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        雙金屬復(fù)合管缺陷弱磁檢測影響因素仿真分析

        2020-02-27 03:22:36杜書強(qiáng)2馮淑路3劉書海
        石油礦場機(jī)械 2020年1期
        關(guān)鍵詞:裂紋檢測模型

        馬 濤,張 行,杜書強(qiáng)2,馮淑路3,劉書海

        (1.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 ,北京 102249;2.中船重工鵬力(南京)超低溫技術(shù)有限公司,南京 211100;3.中國石油西南管道公司,成都 610041)①

        雙金屬復(fù)合管是由襯管和基管通過特定的結(jié)合方式生產(chǎn)而成,襯管通常選用不銹鋼等材料以保證管道的防腐性能[1],基管通常選取碳鋼等材料以保證管道的力學(xué)性能[2],結(jié)合方式主要分為機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合兩種[3]。近10 a來,雙金屬復(fù)合管技術(shù)發(fā)展加快,被廣泛應(yīng)用于石油、石化等領(lǐng)域并取得了良好的社會(huì)效益,成為一種發(fā)展較快的工程管道[4]。目前,國內(nèi)累計(jì)使用雙金屬復(fù)合管已超過2 000 km[5]。

        由于雙金屬復(fù)合管的制造及使用技術(shù)尚未成熟,且在使用過程中受環(huán)境影響,易在焊縫部位產(chǎn)生腐蝕[6],雙金屬管道腐蝕檢測問題越來越得到重視。雙金屬復(fù)合管的結(jié)構(gòu)特殊,且內(nèi)襯不銹鋼管對(duì)磁信號(hào)有屏蔽作用,導(dǎo)致常規(guī)漏磁內(nèi)檢測等無損檢測技術(shù)[7]無法有效地對(duì)其進(jìn)行檢測。

        弱磁檢測技術(shù)利用地磁場在管道內(nèi)產(chǎn)生磁感應(yīng)信號(hào),傳感器置于雙金屬復(fù)合管上方沿著管道移動(dòng),當(dāng)被檢測管道存在內(nèi)壁腐蝕、裂紋、穿孔等缺陷[8]時(shí),磁場發(fā)生畸變[9],磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生變化,傳感器檢測到發(fā)生異常的磁感應(yīng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)管道缺陷的定位與識(shí)別,如圖1所示。近年來,韓燁[10]對(duì)弱磁檢測技術(shù)開展了理論研究,驗(yàn)證了弱磁檢測技術(shù)能夠在非開挖條件下快速檢測金屬埋地管道缺陷。董鵬飛[11]等人設(shè)計(jì)了基于弱磁檢測的煤層氣管道缺陷識(shí)別系統(tǒng)研究,驗(yàn)證了弱磁檢測對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道缺陷具有較強(qiáng)的辨識(shí)能力。奐光潤[12]等人基于弱磁無損檢測方法,檢測出副井提升鋼絲繩內(nèi)外部斷絲、銹蝕、磨損、斷面變形等情況,提高了檢修效率。Bin Liu[13]等人通過長距離油氣運(yùn)輸管道弱磁檢測,驗(yàn)證了弱磁信號(hào)與應(yīng)力集中之間存在一對(duì)一的線性關(guān)系。于潤橋[14]等人采用自主研發(fā)的弱磁檢測系統(tǒng),驗(yàn)證了弱磁檢測技術(shù)在雙金屬復(fù)合管管體及焊縫缺陷檢測中的可行性。

        圖1 弱磁檢測示意

        1 建模及仿真

        1.1 建立缺陷管道模型

        以某儲(chǔ)氣庫注氣管道L415QB+316L型雙金屬復(fù)合管為例,外層管壁厚為10 mm,內(nèi)層管壁厚為2 mm。通過ANSYS有限元軟件建立管道模型,即,以雙層板式樣作為雙金屬管道模型,設(shè)置兩層板結(jié)合方式為粘接,在模型板中心設(shè)置模擬缺陷,假設(shè)寬度為x方向、深度為y方向、長度為z方向,如圖2所示。模型尺寸(寬×深×長)為100 mm×(2 mm+10 mm)×300 mm。

        圖2 雙層板金屬模型

        通過建立的雙層板模型模擬多工況下雙金屬復(fù)合管的腐蝕情況,設(shè)置不同缺陷進(jìn)行仿真,包括不同腐蝕面積、不同腐蝕深度、不同管壁裂紋形狀以及多缺陷組合等,分析不同腐蝕模型對(duì)雙金屬復(fù)合管弱磁檢測技術(shù)的影響。腐蝕缺陷模型如圖3所示。圖3a,腐蝕深度為1 mm,腐蝕面積分別為20 mm×20 mm、20 mm×30 mm、20 mm×40 mm、20 mm×50 mm。圖3b,內(nèi)壁腐蝕且腐蝕深度發(fā)生變化,設(shè)置腐蝕面積為20 mm×30 mm,腐蝕深度分別為1、2、7、12 mm。圖3c,管道外壁裂紋,裂紋形狀分別為槽型、V型以及組合型。圖3d,為組合缺陷模型,包括腐蝕穿孔及內(nèi)部腐蝕2種形式。

        a 不同腐蝕面積試件

        b 不同腐蝕深度試件

        c 不同裂紋試件

        d 組合缺陷試件

        1.2 材料屬性定義及網(wǎng)格劃分

        弱磁檢測是利用材料的相對(duì)磁導(dǎo)率和缺陷內(nèi)部磁導(dǎo)率的差異進(jìn)行檢測,得到對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度值。根據(jù)分析問題的物理性質(zhì),弱磁檢測屬于靜磁場問題。在ANSYS單元庫中選用單元SOLID96磁標(biāo)量勢分析靜磁場,其自由度為磁標(biāo)量勢MAG[15]。設(shè)置空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1,316L奧氏體不銹鋼為非磁性材料[16],其磁導(dǎo)率與空氣相差較小,取1.02。L415QB材料對(duì)于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率則相差較大,定義其磁導(dǎo)率大小為100。除以上3種材料磁導(dǎo)率外,在管道缺陷處為其他物質(zhì)或空氣,需設(shè)置不同磁導(dǎo)率。本文以腐蝕區(qū)域填充物質(zhì)為空氣進(jìn)行分析。材料屬性添加完成,進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分,采用網(wǎng)格劃分工具M(jìn)esh Tool劃分單元網(wǎng)格,由于模型結(jié)構(gòu)中存在不均勻部分,故采用自由網(wǎng)格劃分,設(shè)置網(wǎng)格劃分等級(jí)為1,選取網(wǎng)格形狀為四面體單元。

        1.3 施加載荷與求解

        在仿真分析中對(duì)雙金屬復(fù)合管模型施加地磁場相同大小場強(qiáng)來模擬地磁場,地磁場強(qiáng)值約為0.5 Gs[17],即5×10-5T,因此,在仿真軟件中施加地磁場時(shí)設(shè)置磁標(biāo)量為39.8 A/m。靜磁場求解時(shí)磁通量平行邊界條件自動(dòng)滿足,因此不需要另外加載邊界條件。求解時(shí)選用MAGSOLV宏,它對(duì)大多數(shù)靜磁分析問題能很快地定義求解選項(xiàng)并開始求解。求解結(jié)束,查看各個(gè)模型磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖并進(jìn)行分析。

        2 仿真結(jié)果分析

        2.1 缺陷面積對(duì)弱磁檢測的影響

        為探究腐蝕面積改變對(duì)弱磁檢測技術(shù)的影響,建立管道內(nèi)壁缺陷尺寸(寬×深×長):20 mm×1 mm×20 mm、20 mm×1 mm×30 mm、20 mm×1 mm×40 mm、20 mm×1 mm×50 mm的腐蝕區(qū)域,腐蝕區(qū)域填充物質(zhì)為空氣,求解后得到磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖,如圖5所示。由圖5可以看出,當(dāng)管道存在腐蝕缺陷時(shí),其磁感應(yīng)強(qiáng)度在腐蝕位置發(fā)生變化。對(duì)比圖4中的4幅圖可知,當(dāng)腐蝕面積改變時(shí)磁異常區(qū)域也發(fā)生改變。

        圖4 不同面積腐蝕缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

        在圖4缺陷長度方向(z方向)取相同路徑長度,提取數(shù)據(jù)點(diǎn),分析磁異常信號(hào),如圖5所示,橫坐標(biāo)為管道模型沿z方向提取路徑距離,縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度值,4條曲線分別表示4種不同類型的腐蝕缺陷面積模型。由圖5可知,管道未腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定,腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化。對(duì)比4條曲線,磁感應(yīng)強(qiáng)度變化區(qū)域隨著面積變化也隨之變寬,但磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值和最小值基本保持不變。

        圖5 不同腐蝕面積磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

        通過提取不同腐蝕面積下最大值和最小值,如表1所示,隨著腐蝕面積的改變,所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大、最小值幾乎不變,分別穩(wěn)定在0.024 390 T和0.023 858 T左右,其差值同樣十分接近,為0.000 53 T左右,因此,可以判斷腐蝕面積大小對(duì)弱磁檢測技術(shù)影響較小。

        表1 不同面積腐蝕缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度值

        2.2 不同腐蝕深度對(duì)弱磁檢測的影響

        為分析雙金屬復(fù)合管腐蝕深度改變對(duì)弱磁檢測技術(shù)的影響,分別建立不同深度缺陷模型(寬×深×長):內(nèi)層管部分腐蝕(20 mm×1 mm×30 mm)、內(nèi)層管完全腐蝕但未腐蝕至外層管(20 mm×2 mm×30 mm)、內(nèi)層管完全腐蝕且外層管部分腐蝕(20 mm×7 mm×30 mm)、復(fù)合管腐蝕穿孔(20 mm×12 mm×30 mm)4種類型,腐蝕區(qū)域填充物質(zhì)為空氣,磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖6所示。對(duì)比圖6的4幅圖,當(dāng)腐蝕深度改變時(shí),磁異常區(qū)域也發(fā)生改變。

        圖6 不同腐蝕深度磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

        在圖6缺陷長度方向(z方向)取相同路徑長度,提取數(shù)據(jù)點(diǎn)分析磁異常信號(hào),如圖7所示。根據(jù)不同腐蝕深度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線對(duì)比,橫坐標(biāo)為管道模型沿z方向提取路徑距離,縱坐標(biāo)為地磁場作用下帶腐蝕缺陷管道磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,4條曲線分別表示4種不同類型的腐蝕深度缺陷模型。由圖7可知,管道未腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定,腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化,腐蝕深度變化時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍也發(fā)生改變。

        圖7 不同深度腐蝕缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

        提取不同腐蝕深度下磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值和最小值,如表2所示。4種不同深度腐蝕模型所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最值相差較大,其差值為0.000 49~0.238 52 T。

        表2 不同深度腐蝕缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度值

        對(duì)不同腐蝕深度雙金屬復(fù)合管模型仿真結(jié)果進(jìn)行分析,雙金屬復(fù)合管道結(jié)構(gòu)的特殊,由兩種不同材質(zhì)金屬內(nèi)外結(jié)合而成,當(dāng)管道由內(nèi)部開始向外腐蝕時(shí),不同腐蝕類型所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律有較大的差異。對(duì)比圖6a和圖6b兩種模型可知:當(dāng)腐蝕面積保持不變,腐蝕類型分別為內(nèi)層管部分腐蝕和內(nèi)層管完全腐蝕,兩種腐蝕模型所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律、最大值、最小值較為接近。對(duì)比圖6c和圖6d可知:當(dāng)腐蝕面積保持不變,腐蝕類型分別為外層管部分腐蝕模型和完全腐蝕穿孔模型時(shí),產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律、最大值、最小值有較大差異。在從內(nèi)壁開始腐蝕直至腐蝕穿孔的整個(gè)變化過程中,其磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律發(fā)生較大的變化。雙金屬復(fù)合管腐蝕深度的改變對(duì)弱磁檢測技術(shù)有一定影響,同時(shí)也可以利用不同腐蝕深度模型所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的差異性,在實(shí)際檢測中判斷雙金屬復(fù)合管道受腐蝕程度。

        2.3 不同管道裂紋對(duì)弱磁檢測的影響

        為分析雙金屬復(fù)合管管道裂紋改變對(duì)弱磁檢測技術(shù)的影響,分別建立不同裂紋缺陷模型,包括槽型裂紋、V型裂紋以及組合型裂紋,裂紋區(qū)域填充物質(zhì)為空氣,求解得磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖,如圖8所示。圖8a為槽型裂紋,裂紋深度為4 mm,尺寸設(shè)置(寬×深×長)為2 mm×4 mm×40 mm。8b為V型裂紋,裂紋深度為4 mm,開口寬為2 mm,裂紋長度為40 mm。8c為組合型裂紋,開口寬為4 mm,裂紋長度為40 mm,裂紋深4 mm,其中表面至2 mm深處為槽型,2 mm至4 mm深處為V型。由圖8可以看出,當(dāng)管道存在腐蝕缺陷時(shí),其磁感應(yīng)強(qiáng)度在腐蝕位置發(fā)生變化,對(duì)比3幅圖可知,當(dāng)裂紋形狀改變時(shí),磁異常區(qū)域也發(fā)生改變。

        a 槽型裂紋

        b V型裂紋

        c 組合型裂紋

        在圖8缺陷長度方向(z方向)取相同路徑長度,提取數(shù)據(jù)點(diǎn),分析磁異常信號(hào),如圖9所示,橫坐標(biāo)為管道模型沿z方向提取路徑距離,縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。3條曲線分別表示3種不同類型的管道裂紋缺陷模型。由圖9可知,管道未腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定,但在裂紋區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化,且隨著裂紋形狀的改變,磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線也隨著產(chǎn)生一定的變化。

        圖9 不同裂紋模型磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

        提取不同裂紋形狀下磁感應(yīng)強(qiáng)度最值,如表3所示。

        表3 不同裂紋模型磁感應(yīng)強(qiáng)度值

        隨著裂紋形狀的改變,所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最值及變化規(guī)律基本相同,最大、最小值分別穩(wěn)定在0.029 145 T和0.000 26 T左右,并且其差值穩(wěn)定在0.028 88 T左右。通過對(duì)該仿真分析,可以判斷不同形狀裂紋缺陷對(duì)弱磁檢測技術(shù)影響較小。

        2.4 組合型缺陷對(duì)弱磁檢測的影響

        建立圓形腐蝕穿孔缺陷及槽型裂紋缺陷組合模型,其中腐蝕穿孔設(shè)置為直徑為6 mm圓孔,槽型裂紋尺寸與圖8a相同,腐蝕及裂紋區(qū)域填充物質(zhì)為空氣,求解得磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖,如圖10所示。

        圖10 組合缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

        在圖10缺陷長度方向(z方向)取相同路徑長度,提取數(shù)據(jù)點(diǎn),分析磁異常信號(hào),如圖11所示,橫坐標(biāo)為管道模型沿z方向提取路徑距離,縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。

        由圖11可知,管道未腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定,但在右端圓孔處和左端槽型裂紋處呈現(xiàn)出磁感應(yīng)強(qiáng)度變化,兩種缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律與單個(gè)缺陷的變化規(guī)律相同。

        圖11 組合型缺陷模型磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

        通過提取組合型下磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值和最小值,如表4所示,磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值產(chǎn)生于裂紋處,為0.028 993 T,最小值產(chǎn)生于圓孔處為0.000 26 T,判斷組合型缺陷對(duì)弱磁檢測技術(shù)影響較小。

        表4 組合型缺陷模型磁感應(yīng)強(qiáng)度值

        3 結(jié)論

        1) 根據(jù)雙金屬復(fù)合管特性,以及弱磁檢測技術(shù)原理,使用ANSYS有限元軟件對(duì)雙金屬復(fù)合管弱磁檢測技術(shù)進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了弱磁檢測技術(shù)對(duì)雙金屬復(fù)合管缺陷檢測的可行性。

        2) 分析了不同缺陷對(duì)弱磁檢測技術(shù)的影響,當(dāng)管道腐蝕面積發(fā)生變化時(shí),各模型磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律及變化范圍基本相同,腐蝕區(qū)域面積的改變對(duì)弱磁檢測影響較?。划?dāng)管道腐蝕深度發(fā)生變化時(shí),由于雙金屬復(fù)合管道結(jié)構(gòu)特殊性,各模型磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律及變化范圍相差較大,腐蝕深度的改變對(duì)弱磁檢測有較大影響,在實(shí)際檢測中,可通過檢測值對(duì)管道腐蝕深度程度進(jìn)行判斷;當(dāng)管道裂紋形狀發(fā)生改變,各模型磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律及變化范圍基本相同,裂紋形狀的改變對(duì)弱磁檢測有一定影響。通過設(shè)置組合型腐蝕缺陷,組合缺陷中各缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律互不影響,復(fù)合缺陷對(duì)弱磁檢測技術(shù)影響較小。

        3) 通過分析不同缺陷變化對(duì)雙金屬復(fù)合管弱磁檢測技術(shù)的影響,有助于弱磁檢測技術(shù)在雙金屬復(fù)合管腐蝕檢測領(lǐng)域的使用和實(shí)施。在下一步工作中,還需要對(duì)雙金屬復(fù)合管道弱磁檢測技術(shù)的多種影響因素進(jìn)行分析。

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