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(1.北京華航無(wú)線電測(cè)量研究所, 北京 100013；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

管道動(dòng)態(tài)磁化漏磁內(nèi)檢測(cè)信號(hào)的影響因素

鄭莉1,呼婧1,許振豐1,馮搏2,康宜華2

(1.北京華航無(wú)線電測(cè)量研究所,北京100013；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074)

在管道內(nèi)檢測(cè)中，檢測(cè)裝置和管道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起渦流，而渦流強(qiáng)度會(huì)受到檢測(cè)速度、管道電導(dǎo)率、磁鐵矯頑力、磁化器長(zhǎng)度等因素的影響，進(jìn)而影響到漏磁檢測(cè)信號(hào)。對(duì)影響漏磁檢測(cè)中渦流強(qiáng)度的幾個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析，通過有限元仿真得到了各個(gè)因素對(duì)管壁內(nèi)渦流強(qiáng)度和管壁磁場(chǎng)狀態(tài)的影響關(guān)系，并建立內(nèi)、外壁缺陷模型，得到了各個(gè)因素對(duì)檢測(cè)信號(hào)的具體影響。

漏磁；內(nèi)檢測(cè)；速度效應(yīng)；渦流

石油、天然氣在現(xiàn)代工業(yè)中具有不可或缺的地位，其用量也在逐年提高。油氣管道是石油、天然氣傳輸?shù)闹匾ǖ?，近年?lái)，我國(guó)對(duì)油氣管道進(jìn)行了大面積的建設(shè)。由于在使用過程中會(huì)受到內(nèi)部輸送物質(zhì)及外界環(huán)境的腐蝕作用，油氣管道易發(fā)生破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)油氣泄漏甚至爆炸事故。因此，對(duì)油氣管道進(jìn)行定期檢測(cè)，及時(shí)找到腐蝕部位進(jìn)行修補(bǔ)和更換，是保證人身及財(cái)產(chǎn)安全的重要措施[1]。

目前，對(duì)油氣管道的在役檢測(cè)主要采用漏磁的方法，漏磁檢測(cè)設(shè)備包括磁化器、傳感器和信號(hào)處理單元。檢測(cè)時(shí)，磁化器對(duì)管道進(jìn)行磁化，傳感器拾取缺陷處的漏磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最終由信號(hào)處理單元進(jìn)行放大、濾波處理，并最終在計(jì)算機(jī)中顯示出來(lái)。檢測(cè)設(shè)備在管道中受傳輸物質(zhì)的推力而運(yùn)動(dòng)，對(duì)整個(gè)管道完成掃查。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，磁化器和管壁之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致渦流的產(chǎn)生，管壁內(nèi)的渦流形成的一個(gè)二次磁場(chǎng)會(huì)對(duì)管道磁化產(chǎn)生影響。許多學(xué)者對(duì)漏磁檢測(cè)中的渦流效應(yīng)進(jìn)行了分析：YOUNG-Kil[2]通過有限元仿真發(fā)現(xiàn)渦流效應(yīng)使得檢測(cè)信號(hào)基線漂移并影響信號(hào)幅值;李勇等[3]通過ANSOFT仿真得到了不同深度的裂紋在不同檢測(cè)速度下的檢測(cè)信號(hào)；沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)的楊理踐[4-6]也發(fā)現(xiàn)了高速檢測(cè)信號(hào)的畸變;杜志葉[7]通過ANSOFT仿真分析，發(fā)現(xiàn)了動(dòng)生渦流的集膚效應(yīng)，且速度越大，渦流擴(kuò)散的范圍越大。但目前已有的研究都只分析了檢測(cè)速度對(duì)渦流效應(yīng)以及檢測(cè)信號(hào)的影響，而在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，還有其他因素也會(huì)影響渦流強(qiáng)度，從而影響漏磁檢測(cè)信號(hào)。對(duì)此，筆者分析了影響漏磁檢測(cè)中渦流效應(yīng)的因素，得到了各個(gè)因素對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響。

圖2 磁化器運(yùn)行速度對(duì)渦流分布的影響

1 漏磁檢測(cè)中渦流產(chǎn)生原理

在一定提離距離下，傳感器對(duì)一定尺寸的缺陷進(jìn)行掃查時(shí)，漏磁場(chǎng)大小主要受管壁磁化強(qiáng)度的影響。在檢測(cè)過程中，磁化器和管道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將使管壁內(nèi)產(chǎn)生渦流，管壁內(nèi)渦流強(qiáng)度可如下式表示。

式中：J為電流密度；σ為電導(dǎo)率；v為檢測(cè)速度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)畢奧薩伐爾定律，渦流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)二次磁場(chǎng)。

式中：BEC為渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；J為渦流密度；μ0為真空中磁導(dǎo)率；r為渦流元到測(cè)量點(diǎn)的距離。

該磁場(chǎng)與原磁化器產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加，會(huì)影響管壁的磁化狀態(tài)。由于管道自身具有一定的自感，渦流的變化將產(chǎn)生一定的滯后，渦流分布示意如圖1所示。

圖1 磁化器運(yùn)動(dòng)時(shí)渦流分布示意

在漏磁檢測(cè)時(shí)，傳感器都位于兩磁極正中間的位置，在圖1中，渦流在磁極S下方的鋼管內(nèi)產(chǎn)生并擴(kuò)散至兩磁極中間的檢測(cè)區(qū)域處。根據(jù)式(1)可知渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向，在檢測(cè)區(qū)域，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在管道外表面處與原磁場(chǎng)反向，而在內(nèi)表面處與原磁場(chǎng)同向，因此渦流的作用是使管道內(nèi)壁磁場(chǎng)增大，而使外壁磁場(chǎng)減小。由于漏磁場(chǎng)和管道磁化強(qiáng)度呈正相關(guān)，因此渦流使得內(nèi)壁缺陷信號(hào)增大,而使外壁缺陷信號(hào)減小。

由式(1)可見，渦流強(qiáng)度主要受管壁電導(dǎo)率σ、檢測(cè)速度v和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的影響，因此下面的仿真分析中主要對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。另外，渦流在磁極下方產(chǎn)生后擴(kuò)散至兩磁極中間的檢測(cè)區(qū)域，因此兩磁極之間的間距也會(huì)影響渦流擴(kuò)散至檢測(cè)區(qū)域時(shí)的強(qiáng)度，磁極間距越大則渦流越難擴(kuò)散到檢測(cè)區(qū)域，相應(yīng)的影響也就越小，對(duì)此，在下文的仿真中也將進(jìn)行分析。

2 漏磁信號(hào)影響因素的有限元仿真結(jié)果

在ANSYS中建立仿真模型，模型分為運(yùn)動(dòng)模型和靜止模型兩部分，鋼管位于靜止模型中，磁化器位于運(yùn)動(dòng)模型中，通過瞬態(tài)求解進(jìn)行計(jì)算，在初始求解之后將動(dòng)態(tài)模型移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)再次進(jìn)行求解，重復(fù)此步驟即可得到動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果。

2.1磁化器運(yùn)行速度的影響

圖2給出了磁化器運(yùn)行速度分別為0.2，0.5，1，2，5 m·s-1時(shí)的渦流(圖中數(shù)據(jù)為渦流密度J，單位A·m-2,下同)分布情況。從圖2中可以看出，渦流主要集中在磁極正下方，同時(shí)由于集膚效應(yīng)，靠近磁化器的管道內(nèi)壁處的渦流值比遠(yuǎn)離磁化器的管道外壁處的渦流值更大。

對(duì)比磁化器在不同運(yùn)行速度時(shí)的渦流分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度的提高，渦流密度的值不斷增大，呈現(xiàn)近似正比例線性變化關(guān)系，該結(jié)果也和之前理論分析結(jié)果一致。另外可以注意到，隨著運(yùn)行速度的增大，渦流的擴(kuò)散范圍也逐漸增大，在低速時(shí)渦流分布主要集中在磁極正下方，而在磁化器運(yùn)行速度為5 m·s-1時(shí)，渦流分布“拖”得很長(zhǎng)，這是由管道自身的電感引起的，感應(yīng)渦流相對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)存在一定的滯后。由于實(shí)際檢測(cè)中，傳感器主要布置在兩磁極中間的區(qū)域，低速時(shí)渦流在磁極周圍的分布對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)管道的磁化效果影響很小，因此對(duì)漏磁場(chǎng)的影響也?。欢咚贆z測(cè)時(shí)，渦流分布延長(zhǎng)到傳感器正下方的被檢測(cè)區(qū)域，此時(shí)對(duì)檢測(cè)區(qū)域的磁化以及檢測(cè)信號(hào)都有較大影響。

類似地，可以計(jì)算出0.2，0.5，1，2，5 m·s-1時(shí)管壁內(nèi)磁場(chǎng)(圖中數(shù)據(jù)為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T，下同)分布的情況，結(jié)果如圖3所示。對(duì)比不同速度下的磁場(chǎng)分布，可以很明顯地看出，在低速下管壁內(nèi)的磁場(chǎng)基本呈對(duì)稱分布，并且磁場(chǎng)在管道徑向分布均勻，即內(nèi)外壁的磁場(chǎng)值相等。隨著速度的增大，磁場(chǎng)分布受到渦流磁場(chǎng)的影響越來(lái)越大，磁場(chǎng)關(guān)于磁極中心的對(duì)稱性也越來(lái)越差，和渦流分布類似，也出現(xiàn)了磁場(chǎng)“拖”在后面的情況。在徑向方向，磁場(chǎng)也不再均勻分布，同樣由于集膚效應(yīng)，磁場(chǎng)集中在靠近磁化器的內(nèi)壁處。另外，對(duì)比不同速度時(shí)內(nèi)壁和外壁磁場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于內(nèi)壁磁場(chǎng)，高速時(shí)的磁場(chǎng)值比低速時(shí)的磁場(chǎng)值大；而對(duì)于外壁磁場(chǎng)，高速時(shí)的磁場(chǎng)值要小于低速時(shí)的磁場(chǎng)值。

圖3 磁化器運(yùn)行速度對(duì)管壁磁場(chǎng)分布的影響

在原模型的基礎(chǔ)上分別建立內(nèi)壁和外壁缺陷，同樣進(jìn)行瞬態(tài)仿真，提取兩磁極中間位置磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度即可得到漏磁場(chǎng)信號(hào)，結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，內(nèi)壁缺陷信號(hào)波形的峰谷值隨速度的增大而逐漸增大。如圖4(a)所示，隨著速度的增大，峰谷值從右往左依次增大;而外壁缺陷信號(hào)波形的峰谷值則隨速度的增大而減小;如圖4(b)所示，隨著速度的增大，波形峰谷值從右往左呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這與內(nèi)、外壁磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律一致。

2.2管道材料的影響

管道材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率都會(huì)影響動(dòng)態(tài)磁化時(shí)磁場(chǎng)的分布，材料電導(dǎo)率越大渦流效應(yīng)越明顯，渦流的強(qiáng)度隨磁導(dǎo)率的增大而增大，并且集膚效應(yīng)也更明顯，磁導(dǎo)率的增大同樣使集膚效應(yīng)變得明顯，同時(shí)也會(huì)增大管道整體的磁場(chǎng)值。圖5給出了電導(dǎo)率為2×105,2×106，1×107，2×107，1×108S·m-1時(shí)渦流的分布情況。從圖5可看出，從圖5(a)到圖5(e)電導(dǎo)率逐步增加，渦流強(qiáng)度基本與電導(dǎo)率成正比，另外可看到低電導(dǎo)率時(shí)渦流擴(kuò)散的范圍較大，而高電導(dǎo)率時(shí)渦流基本集中在內(nèi)壁。

電導(dǎo)率對(duì)磁場(chǎng)分布的影響如圖6所示，可見隨著電導(dǎo)率的增大，內(nèi)外壁磁場(chǎng)的不均勻性變得更加明顯，低電導(dǎo)率時(shí)渦流效應(yīng)不是很明顯，內(nèi)外壁磁場(chǎng)值基本相等；高電導(dǎo)率時(shí)集膚效應(yīng)更加明顯，磁場(chǎng)主要集中在靠近磁化器的方向，導(dǎo)致內(nèi)壁磁場(chǎng)值增大、外壁磁場(chǎng)值減小。

圖4 內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)隨速度變化的曲線

圖5 電導(dǎo)率對(duì)渦流分布的影響

圖6 電導(dǎo)率對(duì)磁場(chǎng)分布影響

在管道內(nèi)、外壁分別建立缺陷，得到漏磁場(chǎng)信號(hào)，結(jié)果如圖7所示?？梢?，隨著電導(dǎo)率的增大渦流效應(yīng)更加顯著，導(dǎo)致磁場(chǎng)更多地集中在接近管道內(nèi)壁靠近磁化器的區(qū)域，使得內(nèi)傷信號(hào)峰谷值增大。如圖7(a)所示，由下至上隨著電導(dǎo)率增加，內(nèi)缺陷信號(hào)峰谷值同樣增加；而由于渦流的作用會(huì)使外壁磁場(chǎng)減弱，因此隨著電導(dǎo)率的增大，外壁磁場(chǎng)越來(lái)越弱，相應(yīng)的漏磁場(chǎng)也越小，如圖7(b)所示，由下至上隨著電導(dǎo)率增加，內(nèi)缺陷信號(hào)峰谷值減小。

圖7 內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)隨電導(dǎo)率變化的曲線

2.3磁鐵矯頑力影響

管道內(nèi)檢測(cè)磁化器一般使用釹鐵硼永磁鐵作為磁源，釹鐵硼磁鐵的磁化能力由磁鐵牌號(hào)區(qū)分，常用的幾種磁鐵牌號(hào)為N33,N35,N38,N40，對(duì)應(yīng)的剩磁分別為1.13,1.17,1.22,1.25 T，矯頑力分別為8.9×105,9.3×105,9.7×105,9.9×105A·m-1。圖8給出了牌號(hào)為N33,N35，N38，N40的磁鐵進(jìn)行磁化時(shí)得到的渦流分布情況。由圖8可見，隨著磁鐵矯頑力的增大，管壁內(nèi)的渦流強(qiáng)度也隨之增大。

圖8 不同牌號(hào)磁鐵對(duì)渦流分布的影響

磁鐵牌號(hào)對(duì)管壁內(nèi)磁場(chǎng)分布的影響更加明顯，管壁內(nèi)的磁場(chǎng)隨著磁鐵磁化能力的增強(qiáng)而增大。雖然從式(1)看，渦流強(qiáng)度與管壁磁場(chǎng)成正比，即磁鐵矯頑力的增大會(huì)增大渦流強(qiáng)度，其對(duì)管壁磁化的影響應(yīng)該與速度和管壁電導(dǎo)率的影響類似。但磁鐵矯頑力不僅影響渦流的強(qiáng)度，更直接的影響是增大了管壁的磁化強(qiáng)度，其對(duì)外壁磁場(chǎng)的增大幅度要大于由渦流造成的外壁磁場(chǎng)值的減小，因此當(dāng)磁鐵矯頑力增大時(shí)，管道內(nèi)、外壁磁場(chǎng)值都有所增大。

磁鐵矯頑力對(duì)漏磁信號(hào)的影響如圖10所示，由于磁鐵矯頑力增大時(shí)管道內(nèi)、外壁磁場(chǎng)都有所增大，因此對(duì)應(yīng)地，內(nèi)壁、外壁缺陷漏磁場(chǎng)都有所增大。

圖9 不同牌號(hào)磁鐵對(duì)磁場(chǎng)分布的影響

圖10 內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)隨磁鐵矯頑力變化的曲線

2.4磁極間距影響

從前面的仿真和分析中發(fā)現(xiàn)，渦流主要集中在磁化器的磁極所對(duì)的管道區(qū)域，而傳感器所放置的區(qū)域是兩磁極正中間的位置，磁極附近產(chǎn)生的渦流影響檢測(cè)區(qū)域的磁化從而影響漏磁檢測(cè)信號(hào)。因此磁極間距(即磁化器長(zhǎng)度)對(duì)檢測(cè)有較大影響，當(dāng)磁化器較短時(shí)，磁極與檢測(cè)區(qū)域靠得近，產(chǎn)生的渦流容易影響到檢測(cè)區(qū)域的磁化；而當(dāng)磁化器較長(zhǎng)時(shí)，渦流離檢測(cè)區(qū)域較遠(yuǎn)，其影響也較小。改變磁化器的長(zhǎng)度參數(shù)，分別得到磁化器長(zhǎng)度為75，100，125，150 mm時(shí)的渦流分布結(jié)果，如圖11所示。從圖11可以看出，無(wú)論磁化器長(zhǎng)度怎么樣，渦流都集中在磁極所對(duì)的管壁處，而且渦流強(qiáng)度差不多。

圖12給出的是不同磁化器長(zhǎng)度下的磁場(chǎng)分布結(jié)果，可以看出，當(dāng)磁化器長(zhǎng)度較小時(shí)，磁極中間的檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)分布很不均勻，靠近磁極的內(nèi)壁處的磁場(chǎng)值較大而外壁處的磁場(chǎng)值較??；隨著磁化器長(zhǎng)度的增大，內(nèi)外壁磁場(chǎng)變得更加均勻；當(dāng)磁化器長(zhǎng)度達(dá)到125 mm和150 mm時(shí)，由于渦流離檢測(cè)區(qū)域太遠(yuǎn)，此時(shí)內(nèi)外壁處磁場(chǎng)值已基本相等。

通過仿真計(jì)算得到不同磁化器長(zhǎng)度時(shí)的漏磁信號(hào)，如圖13所示。由圖13可見，磁極間距越小時(shí)，渦流越容易擴(kuò)散到檢測(cè)區(qū)域，檢測(cè)信號(hào)受渦流的影響更大。因此當(dāng)磁極減小時(shí)，渦流逐漸增大，內(nèi)壁缺陷信號(hào)逐漸增大而外壁缺陷信號(hào)逐漸減小。

3 結(jié)論

在管道漏磁內(nèi)檢測(cè)中，渦流影響管壁磁化狀態(tài)，使得內(nèi)壁磁場(chǎng)增強(qiáng)而外壁磁場(chǎng)減弱，因此使得內(nèi)壁缺陷信號(hào)增大而外壁信號(hào)減小。檢測(cè)速度、鋼管電

圖11 磁化器長(zhǎng)度對(duì)渦流分布影響

圖12 磁化器長(zhǎng)度對(duì)磁場(chǎng)分布的影響

圖13 磁化器長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)的影響導(dǎo)率、磁鐵矯頑力和磁極間距都將影響渦流強(qiáng)度和管道磁化狀態(tài)，從而影響檢測(cè)信號(hào)，具體如下：

(1) 檢測(cè)速度的增大導(dǎo)致渦流的增強(qiáng)，從而使內(nèi)壁缺陷信號(hào)增大而外壁缺陷信號(hào)減小。

(2) 鋼管電導(dǎo)率的增大導(dǎo)致渦流的增強(qiáng)，從而使內(nèi)壁缺陷信號(hào)增大而外壁缺陷信號(hào)減小。

(3) 磁鐵矯頑力的增大導(dǎo)致渦流的增強(qiáng)，但更顯著的效果是直接增強(qiáng)內(nèi)、外壁的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而使內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)均增大。

(4) 磁極間距的增大導(dǎo)致渦流擴(kuò)散到檢測(cè)區(qū)域的距離增大，檢測(cè)區(qū)域受渦流的影響減弱，從而使內(nèi)壁缺陷信號(hào)減小而外壁缺陷信號(hào)增大。

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TheFactorsInfluencingDynamicMFLTestingSignalintheInternalInspectionofPipes

ZHENGLi1,HUJing1,XUZhenfeng1,FENGBo2,KANGYihua2

(1.BeijingHuahangRadioMeasurementInstitute,Beijing100013,China;2.SchoolofMechanicalSienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

In the internal inspection of pipes, the relative movement between detection device and pipe will cause eddy current. Some factors such as inspection speed, electrical conductivity of pipe, coercivity of magnet and length of magnetizer will influence the intensity of eddy current, and hence affect the MFL testing signal. This paper analyzes the key factors which influence the intensity of eddy current using finite element methods. Afterwards, finite element models with internal and external defects are built up, and the influence of these factors on MFL signal is obtained.

magnetic flux leakage; internal inspection; velocity effect; eddy current

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0001-07

2017-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401415)

鄭 莉(1984-)，女，高級(jí)工程師，主要從事管道無(wú)損檢測(cè)的研發(fā)工作

呼 婧，284839080@qq.com

10.11973/wsjc201710001