高慧

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017）

應(yīng)用漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)油氣管道腐蝕缺陷進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)，是目前常用的檢測(cè)方法之一[1]。當(dāng)管壁中存在腐蝕缺陷時(shí)，磁通會(huì)泄漏到管壁表面，形成漏磁通。傳感器采集到的漏磁場(chǎng)信號(hào)的特征與缺陷外形密切相關(guān)[2]，由于缺陷的種類、形狀十分復(fù)雜，缺陷幾何形狀與尺寸的不同可能會(huì)產(chǎn)生不同或相似的磁場(chǎng)分布，因此無(wú)法直接從漏磁場(chǎng)信號(hào)的外形判斷缺陷的外形參數(shù)。本文在現(xiàn)有缺陷漏磁場(chǎng)理論研究的基礎(chǔ)上，建立有限元仿真模型，模擬實(shí)際管道漏磁檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作狀態(tài)下的缺陷漏磁場(chǎng)分布情況，為提高管道缺陷量化分析精度提供理論依據(jù)。

1 建立有限元仿真模型

以管道軸向磁化作為研究對(duì)象，運(yùn)用Opera-3D軟件對(duì)油氣管道腐蝕缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真實(shí)驗(yàn)[3]。實(shí)際管道與檢測(cè)器的三維模型中，外側(cè)圓柱筒為實(shí)際測(cè)量管道，在管道內(nèi)部均勻分布有六套檢測(cè)模塊，每一套模塊都是由永磁體與背鐵組成。三維管道模型及檢測(cè)模塊軸向截面如圖1所示。

圖1 三維管道模型及檢測(cè)模塊軸向截面

2 仿真分析

缺陷仿真參數(shù)包括：管徑為457 mm，管壁厚度為14.6 mm（下面用P代表管壁厚度）；牽拉速度為1 m/s；傳感器位于管道內(nèi)表面提離值4 mm處。

2.1 缺陷深度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系

管道的損壞和腐蝕程度主要與缺陷深度有關(guān)，是評(píng)價(jià)腐蝕管線剩余強(qiáng)度的主要指標(biāo)。

當(dāng)缺陷寬度/長(zhǎng)度比為1/3，缺陷長(zhǎng)度、寬度不變（分別為9P和3P）的情況下，改變?nèi)毕萆疃龋?.2P，0.3P，0.4P，0.5P，0.6P，0.7P，0.8P，0.9P）。觀察漏磁場(chǎng)與缺陷深度的關(guān)系，得到漏磁場(chǎng)的原始信號(hào)波形，如圖2所示。

圖2 不同深度缺陷的漏磁場(chǎng)信號(hào)（寬長(zhǎng)比＝1/3）

在缺陷寬度/長(zhǎng)度比為1（均為3P）時(shí)，步驟同上，觀察漏磁場(chǎng)峰谷值與缺陷深度的關(guān)系，如圖3.

圖3 不同深度缺陷的漏磁場(chǎng)信號(hào)（寬長(zhǎng)比=1）

漏磁場(chǎng)峰谷值與缺陷深度的數(shù)據(jù)關(guān)系曲線，如圖4.

圖4 不同寬長(zhǎng)比下缺陷深度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系曲線

由仿真結(jié)果可見，漏磁場(chǎng)峰谷值與缺陷深度之間呈明顯的二次關(guān)系，漏磁場(chǎng)的峰谷值越大，表示缺陷深度越深，同時(shí)還需要用缺陷的寬度/長(zhǎng)度比與寬度等參數(shù)進(jìn)行一定的修正。

2.2 缺陷長(zhǎng)度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系

取缺陷寬度為11.68 mm；深度為2.92 mm（20%壁厚）；缺陷長(zhǎng)度分別為 3P、4P、5P、6P、7P、8P、9P 和10P.觀察漏磁場(chǎng)與缺陷長(zhǎng)度的關(guān)系，得到的漏磁場(chǎng)原始信號(hào)波形如圖5所示。

漏磁場(chǎng)跨度與缺陷長(zhǎng)度的原始數(shù)據(jù)曲線和一次擬合曲線如圖6所示。

圖5 不同長(zhǎng)度缺陷的漏磁場(chǎng)信號(hào)

圖6 原始數(shù)據(jù)與擬合曲線

由仿真結(jié)果可見，在缺陷其他外形尺寸不變、僅改變?nèi)毕蓍L(zhǎng)度的情況下，缺陷長(zhǎng)度越大，缺陷漏磁場(chǎng)跨度越大，而漏磁場(chǎng)幅值則隨著缺陷長(zhǎng)度的增加而變小，漏磁場(chǎng)跨度與缺陷長(zhǎng)度呈明顯的線性關(guān)系。漏磁場(chǎng)的跨度越大，表示缺陷長(zhǎng)度越大。由圖5可看出，由于缺陷長(zhǎng)度對(duì)漏磁場(chǎng)幅值的影響，如果采取統(tǒng)一的閾值，會(huì)出現(xiàn)深度較淺、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的缺陷的漏磁場(chǎng)跨度與深度較深、長(zhǎng)度較短的漏磁場(chǎng)跨度相同的情況。

2.3 缺陷寬度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系

取缺陷長(zhǎng)度為43.8 mm、缺陷深度為2.92 mm（20%壁厚），缺陷寬度分別為 3P，4P，5P，6P，7P，8P，9P，10P；傳感器位于管道內(nèi)表面提離值4 mm處。觀察漏磁場(chǎng)與缺陷寬度的關(guān)系，得到漏磁場(chǎng)周向信號(hào)的原始波形，如圖7所示。

漏磁場(chǎng)周向?qū)挾扰c缺陷寬度的原始數(shù)據(jù)曲線和二次擬合曲線如圖8所示，其中橫軸表示漏磁場(chǎng)周向?qū)挾?，縱軸表示缺陷寬度。

圖7 不同寬度缺陷的漏磁場(chǎng)信號(hào)

圖8 原始數(shù)據(jù)與擬合曲線

由圖8中看到，缺陷寬度與漏磁場(chǎng)的周向峰谷值有關(guān)。在不改變漏磁場(chǎng)周向峰谷值的情況下（通過(guò)保持寬長(zhǎng)比不變和調(diào)節(jié)缺陷深度來(lái)實(shí)現(xiàn)），缺陷寬度與漏磁場(chǎng)周向信號(hào)的關(guān)系如圖9所示。

漏磁場(chǎng)周向?qū)挾扰c缺陷寬度的原始數(shù)據(jù)曲線和一次擬合曲線，如圖10所示。

圖9 峰谷值不變時(shí)不同寬度缺陷的漏磁場(chǎng)周向信號(hào)

圖10 原始曲線與擬合曲線

綜合不同漏磁場(chǎng)幅值時(shí)的曲線，可以得到圖11.

圖11 缺陷寬度與漏磁場(chǎng)寬度的關(guān)系

由圖11可見，在漏磁場(chǎng)峰谷值一定的情況下，缺陷寬度和漏磁場(chǎng)周向?qū)挾然颈３志€性關(guān)系，但是在缺陷寬度不變的情況下，如果漏磁場(chǎng)峰谷值增大，漏磁場(chǎng)周向?qū)挾葧?huì)變小。

3 結(jié)論

通過(guò)仿真分析可知：只根據(jù)漏磁感應(yīng)強(qiáng)度判斷缺陷深度，將會(huì)出現(xiàn)較明顯的誤差，還應(yīng)考慮到缺陷長(zhǎng)寬比與寬度等參數(shù)的影響；只根據(jù)漏磁場(chǎng)幅值評(píng)估腐蝕管道的危險(xiǎn)程度，往往會(huì)忽視較長(zhǎng)的缺陷，而這些較長(zhǎng)缺陷對(duì)管道的威脅明顯高于較短的缺陷；在采用沿管道軸向磁化的檢測(cè)方式時(shí)，寬度越小、長(zhǎng)度越長(zhǎng)的缺陷所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)越不明顯，不易被檢出；反之，寬度越大、長(zhǎng)度越小的缺陷的漏磁場(chǎng)較為明顯；同時(shí)，對(duì)于寬度小的缺陷，其所覆蓋的漏磁場(chǎng)的傳感器個(gè)數(shù)較少，因此會(huì)降低檢測(cè)精度。

[1]張士華，初新杰，孫永泰，等.海底管線缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究[J].裝備制造技術(shù)，2011（09）：142-144.

[2]蔣 奇.管道缺陷漏磁檢測(cè)量化技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[3]孫永泰.管道裂紋缺陷漏磁場(chǎng)的有限元仿真[J].測(cè)控技術(shù)，2012（09）：96-98.