基于電磁法對金屬管道缺陷檢測的仿真與試驗研究

周瑜哲

(陜西國防工業職業技術學院,智能制造學院,陜西,西安 710300)

0 引言

埋地金屬管道檢測主要采用電磁法,該技術具有不開挖、不拆防腐層、成本小等特點,可以在管道不停輸的情況下評價管道質量。RTD公司和殼牌公司最早研究出相關設備并開始商用,目前市場上主要以加拿大Eddify公司研制的Lyft脈沖檢測系統為主,可以對包覆層厚度最大值為203 mm、管道壁厚最大值為63 mm的管道完成動態掃描檢測,廣泛應用于實際工程并取得了良好的效果。我國南昌航空大學課題組在脈沖渦流檢測理論和實際應用中取得了較大的研究成果[1-3]。

本文主要通過三維有限元對脈沖渦流檢測技術建立有限元模型,搭建試驗臺驗證有限元的正確性,對后續金屬管道定量評價提供理論和試驗支撐。

1 電磁法檢測原理及理論

1.1 檢測原理

電磁法檢測金屬管道主要通過施加階躍型電流信號到傳感器,在空間形成穩定的一次磁場擴散至金屬管道表面形成渦流。當信號由高電壓瞬間降為低電壓時,渦流發生突變在空間形成阻礙一次磁場減小的二次磁場,磁力線方向相同。二次磁場被傳感器接收,并以電壓的形式被采集,檢測原理圖如圖1所示。電壓的變化直接與金屬管道的材質和壁厚相關,因此可以用電壓數據評價金屬管道發生缺陷的位置和大小[4-5]。

圖1 檢測原理圖

1.2 相關理論

外界施加給傳感器的階躍型信號為I(t):t<0時,I(t)=I;t>0時,I(t)=0。當t<0時,在空間形成的磁場可以等效為渦流環;當t>0時,渦流環會像“煙圈”一樣向地下擴散[6],見圖2。

圖2 渦流環擴散圖

等效渦流環的電流大小為

(1)

擴散深度a、和半徑b計算公式為

(2)

式中,i為渦流環電流大小,t為渦流環擴散時間,σ0為大地的電導率,μ0為大地的磁導率,c為常數,此處取值為0.546 479。

通過把擴散深度a和半徑b做比值處理,cotθ=a/b=1.07,arccotθ=1.07,則θ=47°,可知渦流環的擴散錐角約為47°。進一步得出傳播速度為

(3)

2 電磁法對金屬管道缺陷檢測仿真設計

2.1 仿真模型建立

電磁法檢測金屬管道模擬主要有管體、信號模塊及傳感器。為了簡化模型,此次仿真把金屬管道直徑和長度放大至無限遠,可以把金屬管道看作平面;傳感器選擇普通多匝線圈,可簡化為薄壁空心圓柱。借助Ansys Maxwell有限元軟件建立仿真模型及網格劃分,如圖3所示。具體模型參數如表1所示。整個模型處于空氣介質中,尺寸為40 mm×40 mm×16 mm的長方體,采用自適應網格劃分方法,傳感器幾何中心位于x=0、y=0、z=150 mm處,網格進行精細劃分,網格尺寸為Δx=Δy=Δz=0.01,管道幾何中心位于x=0、y=0、z=-35 mm處。由于電磁法檢測精度與頻率相關,金屬管道表面會發生趨膚效應,本次仿真為了更好地體現趨膚效應,對金屬管體做分層處理,分為趨膚層和管體層。對趨膚層網格進行精細劃分,網格尺寸為Δx=Δy=Δz=0.01,管體層網格大小為Δx=Δy=Δz=0.05。為了進一步得到管體表面渦流密度分布,在金屬管體表面建立觀察層,觀察層幾何中心位于x=0、y=0、z=15 mm處。在金屬管體幾何中心位置設置缺陷模擬金屬腐蝕情況[7-8]。

表1 仿真模型參數表

圖3 模型及網格劃分

2.2 仿真電路設計

電磁法檢測金屬管道缺陷主要采用電磁感應原理,施加階躍型電流信號給激發線圈,在空間形成穩定的磁場。本文采用Maxwell仿真軟件中的Circuit Editor電路設計模塊模擬階躍型信號,通過施加電流信號到繞組上實現與傳感器的耦合,階躍型電流信號和電路圖[9]如圖4、圖5所示。整個電路采用串聯連接的方式,其中,信號周期為T=1 s,電壓U2=12 V,占空比50%,上升和下降時間均為t2=0.1 μs,電阻R=6 Ω。

圖4 信號波形

圖5 激發電路圖

為了進一步獲取電磁法檢測金屬管道缺陷掃描檢測數據,設置傳感器沿著Y方向移動,從y=-1.5 mm移動到y=1.5 mm,步長為t=0.3 mm,從而獲取傳感器正下方z=0 mm處和求解線上的磁感應強度變化情況,如圖6所示。

圖6 掃描路徑設置

2.3 仿真結果分析

通過掃描的方式獲取傳感器正下方磁場變化,如圖7所示。由圖7可知,在掃描過程中,傳感器正下方磁感應強度在靠近缺陷時慢慢增大,在遇到缺陷時會迅速減小,然后在遠離缺陷時慢慢增大。曲線左右兩邊數據變化,主要由于金屬邊緣效應引起磁場強度較低。傳感器在不同位置時,分析數據可以看出磁感應強度,如圖8所示。利用三維磁場分布云圖可以測量磁場降低處體積和缺陷大小幾乎相同,如圖9所示。進一步證明通過傳感器掃描可以分析出金屬管道腐蝕發生的位置和大小,為后續利用電磁法評價金屬管道質量具有重要參考價值[10]。

圖7 傳感器正下方磁場分布情況

圖8 傳感器掃描后缺陷附近磁場分布圖

圖9 傳感器掃描后缺陷附近磁場分布云圖

3 電磁法檢測金屬管道缺陷試驗

3.1 試驗裝置及試件

由于磁感應強度非常微弱,易受外界因素影響,為了驗證上述仿真結果的正確性,借助磁感應強度與感應電動勢的數學關系,將磁感應強度轉變成感應電動勢進行試驗分析。針對上述仿真模型搭建試驗臺,如圖10所示。試驗臺主要包括激勵裝置,傳感器及數據采集模塊。激勵裝置主要采用瞬變電磁儀(見圖11),可以激發1/16～32 Hz的階躍性電流信號,幅值范圍為±20 V,最小采樣頻率為1 μs,接收機分辨率為0.01 μV,通道數為2。傳感器部分采用直徑為200 mm的圓形線圈作為激勵線圈,匝數為130;直徑為100 mm的圓形線圈作為接收線圈,匝數為400。試件選擇材料為鋼的管道,直徑為Φ108 mm,厚度為6 mm,放至傳感器正下方,試驗場所布置環境基本與仿真設置一致[11-12],如圖12所示。

圖10 試驗平臺

圖11 試驗裝置

圖12 管道試件

3.2 試驗步驟

金屬管道試件長度為L=6300 mm,為了模擬管道腐蝕情況和方便加工,本次試驗將管道分割成單端,每段長約2000 mm,并對金屬管道通過人工磨削和車削的方式加工缺陷14處,大小分布如表2所示。根據缺陷形狀和大小不同模擬管道在實際工況中發生的各種腐蝕,如均勻腐蝕、孔狀腐蝕、溝槽腐蝕,缺陷之間間距約為400 mm,大于傳感器的響應范圍,增加結果的可信度。試件制作完成后開啟設備,設置激勵信號和采集頻率,移動傳感器裝置對整個管道進行掃描檢測。

表2 缺陷分布尺寸分布表

3.3 試驗數據分析方法

通過設置合適的激發參數進行試驗,得到金屬管道21處磁感應強度值,進一步換算成感應電動勢。由于試驗數據太多,下面只列舉測點1的檢測數據,如表3所示。從表3可以看出,每組檢測數據有31個時窗。對21處感應電動勢數據進行整理,如圖13所示。結果表明,當測點數量越多時,很難確定缺陷位置所在。針對缺陷準確位置的判斷,采用數據剖面處理方法,框架圖如圖14所示。具體步驟如下。

表3 測點1檢測數據表

圖13 21處測量數據整理

圖14 數據處理分析框架

(1) 數據編號。每組檢測數據時窗為ti={t1,t2,t3,…,t21},所對應的感應電動勢為Ui={U1,U2,U3,…,U21}。

(3) 數據對比。選取合適的時窗(ti-1,ti,ti+1,ti+2,ti+3),采用信號剖分的處理方法,繪制該時窗區域的信號剖面圖。

當UiU0時,該處管道壁厚存在加厚(管道焊接處等)。

3.4 試驗結果分析

將本次試驗中測點4處無缺陷作為標準數據,對21組數據做剖面處理,如圖15所示。分析可知,5個時窗數據變化趨勢一致,在t=4.0813 ms和t=5.1332時,變化趨勢較為明顯。本次試驗取t0=4.0813 ms、U0=1.89 mV作為標準信號值。通過數據比較發現:測點4比其他有缺陷的測點信號值明顯要高;測點17由于有穿孔腐蝕存在,所以信號值最低;測點1、測點7、測點15和測點21由于是管道切斷處,信號值較低。通過分析可以明顯看出存在缺陷的地方信號值低于管道完好處的信號值,且缺陷量越大信號值越低,數據分析出的缺陷位置與實際缺陷位置一致。試驗結果表明,通過選擇合適的時間范圍對信號進行剖分處理可以在發現缺陷的準確位置,進一步確定缺陷大小,該方法可以有效消除外界環境因素對磁場信號的干擾,提高檢測精度。

圖15 21處數據剖面處理

4 總結

本文通過有限元方法對電磁法檢測金屬管道進行模擬,結果表明:利用傳感器掃查檢測時,在缺陷附近傳感器正下方的磁感應強度會明顯降低,從而判斷缺陷的位置,進一步利用三維磁場云圖可以對缺陷的大小進行評估。

為了消除外界環境因素對磁場信息的干擾,本文通過搭建試驗臺將磁感應強度轉化為感應電動勢,進一步驗證有限元仿真的正確性。通過選擇測點4的信號值,將t=4.0813 ms和U=1.89 mV作為標準信號值,對21組測點數據做剖面處理,可以看出在缺陷處感應電壓信號明顯低于無缺陷,且缺陷越大,電壓越低。利用電壓的大小和衰減位置可以確定金屬管道破損點情況,表明電磁法可以對金屬管道腐蝕情況作出評價,為后續金屬管道完整性評估提供試驗支撐。