戴 光，鄭克耀，楊志軍，劉延雷，王 兵

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318；2.杭州市特種設備檢驗研究院，杭州 310051)

管道外自動漏磁檢測技術及試驗

戴 光1，鄭克耀1，楊志軍1，劉延雷2，王 兵2

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318；2.杭州市特種設備檢驗研究院，杭州 310051)

針對地面管道的運行特點，基于漏磁檢測技術理論，設計了一種適用于多種管徑的管道外部自動檢測裝置，并通過有限元仿真和試驗，對管壁上不同深度和直徑的腐蝕缺陷進行模擬和檢測，分別得到了管道缺陷的不同參數對漏磁場的影響規(guī)律。仿真和試驗結果具有一致性。另外，從管道內、外壁缺陷檢測結果看，所設計的漏磁檢測儀對管道內、外壁缺陷的檢測同樣有效。

管道；腐蝕；漏磁檢測；自動檢測；有限元

在石油化工行業(yè)中存在著大量的地面管道，此類管道長期受內部介質和外部空氣等因素影響，非常容易發(fā)生腐蝕，情節(jié)嚴重的將產生穿孔，從而發(fā)生介質泄露、管道爆炸等事故，嚴重威脅生命財產安全[1]。對管道進行缺陷檢測，及時掌握地面管道的腐蝕程度，并對缺陷進行修復和評估，能有效確保管道安全，延長管道的工作壽命[2]。漏磁檢測技術可實現管道的在線檢測，而且檢測速度快，方便可靠，在管道的無損檢測中得到了廣泛的應用[3]。

然而，在目前的工程應用中，漏磁檢測儀器設備多采用人力驅動或者人工輔助電力驅動方式進行掃描檢測，大大增加了勞動強度，也降低了檢測效率;且在檢測中更多地引入了人為的不確定因素，并易產生漏檢和重復檢測的情況，影響檢測結果的正確性和可靠性。為此，筆者設計了一種直流電機驅動的、可換向、適用于不同管徑的漏磁檢測裝置，通過有限元仿真和試驗，驗證了該裝置的有效性和可行性，使其能成功地應用到工程實踐中去。

1 管道漏磁有限元仿真分析

在管道檢測過程中，要注意的缺陷主要有兩種類型：腐蝕缺陷和裂紋缺陷。裂紋缺陷一般很窄，只在一個平面內展開，對裂紋類缺陷檢測和量化的難度較大[4]。筆者主要針對在役地面管道的點蝕坑、凹槽、湖形等腐蝕型體積缺陷進行漏磁檢測技術的研究，將腐蝕缺陷近似為圓柱體進行仿真分析。

1.1 有限元模型的建立與求解 在ANSYS軟件中采用棱邊單元法，以solid117單元為單元類型，人為建立圓柱形腐蝕缺陷，選取管道局部特征建立分析模型，有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

對各單元進行材料屬性設定后進行有限元網格的劃分。在滿足分析要求的基礎上，選擇自由網格劃分的方式，采用四面體網格形狀對有限元模型進行網格劃分，缺陷處網格劃分結果如圖2所示。

網格劃分完畢，對分析模型施加狄利克雷邊界條件，采用稀疏矩陣求解器對模型求解計算，得到模型磁場強度分布云圖如圖3所示。

圖3 磁場強度分布云圖(去除空氣罩)

從圖4的磁感應強度矢量圖中可以清楚地看出，磁場在管道缺陷處發(fā)生了畸變，缺陷處明顯有磁力線溢出，產生了漏磁場。在缺陷上方1 mm處沿管道軸向設置路徑，對缺陷處磁通量密度進行提取，可以得到缺陷處磁通量密度特征曲線[5]。

圖4 磁感應強度矢量圖

1.2 缺陷的直徑對缺陷處漏磁場的影響規(guī)律分析

利用控制變量法，實現對缺陷直徑的單一變量控制，以被研究管道厚度的50%(文中取4.5 mm)為固定缺陷深度，分別取2,3,4,5,6,7,8 mm為直徑，分析缺陷的直徑對缺陷處漏磁場的影響規(guī)律。計算求解完成后，按照定義好的路徑提取出缺陷處磁通量密度分布曲線，不同直徑的缺陷磁通量密度分布曲線如圖5所示。

圖5 不同直徑的缺陷磁通量密度分布曲線

缺陷處的磁通量密度徑向分量以缺陷中點為中心呈現中心對稱分布，軸向分量以缺陷中點為中心呈現軸對稱分布，磁通量密度徑向分量隨著缺陷直徑的增大呈先增大后減小的趨勢，軸向分量則隨缺陷直徑的增大而減小。而且徑向分量曲線中的正負峰值間距和軸向分量曲線中的兩拐點間距均隨著缺陷直徑的增大而增大，此仿真結果在實際檢測中可以為缺陷的識別和量化提供必要依據。

1.3 缺陷的深度對缺陷處漏磁場的影響規(guī)律分析

同樣利用控制變量法，對缺陷深度進行單一變量控制，用管外壁圓柱坑模擬管道腐蝕缺陷，將缺陷的直徑設定為5 mm，缺陷的深度分別取為被研究管道壁厚的20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%進行仿真分析。仿真求解完成后，提取出缺陷處磁通量密度分布曲線，不同深度的缺陷磁通量密度分布曲線如圖6所示。

圖6 不同深度的缺陷磁通量密度分布曲線

從圖6可以看出，對于具有同一直徑、不同深度的圓柱形腐蝕缺陷，隨著腐蝕深度的增大，缺陷處磁通量密度徑向分量和軸向分量均呈現增大的趨勢。

2 管道外自動漏磁檢測儀

針對以往使用管道漏磁檢測儀時勞動強度大、檢測效率低的特點，設計了一種可以自動行走、可換向、可變徑的管道外自動漏磁檢測儀(見圖7)。

圖7 漏磁檢測儀結構示意

此檢測儀在設計中采用了一種全方位輪，在輪轂的外緣均勻鑲嵌著可自軸旋轉的小輪，小輪軸線與輪轂軸線相互正交，且小輪與大輪的外圓相互重合，保證了良好的平滑性[6]。在正常檢測時，檢測儀沿管道軸向運動，此時行進輪驅動，側輪制動，側輪上的小輪從動；一次掃描結束，檢測儀可不必取下，使行進輪制動，側輪驅動，行進輪上的小輪從動，即可完成換向運動，開始下一次的掃描檢測。

為了適應不同管徑的管道檢測需要，同時保證有效的掃描寬度和檢測效率，設計的管道外漏磁檢測儀采用三個分離的磁化結構(見圖8)，霍爾元件均勻分布在傳感器盒內，添加了調節(jié)螺母等傳感器升降裝置，以調節(jié)傳感器距離管壁的高度，使其處于最佳的信號采集位置。

圖8 磁化結構示意

3 試驗過程

3.1 管道外漏磁檢測系統(tǒng)

為驗證漏磁檢測儀的有效性，以及有限元仿真的正確性，設計如圖9所示的試驗系統(tǒng)進行試驗。管道漏磁檢測系統(tǒng)軟件界面如圖10所示。

圖9 試驗系統(tǒng)整體框圖

圖10 管道漏磁檢測系統(tǒng)軟件界面

檢測儀將被測管壁接近飽和磁化后，由霍爾元件(磁敏感元件)組成的傳感器采集到泄漏的磁場信號，將磁信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，并通過數據采集系統(tǒng)輸入到工業(yè)計算機中，在工業(yè)計算機上便可通過管道漏磁掃描分析軟件進行試驗數據的返放與波形分析，識別管道缺陷特征。

3.2 管道缺陷檢測及數據分析

(1) 取一段直徑為159 mm，壁厚8 mm，長1 100 mm的10號無縫鋼管，在管道內壁沿軸向人為等間距預制一組半球形缺陷，壁厚減薄量分別為管壁厚度的20%(1.6 mm)、40%(3.2 mm)、60%(4.8 mm)和80%(6.4 mm)，管道半球形缺陷工程圖和實物圖如圖11所示。再研究腐蝕造成的壁厚減薄量對管道外壁漏磁場的影響規(guī)律。

圖11 管道半球形缺陷工程圖和實物圖

圖12 半球形缺陷試驗數據

將檢測儀放置在管道外表面，控制其以0.3 m·s-1的速度從左到右行走過缺陷所處位置，在電腦接收端可得到管道外壁漏磁場數據。檢測儀的傳感器由沿管道圓周方向均布的15個霍爾元件組成，完成一次掃描檢測共有15個通道的試驗數據，將試驗數據分析處理后得到漏磁場數據三維圖。圖中X軸為通道數，Y軸為檢測儀行走的距離，Z軸為檢測到的漏磁信號電壓。圖12為半球形缺陷試驗數據，從圖12中可以看出，腐蝕缺陷的體積越大，檢測到的缺陷信號越明顯，缺陷處的電壓幅值也越大。對比不同信號幅值所在通道的位置及有幅值波動的通道數目，還可以分析出缺陷所處的位置，比較出不同缺陷的直徑大小，即有幅值波動的相近通道數目越多，則此處缺陷直徑越大。

從圖12(b)所示的試驗數據二維圖中可以看出，各個峰值之間的間距近似等于管道內壁面分布的各缺陷間距，故可將檢測數據中的漏磁信號峰值間距作為缺陷定位的主要判據之一。8號通道采集到幅值最大的漏磁檢測信號，說明8號通道處于半球形缺陷的正上方，將其單獨提取出(見圖13)并進行峰值曲線擬合，擬合后的結果為一條二次曲線，峰值擬合曲線如圖14所示，一次擬合公式為

Y=2.599 85+0.004 24X+9.462 5×10-5X2

(1)

式中：Y為漏磁信號電壓；X為壁厚減薄百分比。

圖13 含半球形缺陷管道檢測時的8號通道漏磁信號電壓曲線

圖14 8號通道漏磁信號峰值擬合曲線

(2) 取一段直徑為159 mm，壁厚6 mm，長1 100 mm的10號無縫鋼管，在管道外壁沿軸向人為等間距預制A、B兩組夾角為180°的圓柱形缺陷，缺陷參數如表1所示，圓柱形缺陷分布如圖15所示，分析腐蝕缺陷的直徑和深度對漏磁場信號的影響規(guī)律。

圖15 圓柱形缺陷分布示意

表1 圓柱形缺陷參數 mm

圖16 含A組缺陷管道檢測時的8號通道漏磁信號電壓曲線

圖17 含A組缺陷管道檢測時的8號通道漏磁信號電壓峰值曲線

先對A組缺陷進行掃描檢測，提取位于缺陷正上方的8號通道的漏磁信號電壓曲線如圖16所示，從圖17所示的漏磁信號電壓峰值曲線中可以看出，缺陷的直徑與缺陷處漏磁場信號的波峰值近似為二次函數關系，而且隨著缺陷直徑的不斷增大，缺陷處漏磁信號峰值呈現出先增大后減小的趨勢，試驗得到的規(guī)律與仿真模擬結果一致。

對B組缺陷進行掃描檢測，提取位于缺陷正上方的試驗數據如圖18所示。在圖19所示的漏磁信號電壓峰值曲線中可以看出，缺陷壁厚減薄百分比與缺陷處漏磁信號峰值近似為線性關系，則管壁腐蝕得越深，得到的漏磁信號幅值越大，則管壁上的缺陷越容易被檢測出來。試驗得到的規(guī)律和仿真結果相互驗證。

圖18 含B組缺陷管道檢測時的8號通道漏磁信號電壓曲線

圖19 含B組缺陷管道檢測時的8號通道漏磁信號電壓峰值曲線

4 結語

(1) 利用ANSYS有限元分析軟件建立了管道外漏磁檢測有限元分析模型，提取出缺陷處漏磁場特征曲線，并且模擬了不同參數的圓柱形腐蝕缺陷對管道外壁面磁場的影響，得出了不同尺寸的圓柱形腐蝕缺陷對漏磁場的影響規(guī)律，即：管道外壁漏磁場強度徑向分量隨著缺陷直徑的增大呈現出先增大后減小的趨勢。同時，漏磁場強度徑向分量隨腐蝕缺陷深度的增大而增大。

(2) 利用文中所設計的漏磁檢測儀對帶有人工預制的圓柱形腐蝕缺陷的管道進行掃描檢測，分析檢測數據，得到不同參數的缺陷對管道外壁漏磁場信號的影響規(guī)律，與仿真結果規(guī)律相同，二者相互驗證。由試驗結果還可看出，檢測裝置對內、外壁缺陷檢測同樣可行有效。

(3) 設計的管道漏磁檢測儀通過控制器的控制，可實現自動行走，一次掃描結束不用將儀器取下即能完成換向操作，提高了檢測精度和效率。

[1] 賈鵬軍,羅金恒,劉琰，等.石化成品油外輸管道泄漏的無損檢測[J].無損檢測,2016,38(3):11-13.

[2] 楊理踐,趙洋,高松巍.輸氣管道內檢測器壓力與主度模型及速度調整策略[J].儀器儀表學報,2012,33(11):2407-2413.

[3] BUBENIK T. Electromagnetic methods for detecting corrosion in underground pipelines: magnetic flux leakage (MFL)[C].Underground Pipeline Corrosion. [S.l.]: Woodhead Publishing, 2014:215-226.

[4] 宋小春,黃松嶺,趙偉.天然氣長輸管道裂紋的無損檢測方法[J].天然氣工業(yè),2006,26(7):103-106.

[5] 楊志軍,陳德姝,陳亮，等.腐蝕缺陷漏磁場檢測有限元模擬[J].無損檢測,2015,37(11):51-55.

[6] 曹其新,張蕾.輪式自主移動機器人[M].上海:上海交通大學出版社,2012:30-31.

Automatic Magnetic Flux Leakage Detection Technology and Experiment on the Outside of Pipeline

DAI Guang1, ZHENG Keyao1, YANG Zhijun1, LIU Yanlei2, WANG Bing2

(1.College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Hangzhou Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310051, China)

According to the operational characteristics of the ground pipeline and based on the theory of magnetic flux leakage testing technique, an automatic detection device on the outside of pipeline was designed, which was suitable for different diameters of pipelines. Then the corrosion defects with different depth and diameter on the wall of pipeline were simulated and tested through the finite element simulation and experimental research, and thereafter the influence law of different parameters on the leakage magnetic field was obtained. The results of simulation and experiment are consistent. In addition, according to the results of defect detection, the designed magnetic flux leakage detector is effective for the detection of defects both in inner and in outer walls of the pipeline.

pipeline; corrosion; magnetic flux leakage; automatic detection; the finite element

2016-09-13

國家質檢總局科技計劃資助項目(2014QK158)；浙江省質監(jiān)系統(tǒng)科研計劃資助項目(20150236)

戴 光(1954-)，男，教授，博士生導師,主要從事化工設備設計、聲發(fā)射檢測理論與評定方法以及結構完整性評價等研究工作

鄭克耀， zhengkeyao0915@163.com

10.11973/wsjc201707004

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0018-05