楊志軍，周元培，李云輝，曲 鵬

(東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318)

在石油化工設(shè)備中，常用的小徑接管多由鐵磁性材料制成，在復雜的外界環(huán)境與管道內(nèi)輸送的介質(zhì)的共同作用下，管內(nèi)易產(chǎn)生疲勞裂紋和腐蝕等缺陷[1]。同時，管子短、周圍結(jié)構(gòu)復雜，以及檢測空間狹小等因素極易對裝置的運行及人身安全造成影響，因此開展短接小徑管的無損檢測與評價技術(shù)研究，對減少安全事故，降低生產(chǎn)成本與保持設(shè)備的平穩(wěn)高效運行具有十分重要的意義。

國內(nèi)外對于管道的無損檢測方法有多種，如射線檢測等，應用到短接小徑管上的效果并不好[2]，這些方法大都有其局限性[3]。漏磁檢測技術(shù)可檢測出鐵磁性管道上的金屬缺失缺陷，并準確識別出管道內(nèi)壁壁厚減薄的位置，對管道內(nèi)表面腐蝕具有良好的檢出能力[4]。筆者以實際檢測需求出發(fā)，利用漏磁檢測的理論基礎(chǔ)，運用有限元仿真技術(shù)建立了腐蝕缺陷漏磁場磁化模型，研究了磁化過程中各參數(shù)對漏磁場信號的影響，得到缺陷漏磁場的分布規(guī)律，并設(shè)計研發(fā)了一套小型短接小徑管漏磁檢測設(shè)備，解決了短接小徑管的檢測問題。

1 短接小徑管漏磁檢測的有限元分析

1.1 漏磁檢測原理

在被檢測管道上施加局部勵磁場，勵磁場磁化待測管道，若待測管道的材料均勻無缺陷，則磁感線均勻且平行通過管道材料的內(nèi)部，幾乎不會有磁通泄漏出來。但當被測管道存在缺陷時，缺陷部分的空氣磁阻遠大于管道磁阻，磁感線優(yōu)先通過管道內(nèi)部，迫使管道中的磁感線發(fā)生畸變，一定數(shù)量的磁感線會從缺陷位置離開管道，即在缺陷上方形成漏磁場[5]。缺陷形狀、深度等參數(shù)的不同使形成的漏磁場信號也發(fā)生相應變化；可以利用磁敏感元件將該變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，通過對電壓信號變化的分析實現(xiàn)小徑管缺陷的檢測和量化。漏磁檢測原理示意如圖1所示。

圖1 漏磁檢測原理示意

1.2 漏磁檢測有限元分析

圖2 有限元幾何模型

將磁化模型和缺陷簡化，回路由永久磁鐵、氣隙和被檢測小徑管組成。有限元幾何模型如圖2所示，選用的單元類型為SOLID117，定義空氣與氣隙的相對磁導率為1.0，磁鐵材料的矯頑力為919 000 A·m-1。網(wǎng)格劃分時，定義邊界條件進行求解，外圍空氣層邊緣是有限元分析的邊界，永磁體材料產(chǎn)生的磁力線不能透過邊界，只能垂直或者平行于外圍空氣層，所以所建模型將外圍空氣層外表面均設(shè)置成磁力線平行邊界條件發(fā)生面。采用單塊磁鐵構(gòu)成磁回路，求解結(jié)束得到計算結(jié)果，可以得到不同結(jié)構(gòu)下的小徑管缺陷處的磁通量密度分布云圖(見圖3)。從圖3可以看出，缺陷位置處漏磁場強度較強[6]。

圖3 磁通量密度分布云圖

2 缺陷漏磁場強度的影響因素分析

2.1 缺陷深度對漏磁場的影響

在有限元模型中，調(diào)節(jié)缺陷深度的同時保持其他參數(shù)不變，分析缺陷深度與漏磁場的關(guān)系，將缺陷處漏磁場磁通量密度拆分成水平分量和垂直分量，分別研究缺陷深度與其間的關(guān)系。依次模擬壁厚減薄為10%90%的槽型缺陷，得到缺陷附近漏磁場受缺陷深度變化的影響規(guī)律。缺陷深度變化時，磁通量密度水平分量Bx和垂直分量By的變化曲線分別如圖4，5所示，橫坐標表示缺陷上方1 mm處以缺陷中心為對稱點的提取路徑，縱坐標表示磁通量密度分量。圖6，7分別為缺陷深度變化時的漏磁場Bx和By的波峰幅值曲線。由圖6，7可以看出：缺陷處漏磁場磁通量密度的水平分量曲線有一個峰值，約在缺陷中心處；垂直分量曲線在缺陷處的幅值明顯下降，谷值約在缺陷中心處；缺陷漏磁場磁通量密度的水平與垂直分量曲線形狀基本不會隨著缺陷深度的改變而改變；水平分量和垂直分量的幅值變化與深度成正比，隨著缺陷深度的增加，水平分量峰值增大，垂直分量谷值減小。

圖4 缺陷深度變化時的漏磁場Bx曲線

圖5 缺陷深度變化時的漏磁場By曲線

圖6 缺陷深度變化時的漏磁場Bx波峰幅值曲線

圖7 缺陷深度變化時的漏磁場By波峰幅值曲線

2.2 其他參數(shù)對漏磁場的影響

圖8 缺陷寬度變化時的漏磁場Bx波峰幅值曲線

圖9 缺陷寬度變化時的漏磁場By波峰幅值曲線

圖10 不同氣隙厚度時的漏磁場Bx波峰幅值曲線

圖11 不同氣隙厚度時的漏磁場By波峰幅值曲線

選取槽型缺陷作為研究對象，選擇寬度以及磁化氣隙為度量參數(shù)。利用單一變量法，在研究寬度對磁通量密度的影響時，控制寬度為545 mm，保持缺陷的深度為50%不變。提取缺陷上方距離短接小徑管壁1 mm處的漏磁場水平分量與垂直分量的分布曲線進行分析比較。保持槽型缺陷的深度為短接小徑管管道壁厚的50%，寬度保持5 mm不變，改變磁化裝置與管道外壁之間的磁化氣隙高度，高度為919 mm，以每次2 mm遞增，同樣提取缺陷上方1 mm處的漏磁場水平分量與漏磁場垂直分量。缺陷寬度變化時的漏磁場Bx和By波峰幅值曲線分別如圖8，9所示；磁化氣隙高度變化時的漏磁場Bx和By波峰幅值曲線分別如圖10，11所示。由圖8～10可知，缺陷漏磁場的水平分量幅值在一定距離范圍內(nèi)，隨缺陷邊長的增加而增大；缺陷漏磁場的垂直分量在缺陷位置有明顯下降，幅值谷值隨缺陷寬度的增加而減??；而氣隙增大的同時，磁通量密度水平分量與垂直分量都在減小。即氣隙越小，缺陷處的磁場強度與密度越大。

3 勵磁裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗過程

3.1 小徑管勵磁模塊設(shè)計

筆者在小徑管漏磁檢測有限元分析的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計思路，開發(fā)了短接小徑管的漏磁檢測設(shè)備。設(shè)計時盡可能使檢測模塊小型化，以適應小徑管檢測的特殊工況，所以采用包圍式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計。單塊磁鐵勵磁構(gòu)成磁回路，勵磁場源選擇銣鐵硼稀土材料的永久磁鐵，霍爾元件作為檢測傳感元件。 設(shè)計的磁化結(jié)構(gòu)只有磁鐵，沒有銜鐵和極靴，所以不可打孔，采用夾持的方式固定，利用非鐵磁性的材料封閉磁鐵外壁，提供足夠厚度的固定磁鐵，短接小徑管漏磁檢測磁化模塊結(jié)構(gòu)三維圖如圖12所示。

圖12 短接小徑管漏磁檢測磁化模塊結(jié)構(gòu)三維圖

為了準確定位缺陷位置，采用輪式脈沖編碼器采集位移，采用輪式脈沖編碼器與傳感器的位移，定位缺陷位置。在東北石油大學研制的OPMS-08漏磁檢測平臺上搭載小徑管漏磁檢測模塊，組建短接小徑管漏磁檢測試驗系統(tǒng)(見圖13)。

圖13 短接小徑管漏磁檢測試驗系統(tǒng)

3.2 短接小徑管的漏磁檢測試驗

圖14 試件結(jié)構(gòu)示意及其實物

圖15 實驗室條件下鋼管的磁通量信號波形

取厚度為3.5 mm，外徑為27 mm的鋼管，在鋼管內(nèi)壁從左到右依次加工4個深度(深度依次為管壁厚的20%，40%，60%，80%)的錐型人工缺陷，以模擬常見的腐蝕缺陷，試件結(jié)構(gòu)示意及其實物如圖14所示，在一側(cè)管壁開孔，在孔對面的管道內(nèi)壁加工缺陷。在實驗室條件下進行檢測，利用數(shù)據(jù)處理軟件對各傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到如圖15所示的磁通量信號波形。由圖15可以看出，隨著缺陷深度及寬度的增加，傳感器所采集到的漏磁場磁通量信號幅值也越大。該結(jié)構(gòu)漏磁檢測傳感器具備壁厚20%及以上深度的短接小徑管內(nèi)壁缺陷的檢測能力。

4 結(jié)語

(1) 根據(jù)鐵磁性構(gòu)件磁化后產(chǎn)生的漏磁場現(xiàn)象，通過有限元方法研究缺陷附近的漏磁場空間分布特性及影響因素，利用漏磁場空間分布的規(guī)律，指導短接小徑管漏磁檢測磁化裝置的設(shè)計，實現(xiàn)了短接小徑管腐蝕缺陷的檢測。

(2) 利用有限元仿真分析得到小徑管內(nèi)表面腐蝕缺陷的漏磁場空間分布特征，即缺陷處漏磁場磁通量密度垂直分量有正峰和負峰，并且峰值出現(xiàn)在缺陷中心處，水平分量關(guān)于缺陷中心對稱；隨著缺陷深度或?qū)挾鹊脑黾?，漏磁場磁通量密度峰值隨之增大，峰谷差值也隨之增大。同時，缺陷漏磁場水平分量(垂直分量)的峰谷間距(峰峰間距)有增大趨勢。在其他參數(shù)不變的情況下，磁化氣隙高度增加時，磁通量密度水平與垂直分量整體在減小，即氣隙越小，缺陷處磁場強度與密度越大。

(3) 實驗室條件下，在小徑管上進行預制缺陷檢測，結(jié)果表明：漏磁檢測可以實現(xiàn)短接小徑管內(nèi)壁腐蝕缺陷的檢測。