楊理踐，劉　斌，高松巍

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽　110870)

0　引言

石油天然氣的管道運(yùn)輸是我國五大運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)之一，對我國國民經(jīng)濟(jì)起著非常重要的作用，被稱為“能源血脈”。隨著服役時(shí)間的增長，因管道材質(zhì)問題或施工、腐蝕和外力作用造成的損傷，使管道狀況逐漸惡化，潛在危險(xiǎn)很大。管道檢測是保證管道安全運(yùn)行的基本方法，在漏磁法、超聲法、渦流法以及射線法等諸多類型的管道檢測技術(shù)中，漏磁檢測技術(shù)是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的鐵磁性管道缺陷檢測技術(shù)，它利用傳感器檢測缺陷處泄漏的磁信號，根據(jù)漏磁信號的特征確定缺陷的形狀、大小和位置。但是，漏磁檢測方法對管道壁進(jìn)行充分的磁化，使檢測區(qū)域達(dá)到磁飽和狀態(tài)，這種方式不僅損耗高，而且對管道壽命有不良的影響[1-3]。弱磁激勵(lì)檢測技術(shù)不僅可以用于管道缺陷的檢測和定量分析，而且可以省去退磁過程，簡化測量系統(tǒng)。

文中在磁飽和檢測方法的基礎(chǔ)上，建立了弱磁檢測的二維模型，對管道的內(nèi)外缺陷檢測進(jìn)行了模擬仿真，并研究了內(nèi)外缺陷的信號特征，識別精度。研究成果可為傳統(tǒng)漏磁檢測方法的改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1　漏磁檢測技術(shù)原理

漏磁法對管道進(jìn)行缺陷檢測的工作原理是利用永磁體通過鋼刷對管道壁進(jìn)行充分的磁化，使其達(dá)到磁飽和狀態(tài)，在缺陷位置磁力線發(fā)生彎曲變形，并且有一部分磁力線泄漏出缺陷表面，利用磁敏傳感器檢測該泄漏磁場，從而可判斷缺陷的存在和特征。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—管道壁；2—缺陷；3—鋼刷；4—永磁體；5—軛鐵；6—空氣；7—傳感器。

2　弱磁場檢測模型的建立

2．1漏磁場有限元分析

基于管道在線檢測的軸對稱結(jié)構(gòu)，可以用簡化的二維模型來模擬仿真。分析靜磁場的麥克斯韋微分方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

控制方程可以改寫為：

(6)

在圓柱坐標(biāo)系中(r，θ，z)，方程可以被簡化為：

(7)

式中磁標(biāo)量位和激勵(lì)電流密度只有周向分量，可以看成是標(biāo)量。

有限元模型不僅能對方程(7)進(jìn)行直接求解，同時(shí)還能創(chuàng)建一個(gè)能量的函數(shù)方程，對求解空間能量的最小值進(jìn)行求解。

(8)

(9)

所有單元矢量磁位組成方程的方程組可以用矩陣的形式表示：

[K][A]=[P]

(10)

式中：[A]為每個(gè)單元的矢量磁位矩陣；[K]為系數(shù)矩陣；[P]為邊界的矢量磁位矩陣。

通過一些算法的計(jì)算，每個(gè)單元的矢量磁位能夠被求解出來，從而磁通量密度B就能被求解出來。

2．2有限元模型建立

弱磁檢測模型中需要定義的材料有：空氣、永磁體、軛鐵、被測管壁。空氣只需定義其相對磁導(dǎo)率為1；永磁體選用N38型永磁材料；管壁的材質(zhì)選用工程中應(yīng)用廣泛的Q235低碳鋼；軛鐵部分常采用磁導(dǎo)率為300的低碳鋼，為達(dá)到弱磁場的檢測效果，鋼刷部分用空氣取代。

在設(shè)定遠(yuǎn)場邊界條件后，ANSYS的后處理器提供的二維磁力線圖可以清楚、直觀地表現(xiàn)出管壁缺陷處磁場的空間分布情況。從圖2中可以看到，磁極中間的磁場分布最為密集，磁場最強(qiáng)，在磁極的外部區(qū)域，距離磁極越遠(yuǎn)，磁力線分布越稀疏，磁場越弱。通過調(diào)節(jié)缺陷與磁極的相對位置，以及缺陷和傳感器的相對位置可以在某一范圍內(nèi)確定弱磁場檢測環(huán)境。在本模型中，缺陷位于磁極水平方向上225 mm處，傳感器與管道壁提離值為零，該處可以實(shí)現(xiàn)弱磁場的檢測環(huán)境。

圖2　磁場的空間分布

2．3模型驗(yàn)證

將厚度9mm的鋼條放置在永磁體的磁極上，提離值為50 mm，在磁極外部，距離磁極225 mm處，利用磁敏傳感器檢測鋼條上的人工矩形缺陷(寬2 mm，深2 mm)。傳感器所測得的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡、信號傳輸線送入信號處理器進(jìn)行濾波、放大、計(jì)算、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，最后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲。仿真模型的計(jì)算中，設(shè)置同樣的檢測條件，則模擬計(jì)算漏磁信號曲線和實(shí)測漏磁信號曲線對比如圖3所示。從圖中可以看到，二者徑向漏磁信號Bx的峰峰值Bx(T-T)最大誤差為0.066T，軸向信號By的峰值By(Top)最大誤差為0.022T，誤差產(chǎn)生的原因是實(shí)驗(yàn)中存在著地磁場和周圍環(huán)境的干擾，但兩組曲線基本重合，這表明所建二維軸對稱有限元仿真模型是正確的。

圖3　實(shí)測信號值與仿真值對比

漏磁信號的特征與缺陷特征存在著對應(yīng)關(guān)系。由于缺陷的軸對稱性，徑向分量Bx成軸對稱分布，在缺陷的兩個(gè)邊緣處產(chǎn)生峰值，并且缺陷中心處的值為零，峰值之間的寬度和峰峰值的大小與缺陷形狀有關(guān)系。軸向分量By在缺陷中心處出現(xiàn)峰值，峰值大小與缺陷的形狀有關(guān)系。如圖4所示，對相同大小的矩形缺陷分別在磁飽和與弱磁的環(huán)境下進(jìn)行檢測，因?yàn)閭鞲衅髋c磁極的相對位置不同，所以信號方向不同。從檢測結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，磁飽和環(huán)境下，徑向漏磁信號Bx在缺陷兩邊緣處出現(xiàn)峰值，峰峰值Bx(T-T)變化為3.0個(gè)測量單位，缺陷中心處軸向漏磁信號By出現(xiàn)峰值，峰值By(Top)變化為0.4個(gè)測量單位；弱磁環(huán)境下，徑向漏磁信號Bx的峰值沒有出現(xiàn)在缺陷的邊緣處，即兩個(gè)峰值之間的距離要小于缺陷的實(shí)際寬度，且峰峰值變化僅為1.38個(gè)測量單位，By峰值變化為0.18個(gè)測量單位。由此可見，弱磁環(huán)境下，檢測信號的幅值變化較小，近似為磁飽和環(huán)境下檢測信號的50%，并且漏磁信號所體現(xiàn)出的缺陷寬度要比實(shí)際寬度小50%。

圖4　強(qiáng)磁和弱磁環(huán)境漏磁信號的比較

3　弱磁信號的特征分析

3．1弱磁場檢測信號與缺陷深度的關(guān)系

在磁飽和環(huán)境下檢測時(shí)，缺陷長度一定，漏磁信號徑向分量Bx的峰峰值隨深度的增加而變大，與缺陷深度成線性關(guān)系，軸向分量By的峰值也隨缺陷深度的增加而變大，與缺陷深度成線性關(guān)系[4]。但是在弱磁環(huán)境下檢測，缺陷處漏磁信號徑向分量Bx峰峰值與缺陷深度成非線性關(guān)系；軸線分量By峰值隨缺陷深度的增加而變大，近似成線性關(guān)系。圖5為不同深度內(nèi)缺陷漏磁信號分布趨勢圖，缺陷寬度一定(10 mm)，深度由管道壁厚的10%變化到50%，間隔為5%。從圖中可以看到，徑向信號Bx的峰峰值不隨缺陷深度增加而變大，在缺陷深度為40%壁厚的時(shí)候值最大，20%壁厚時(shí)值最小，且隨缺陷深度的增加有一定的分布趨勢。Bx在缺陷深度為35%～45%壁厚范圍內(nèi)，分布較平穩(wěn)，不同深度缺陷的檢測信號變化不大，識別精度較低；在10%～30%壁厚范圍內(nèi)，信號起伏較大，識別精度高。軸向信號By的峰值很小，且隨缺陷深度的增大，近似線性增加。

圖5　內(nèi)缺陷漏磁信息分布

外缺陷檢測信號的分布規(guī)律與內(nèi)缺陷檢測信號的分布規(guī)律有明顯的區(qū)別。圖6為不同深度外缺陷漏磁信號分布趨勢圖，徑向信號Bx峰峰值在缺陷深度為30%壁厚的時(shí)侯值最大，20%壁厚值最小。

圖6　外缺陷漏磁信號分布

通過圖5和圖6的比較可以看到，缺陷深度在25%～40%壁厚范圍內(nèi)，內(nèi)外缺陷的徑向漏磁信號分布趨勢正好相反；軸向信號的分布規(guī)律基本相同。由此可見，在弱磁環(huán)境中，隨缺陷深度的變化，內(nèi)外缺陷徑向檢測信號的幅值變化范圍基本一致，但分布趨勢不同。

3．2弱磁場檢測信號與缺陷寬度的關(guān)系

缺陷深度一定(50%管壁厚)，寬度由2 mm變化到10 mm，間隔為2 mm．圖7為不同寬度內(nèi)外缺陷漏磁信號分布圖。

圖7　內(nèi)外缺陷漏磁信號分布

從圖7中可以看到，內(nèi)外缺陷的軸向信號By的峰值隨缺陷寬度增加而變大，近似成線性關(guān)系，而且兩條曲線基本重合，沒有明顯差別；但是徑向信號峰值Bx(T-T)在缺陷寬度小于8mm時(shí)，內(nèi)外缺陷的漏磁信號曲線基本重合，隨缺陷寬度的增加而變大，近似成線性關(guān)系，在缺陷寬度大于8 mm后，內(nèi)缺陷的徑向信號變化明顯變快，與外缺陷信號的變化趨勢有明顯差別，并且這種變化趨勢受缺陷深度影響不大，也就是說在本模型中，當(dāng)缺陷深度一定時(shí)，缺陷寬度大于8 mm時(shí)，內(nèi)外缺陷在弱磁環(huán)境下是可以識別的。

4　結(jié)論

(1)從仿真模型的計(jì)算結(jié)果當(dāng)中可以看到，在磁極周圍的一定區(qū)域，可以通過調(diào)整缺陷與磁極、傳感器之間的提離值來實(shí)現(xiàn)弱磁場檢測環(huán)境。

(2)在弱磁環(huán)境中，檢測信號徑向分量Bx的峰值和軸向分量By的零點(diǎn)值不是出現(xiàn)在缺陷的邊緣處，即弱磁檢測到的缺陷寬度比實(shí)際值要小，弱磁場檢測對缺陷的寬度識別精度低。

(3)當(dāng)缺陷的寬度一定時(shí)，弱磁場檢測信號的徑向分量Bx的峰峰值不隨缺陷深度的增大而增大，內(nèi)外缺陷峰峰值Bx(T-T)在一定缺陷深度范圍內(nèi)，分布趨勢相反；軸向信號峰值By(Top)對缺陷深度的增大而增大，近似線性關(guān)系，而且內(nèi)外缺陷的By(Top)曲線基本重合。

(4)當(dāng)缺陷的深度一定時(shí)，弱磁場檢測信號的徑向分量和軸向分量與缺陷寬度成線性關(guān)系變化，即隨寬度的增加，Bx(T-T)和By(Top)變大。當(dāng)缺陷寬度大于8 mm時(shí)，內(nèi)缺陷的徑向分量峰峰值Bx(T-T)變化幅度變大，與外缺陷信號變化趨勢明顯不同。

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