孫 宇，葛玖浩

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心， 青島 266580)

基于飽和低頻渦流檢測(cè)技術(shù)的管道內(nèi)外缺陷識(shí)別方法仿真

孫 宇1，葛玖浩2

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心， 青島 266580)

管道檢測(cè)中，由于集膚效應(yīng)的限制，常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)很難對(duì)深層缺陷進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)外加直流磁化場(chǎng),使用飽和低頻渦流技術(shù)(SLFEC)將被測(cè)工件磁化至飽和狀態(tài)，可降低其相對(duì)磁導(dǎo)率進(jìn)而增加集膚層厚度，提高檢測(cè)深度?；陲柡偷皖l渦流檢測(cè)技術(shù)原理，采用有限元方法構(gòu)建飽和低頻渦流檢測(cè)技術(shù)仿真模型。仿真表明，SLFEC技術(shù)對(duì)壁厚30 mm管道不同埋深裂紋和管道內(nèi)外腐蝕缺陷均具有較好的檢測(cè)效果，同時(shí)采用阻抗分析法可較好地區(qū)分管道不同埋深裂紋和內(nèi)外腐蝕。

飽和低頻渦流技術(shù)；不同埋深裂紋；內(nèi)外腐蝕；仿真研究

石油天然氣管道是石油工業(yè)的血管，截至2012年上半年,我國(guó)油氣管道總長(zhǎng)度已達(dá)9.3萬(wàn)km。伴隨我國(guó)油氣管道的快速發(fā)展，許多在役管道已進(jìn)入事故多發(fā)期，管道內(nèi)外表面易出現(xiàn)腐蝕、裂紋、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、穿孔等缺陷，威脅石油工業(yè)的生產(chǎn)安全，因此開(kāi)展管道內(nèi)外缺陷檢測(cè)對(duì)保證石油化工行業(yè)平穩(wěn)發(fā)展和安全生產(chǎn)有著重要意義[1]。

渦流檢測(cè)技術(shù)(ECT)是石油天然氣管道檢測(cè)中常用的電磁檢測(cè)技術(shù)，其基于電磁感應(yīng)原理，交流激勵(lì)下渦流線圈在被測(cè)工件表面會(huì)感應(yīng)出渦電流；當(dāng)被測(cè)工件表面出現(xiàn)缺陷時(shí)，感應(yīng)渦流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致線圈阻抗變化；通過(guò)分析線圈阻抗變化分析可對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別。該技術(shù)具有非接觸測(cè)量、無(wú)需耦合劑的特點(diǎn)[2-3]。

渦流檢測(cè)法由于集膚效應(yīng)的存在，對(duì)導(dǎo)電工件表面或近表面缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度。但正因?yàn)榇嬖诩w效應(yīng)的限制，常規(guī)渦流檢測(cè)法很難對(duì)亞表面和深層缺陷具有較好的檢測(cè)效果，在工業(yè)應(yīng)用中易造成漏檢，甚至導(dǎo)致安全事故的產(chǎn)生[4]。

飽和低頻渦流檢測(cè)技術(shù)(Saturated low frequency eddy current，SLFEC)是近年由英國(guó)Innospection公司開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)電磁檢測(cè)新技術(shù)[3-4]。該技術(shù)在原有渦流檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上引入直流磁化磁場(chǎng)，利用疊加磁場(chǎng)來(lái)降低被測(cè)工件的相對(duì)磁導(dǎo)率，增大渦電流的集膚深度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)深層缺陷的檢測(cè)[5]。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中該技術(shù)能夠?qū)?3 mm厚度材料深層缺陷進(jìn)行良好檢測(cè)，同時(shí)可穿透10 mm包覆層對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，具有良好的應(yīng)用前景。

筆者基于飽和低頻渦流技術(shù)原理，采用三維有限元技術(shù)構(gòu)建飽和低頻渦流技術(shù)有限元檢測(cè)模型，分析缺陷埋藏深度和類(lèi)型引起的線圈阻抗變化，最終構(gòu)建缺陷深度和類(lèi)型識(shí)別方法，為管道內(nèi)外缺陷檢測(cè)和識(shí)別提供技術(shù)支持。

1 飽和低頻渦流檢測(cè)技術(shù)原理與仿真

1.1 技術(shù)原理

圖1 飽和低頻渦流檢測(cè)技術(shù)原理示意

圖2 外加磁場(chǎng)強(qiáng)度與相對(duì)磁導(dǎo)率的關(guān)系曲線

如圖1所示為飽和渦流檢測(cè)技術(shù)原理示意，當(dāng)在試件表面施加直流磁化場(chǎng)時(shí)，工件沿壁厚方向被磁化，導(dǎo)致相對(duì)磁導(dǎo)率降低。如圖2所示為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度與相對(duì)磁導(dǎo)率的關(guān)系曲線。假設(shè)磁化后工件除相對(duì)磁導(dǎo)率外其余參數(shù)沒(méi)有改變，由集膚效應(yīng)公式可知，相對(duì)磁導(dǎo)率的減小會(huì)導(dǎo)致集膚深度增加，進(jìn)而增大檢測(cè)深度。

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率;μr為相對(duì)磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率;ω為激勵(lì)頻率。

1.2 有限元模型

采用有限元軟件COMSOL MULTIPHYSICS構(gòu)建如圖3所示的飽和低頻渦流檢測(cè)技術(shù)有限元模型，該模型由直流磁化器、渦流線圈、差分線圈和管道構(gòu)成。為模擬工件相對(duì)磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)的變化情況，將如圖4所示的低碳鋼磁化曲線輸入有限元模型中，模型中其余材料參數(shù)如表1所示。圖5為模型中不同磁化強(qiáng)度對(duì)應(yīng)得到的工件相對(duì)磁導(dǎo)率。

圖3 SLFEC模型示意

圖4 低碳鋼BH曲線

由于飽和低頻渦流技術(shù)中存在直流磁化場(chǎng)和交流電磁場(chǎng)，因此若采用瞬態(tài)分析將會(huì)有龐大的計(jì)算量。因此為了更好地模擬飽和低頻渦流技術(shù)，提出“靜磁場(chǎng)穩(wěn)態(tài)分析加交流場(chǎng)頻域分析”兩段式復(fù)合分析方法。首先采用COMSOL“磁場(chǎng)無(wú)電流物理場(chǎng)”進(jìn)行靜磁場(chǎng)穩(wěn)態(tài)分析，獲得工件被磁化飽和后的相對(duì)磁導(dǎo)率。然后將第一步中獲得的材料參數(shù)變化值作為第二步分析的材料參數(shù)，采用COMSOL“磁場(chǎng)物理場(chǎng)”進(jìn)行頻域分析，同時(shí)頻域分析時(shí)保證渦流磁場(chǎng)不會(huì)導(dǎo)致直流磁化場(chǎng)變化，最終通過(guò)分析渦流線圈阻抗變化識(shí)別深度缺陷。

表1 有限元模型參數(shù)

圖5 仿真模型中相對(duì)磁導(dǎo)率與外界磁場(chǎng)的變化關(guān)系

2 不同深度和類(lèi)型缺陷檢測(cè)

為了更好地表征SLFEC技術(shù)的檢測(cè)能力，筆者采用SLFEC技術(shù)分別對(duì)不同埋藏深度和類(lèi)型的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，分析不同埋藏深度和類(lèi)型的缺陷導(dǎo)致的線圈阻抗變化，進(jìn)而構(gòu)建缺陷埋深和類(lèi)型的識(shí)別方法。

2.1 不同埋藏深度缺陷檢測(cè)

圖6為被測(cè)試件的結(jié)構(gòu)示意，試件中含有5個(gè)亞表面缺陷和1個(gè)表面缺陷。仿真中采用探頭不動(dòng)，工件移動(dòng)的方法來(lái)模擬探頭對(duì)不動(dòng)缺陷的檢測(cè)，其中工件沿水平方向左并以1 mm步距移動(dòng)。檢測(cè)得到前5個(gè)非表面檢測(cè)結(jié)果如圖7(a)所示，同時(shí)為了對(duì)比，采用激勵(lì)電流1 A，激勵(lì)頻率10 kHz，提離高度與SLFEC相同的渦流探頭得到如圖7(b)所示結(jié)果。

圖6 缺陷結(jié)構(gòu)示意

圖7 SLFEC技術(shù)和ECT技術(shù)檢測(cè)非表面缺陷的對(duì)比

由結(jié)果可知，SLFEC技術(shù)可清晰地對(duì)不同埋深缺陷進(jìn)行檢測(cè)，而ECT技術(shù)對(duì)埋深10 mm以下的缺陷較難分辨。將表面缺陷檢測(cè)結(jié)果與埋深10 mm缺陷的結(jié)果對(duì)比，得到如圖8所示的結(jié)果，由結(jié)果可知采用SLFEC技術(shù)可以很好地區(qū)分表面缺陷和非表面缺陷。由阻抗圖可知非表面缺陷信號(hào)位于一、三象限，表面缺陷位于二、四象限。通過(guò)分析“8字圖”所在象限可有效區(qū)分缺陷位置。

圖8 表面缺陷與埋深10 mm缺陷的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

2.2 不同類(lèi)型缺陷檢測(cè)

由于管道經(jīng)常輸送天然氣、原油等含腐蝕成分的介質(zhì)，管道內(nèi)部容易產(chǎn)生腐蝕缺陷;同時(shí)管道埋藏在土壤中，易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，故外部同樣會(huì)產(chǎn)生腐蝕缺陷。為進(jìn)一步驗(yàn)證SLFEC技術(shù)的檢測(cè)能力，采用SLFEC技術(shù)分別對(duì)表面和內(nèi)部凹坑進(jìn)行檢測(cè)，以模擬管道內(nèi)外腐蝕的檢測(cè)。圖9為管道內(nèi)外腐蝕缺陷外觀示意。圖10為其檢測(cè)結(jié)果。

圖9 表面腐蝕坑和內(nèi)部腐蝕坑外觀示意

圖10 表面和內(nèi)部腐蝕坑的SLFEC檢測(cè)結(jié)果

由檢測(cè)結(jié)果可知：SLFEC技術(shù)對(duì)管道內(nèi)外腐蝕均具有較好的檢測(cè)效果，同時(shí)與判斷裂紋不同埋深一樣，表面腐蝕坑“8字圖”位于二、四象限，非表面腐蝕坑“8字圖”位于一、三象限。表明SLFEC技術(shù)對(duì)腐蝕缺陷具有較好的檢測(cè)和識(shí)別能力，同時(shí)可判別表面腐蝕和內(nèi)部腐蝕不同位置。

由SLFEC技術(shù)對(duì)不同埋深裂紋和內(nèi)外腐蝕坑的檢測(cè)仿真結(jié)果可知，SLFEC技術(shù)對(duì)不同埋深裂紋和內(nèi)外腐蝕坑均具有較好的檢測(cè)效果，較傳統(tǒng)渦流技術(shù)可有效提高檢測(cè)深度；同時(shí)采用阻抗平面分析法，可有效區(qū)分內(nèi)外缺陷。

3 結(jié)論

(1) SLFEC技術(shù)可有效改變被測(cè)管道的相對(duì)磁導(dǎo)率，增大渦流集膚效應(yīng)滲透距離，提高檢測(cè)深度。

(2) SLFEC技術(shù)對(duì)管道內(nèi)外裂紋、腐蝕坑均具有較好的檢測(cè)能力，采用阻抗分析法，表面缺陷阻抗圖出現(xiàn)在二、四象限，非表面缺陷阻抗圖出現(xiàn)在一、三象限。故，SLFEC具有較好的內(nèi)外缺陷識(shí)別能力。

[1] 董紹華, 費(fèi)凡, 安宇,等. 管道腐蝕評(píng)估技術(shù)與其檢測(cè)方法對(duì)比[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2016,38(3):34-40.

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[4] 康宜華, 宋凱, 楊建桂,等. 幾種電磁無(wú)損檢測(cè)方法的工作特征[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2008,30(12):928-930.

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Simulation of Pipeline Inner and Outer Defect Recognition Based on Saturated Low Frequency Eddy Current Technique

SUN Yu1, GE Jiu-hao2

(1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Langfang 065000, China;2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Eddy current testing (ECT) is a normally used nondestructive testing method. However, because of the skin effect, it is difficult to detect the deeper defects by ECT. Using saturated low frequency eddy current technique (SLFECT), the structure is magnetized to saturation by adding a direct magnetizing field; in addition, the relative permeability is decreased and the skin effect is reduced. In this paper, based on the thesis of SLFECT, the model of SLFECT is built by finite element method. The simulation results indicate that the crack in different depth, inner and outer corrosions can be detected obviously; moreover, using the impedance analysis method, the depth of crack and position of corrosion can be recognized.

Saturated low frequency eddy current technique; Cracks in different depth; Inner and outer corrosion; Simulation study

2016-07-28

基金名稱(chēng)：山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2015EM009);青島市科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(14-2-4-49-jch)。

孫 宇(1978-)，男，本科，工程師，主要從事油氣管道工程項(xiàng)目管理工作。

葛玖浩，E-mail:gejiuhao@163.com。

10.11973/wsjc201702003

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0009-04