王國(guó)濤， 郭天昊

(1. 中石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司， 江蘇 徐州 221008； 2. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，管道作為運(yùn)輸物料的一種經(jīng)濟(jì)高效的媒介，被廣泛用于輸送水、石油和天然氣等人民生產(chǎn)生活所需物資.管道的安全運(yùn)行保障了油氣等能源的有效運(yùn)輸及充分利用，同時(shí)也是生活基礎(chǔ)的保障.隨著管道運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)家越來(lái)越重視管道安全[1].

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凹形缺陷的信號(hào)檢測(cè)研究居多，對(duì)于不同類型缺陷漏磁信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理研究較少.上海交通大學(xué)的闕沛文、黃作英等人[2-3]對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行了建模分析，提出了三維缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)的計(jì)算方法，利用磁荷法建立了漏磁信號(hào)模型；韓國(guó)Pusan National University的Hui等人[4]利用三維有限元法對(duì)軸向定向裂紋的檢測(cè)進(jìn)行了研究；清華大學(xué)的黃松嶺、劉新萌等人[5-6]對(duì)管道缺陷重構(gòu)方法和儲(chǔ)罐底板的水平凹槽缺陷的量化方法進(jìn)行研究；沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)的楊理踐團(tuán)隊(duì)從不同角度裂紋對(duì)漏磁信號(hào)的影響及油氣管道特殊部件的漏磁檢測(cè)信號(hào)特征進(jìn)行了分析研究[7-8].

本文基于管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理，對(duì)管道上普遍存在的凸形缺陷和凹形缺陷的漏磁信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理和分布特點(diǎn)進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論具有很好的一致性，為管道不同缺陷類型的識(shí)別判定提供了依據(jù).

1 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)技術(shù)建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特性之上，利用永磁鐵通過(guò)鋼刷對(duì)管壁進(jìn)行充分磁化，使其達(dá)到飽和或近飽和狀態(tài)，當(dāng)管道中不存在缺陷時(shí)，磁力線平行于管道內(nèi)部；當(dāng)管道存在缺陷時(shí)，磁力線被其表面或近表面的缺陷阻隔，使部分磁力線漏出管道表面，產(chǎn)生漏磁通.在漏磁檢測(cè)過(guò)程中，霍爾傳感單元檢測(cè)到的漏磁信號(hào)主要由磁化裝置產(chǎn)生的背景磁場(chǎng)、缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)及渦流磁場(chǎng)等部分組成，通過(guò)分析信號(hào)的基值和變化值，從而判斷缺陷的存在和特征.管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理圖如圖1所示.

圖1 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理圖Fig.1 Principle diagram for internal detection of magnetic flux leakage of pipeline

2 模型建立

2.1 凹形缺陷漏磁場(chǎng)理論模型

當(dāng)鐵磁性試件被磁化時(shí)，試件的磁感應(yīng)線被試件表面處凹形缺陷阻隔，當(dāng)遇到兩種不同磁導(dǎo)率介質(zhì)的分界面時(shí)，磁感應(yīng)線會(huì)發(fā)生折射，部分磁感應(yīng)線泄漏出試件表面，形成漏磁場(chǎng).凹形缺陷漏磁場(chǎng)分布示意圖如圖2所示.

圖2 凹形缺陷漏磁場(chǎng)分布示意圖Fig.2 Schematic diagram for magnetic flux leakage field distribution of concave defect

圖2中，H為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，B1和B2分別為試件內(nèi)和缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度，θ1和θ2分別為在試件內(nèi)部和缺陷處的磁感應(yīng)線與分界面法線的夾角，n為分界面上法線方向.當(dāng)外加水平方向磁場(chǎng)H時(shí)，磁感應(yīng)線在試件缺陷邊緣處發(fā)生折射，根據(jù)磁通連續(xù)性原理，在磁導(dǎo)率不同的介質(zhì)分界面上，不同介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足

B2n=B1n

(1)

H2t=H1t

(2)

式中：B1n和B2n分別為試件和缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量，B1n=B1cosθ1，B2n=B2cosθ2；H1t和H2t分別為試件處和空氣中磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量，H1t=H1sinθ1，H2t=H2sinθ2.將式(1)、(2)進(jìn)行相除，得到

(3)

式中，H1和H2分別為試件和缺陷處磁場(chǎng)強(qiáng)度.設(shè)試件中磁導(dǎo)率為μ1，空氣中磁導(dǎo)率為μ2，真空中磁導(dǎo)率為μ0，則磁感應(yīng)強(qiáng)度可以表示為

B1=μ0μ1H1

(4)

B2=μ0μ2H2

(5)

將式(4)、(5)代入式(3)可得

(6)

由于鐵磁性材料的磁導(dǎo)率μ1?1，空氣中磁導(dǎo)率μ2=1，通過(guò)式(6)可得到θ1≈90°，θ2≈0°，此時(shí)鐵磁性試件內(nèi)的磁感應(yīng)線與分界面平行.凹形缺陷處產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)主要依賴于磁感應(yīng)線的折射作用，且折射角度與試件磁導(dǎo)率和缺陷處磁導(dǎo)率有關(guān).

2.2 凸形缺陷漏磁場(chǎng)理論模型

凸形缺陷產(chǎn)生的漏磁信號(hào)與凹形缺陷產(chǎn)生的漏磁信號(hào)機(jī)理不同，凸形缺陷產(chǎn)生的磁場(chǎng)示意圖如圖3所示.

圖3 凸形缺陷漏磁場(chǎng)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram for magnetic flux leakage field distribution of convex defect

當(dāng)鐵磁性試件被磁化，外加磁場(chǎng)到達(dá)試件凸形缺陷時(shí)，磁感應(yīng)線不會(huì)發(fā)生折射，而是對(duì)試件的凸起部分進(jìn)行充磁，此時(shí)凸起部分相當(dāng)于被充磁后的永久磁鐵，在空氣中產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，影響缺陷漏磁場(chǎng)分布.由于永磁鐵磁感應(yīng)線的閉合特性，使得凸形缺陷自身產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相反，且該附加磁場(chǎng)的大小取決于磁勢(shì)密度，磁勢(shì)密度可以表示為

(7)

式中：M為凸形缺陷產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)強(qiáng)度；S為環(huán)繞凸起部分的曲面；R為源點(diǎn)和場(chǎng)點(diǎn)之間的距離；為散度算子；τ為凸起部分的整個(gè)積分區(qū)域.

由式(7)可知，凸形缺陷的漏磁場(chǎng)主要與產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，由于附加磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反，影響缺陷的磁化狀態(tài)，導(dǎo)致凸形缺陷處產(chǎn)生負(fù)向漏磁通.

根據(jù)上述分析可知，凹形缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)信號(hào)特征為正向上升信號(hào)，凸形缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)信號(hào)特征為反向下降信號(hào).當(dāng)進(jìn)行管道漏磁內(nèi)檢測(cè)時(shí)，可以根據(jù)信號(hào)特征和缺陷類型之間的映射關(guān)系識(shí)別缺陷的類型，從而實(shí)現(xiàn)特殊缺陷甚至管道特殊部件缺陷的檢測(cè)和識(shí)別.

3 仿真分析

3.1 模型建立

仿真模型主要由永磁鐵、鋼刷、軛鐵及描述漏磁檢測(cè)實(shí)際環(huán)境的空氣場(chǎng)組成.采用永磁鐵為整個(gè)模型提供磁化場(chǎng)，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.05，設(shè)置兩處永磁鐵磁極方向相反，矯頑力分別為±896 000 A/m，設(shè)置軛鐵模型的磁導(dǎo)率為186 000 H/m，鋼刷模型的磁導(dǎo)率為186 000 H/m，被測(cè)管道材料為X52，通過(guò)BH曲線設(shè)置管道的屬性.仿真模型的具體幾何參數(shù)如表1所示.

表1 仿真模型幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of simulation model mm

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 凹形缺陷和凸形缺陷磁場(chǎng)分析

為了分析凹形缺陷和凸形缺陷的漏磁場(chǎng)分布特點(diǎn)及規(guī)律，本文以補(bǔ)板代表凸形缺陷，對(duì)不同類型缺陷進(jìn)行仿真分析.設(shè)置管道缺陷深度為8 mm，寬度為50 mm，長(zhǎng)度為20 mm；補(bǔ)板厚度為10 mm，寬度為140 mm，管道缺陷和補(bǔ)板的三維磁通密度云圖如圖4所示.

圖4 缺陷與補(bǔ)板磁通密度云圖Fig.4 Nephogram of magnetic flux density for patch plate and defect

如圖4a所示，管道凹形缺陷即壁厚減薄處磁通密度變大，最大處約為1.6 T，顏色較深，主要由于凹形缺陷折射出表面的漏磁場(chǎng)信號(hào)方向與原磁場(chǎng)方向相同，產(chǎn)生正向磁通泄漏，導(dǎo)致信號(hào)增加；如圖4b所示，補(bǔ)板(凸形缺陷)處磁通密度比管體上磁通密度低，約為0.8 T，主要由于補(bǔ)板處管壁增厚，凸形缺陷本身產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，與原磁場(chǎng)方向相反，產(chǎn)生負(fù)向磁通泄漏，使得信號(hào)變小，且補(bǔ)板中心位置磁通密度比兩邊大.

3.2.2 補(bǔ)板缺陷磁場(chǎng)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性，分析了不同類型缺陷的漏磁信號(hào)特點(diǎn)，在管道補(bǔ)板(凸形缺陷)上設(shè)置凹形缺陷，設(shè)置補(bǔ)板上缺陷寬度40 mm，厚度為補(bǔ)板的50%，位于磁化器中心位置，管道上補(bǔ)板缺陷三維磁通密度云圖如圖5所示.

圖5 管道上補(bǔ)板缺陷磁通密度云圖Fig.5 Nephogram of magnetic flux density for defect on patch plate

進(jìn)一步討論不同缺陷處漏磁場(chǎng)信號(hào)分布特點(diǎn)，提取不同軸向距離和徑向距離處的缺陷漏磁信號(hào)的軸向分量，繪制整體圖像，其中軸向距離為管道軸向長(zhǎng)度坐標(biāo)，徑向距離為管道周向?qū)挾?，幅值為漏磁軸向分量的幅值大小.圖6為補(bǔ)板(凸形缺陷)和補(bǔ)板上存在凹形缺陷時(shí)漏磁信號(hào)分布圖.

如圖6a所示，補(bǔ)板(凸形缺陷)上產(chǎn)生的漏磁信號(hào)先降后升；如圖6b所示，當(dāng)補(bǔ)板上存在凹形缺陷時(shí)，整個(gè)補(bǔ)板漏磁軸向信號(hào)中間存在另一個(gè)極性相反的缺陷漏磁信號(hào)軸向分量，產(chǎn)生的漏磁信號(hào)為先降、后升再下降的變化趨勢(shì)，與理論分析結(jié)果一致.

圖6 補(bǔ)板與補(bǔ)板缺陷漏磁信號(hào)分布Fig.6 Distribution of magnetic flux leakage signal on patch plate and patch plate defect

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中采用永磁勵(lì)磁的管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器對(duì)管道進(jìn)行漏磁檢測(cè)，管道材質(zhì)為X52鋼，管道壁厚15 mm，管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器上磁化裝置和檢測(cè)傳感器沿管道環(huán)向排列，在管道上分別制作不同類型缺陷，如補(bǔ)板以及補(bǔ)板缺陷等，利用霍爾傳感器檢測(cè)缺陷處漏磁信號(hào).實(shí)驗(yàn)示意圖如圖7所示.

圖7 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of experiment

4.2 結(jié)果分析

采用圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)不同類型缺陷漏磁信號(hào)的軸向分量值.為了更清晰直觀地分析漏磁信號(hào)規(guī)律，提取傳感器多路檢測(cè)通道下的漏磁信號(hào).徑向坐標(biāo)為檢測(cè)通道數(shù)，橫坐標(biāo)為跨度，即管道的長(zhǎng)度.圖8為補(bǔ)板(凸形缺陷)和補(bǔ)板上存在凹形缺陷時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖.

圖8 補(bǔ)板與補(bǔ)板缺陷漏磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of magnetic flux leakage on patch plate and patch plate defect

如圖8所示，補(bǔ)板(凸形缺陷)以及補(bǔ)板缺陷漏磁信號(hào)軸向分量的變化趨勢(shì)與仿真分析結(jié)果一致.由于軸向長(zhǎng)度選取的范圍較大，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以很直觀地看出在沒(méi)有缺陷的位置處信號(hào)均勻平穩(wěn)，在補(bǔ)板(凸形缺陷)和補(bǔ)板上凹形缺陷處有明顯的漏磁信號(hào)的變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論、仿真分析具有很好的一致性，通過(guò)該信號(hào)特點(diǎn)可以進(jìn)一步確認(rèn)管道上缺陷類型.

5 結(jié) 論

本文分析了凹形缺陷和凸形缺陷的漏磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理，凹形缺陷處磁感應(yīng)線發(fā)生折射，使得漏磁場(chǎng)信號(hào)方向與原磁場(chǎng)方向相同，產(chǎn)生正向磁通泄漏，凹形缺陷漏磁信號(hào)呈先增大后減小，輪廓呈凸形分布趨勢(shì)；凸形缺陷在磁化過(guò)程中產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，與原磁場(chǎng)方向相反，產(chǎn)生負(fù)向漏磁通，凸形缺陷漏磁信號(hào)先減小后增大，輪廓呈凹形分布.對(duì)不同類型缺陷進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析具有很好的一致性，通過(guò)信號(hào)分布特點(diǎn)可準(zhǔn)確識(shí)別不同類型信號(hào)的缺陷類型，為管道特殊缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)與判別提供依據(jù).