有方法損失率低40%左右。原有技術在兩次實驗中損失率伴隨著迭代步數的增加居高不下，固定處于50%以上。原有技術損失率過高不利于天然氣管道維修與保護。由此可知，在管道漏磁內檢測上，文中方法比原有方法經濟損失率更低，檢測效率更高，對管道損失缺陷部位檢測更精準。外檢測技術損失率伴隨著迭代步數的增高并未降低，反而增高，且易陷入局部最優解。實驗表明文中設計方法在兩次測試下均可獲得優秀的檢測結果。由此可見，文中設計方法的檢測能力相對于原有檢測方法使用效果更佳。

4 結束語

利用ANSYS有限元分析軟件，對有限元仿真模型與數值結果進行參數化分析，并分析出漏磁場強度與金屬損失的對應關系，成功得出管道缺陷尺寸量化標準與規律。通過研究可知，漏磁管道內檢測技術對于管道金屬損失與缺陷程度檢測結果與實際結果接近，且檢測成本低，過程簡單易操作，安全性高，環境污染小，能夠普遍應用于天然氣管道安全檢測中。與此同時，漏磁內檢測數據也是評價天然氣管道安全狀態與等級的重要依據。目前漏磁內檢測技術在理論上尚有完善之處，在日后的研究中，除加強推進內檢測技術工業化外，還需完善國內內檢測技術系統，以便推進我國管道數據管理能力，掌握管道安全技術自主知識產權，實現天然氣長輸金屬管道動態安全管理，保護長輸管道安全，保護自然生態環境，減少安全隱患與國家經濟損失隱患。