何莎 王小梅 喻建勝 王仕強(qiáng)

摘 ?要：石油石化行業(yè)管道受各種因素影響，非常容易發(fā)生腐蝕甚至穿孔泄漏。針對管道外漏磁檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)了三磁化單元鉸接可變徑的磁化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法研究了三磁化單元漏磁場的空間分布，分析了漏磁場分布規(guī)律以及磁化單元間的相互影響。并對三磁化單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，分析了結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后漏磁場的空間分布特性。在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了三磁化單元漏磁場強(qiáng)度均勻性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：通過對磁鐵厚度與極靴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，能夠提高漏磁場空間分布的均勻性，滿足管道現(xiàn)場檢測要求。

關(guān)鍵詞：管道;漏磁檢測;三磁化單元;漏磁場空間分布;實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號：TG115.28+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0021-04

Abstract： The pipelines in the petroleum and petrochemical industry are affected by various factors， and it is very prone to corrosion and even perforation leakage. Aiming at the magnetic flux leakage （MFL） detection technology for pipeline， the magnetic structure with three magnetizing units hinged and variable diameter is designed. The spatial distribution of magnetic leakage field of three magnetizing units is studied by numerical simulation method， and the distribution law of magnetic leakage field and the interaction between magnetizing units are analyzed. The structure of the three magnetization unit is improved， and the spatial distribution characteristics of the leakage magnetic field before and after the structure improvement are analyzed. The results show that the uniformity of magnetic flux leakage field can be improved by improving the thickness of magnet and pole shoe structure， which can meet the requirements of pipeline field inspection.

Keywords： pipeline; magnetic flux leakage detection; triple magnetization unit; spatial distribution of leakage magnetic field; experimental research

石油化工企業(yè)和儲運(yùn)站等存在大量地面管道[1]，在運(yùn)行過程中經(jīng)常受到來自內(nèi)外環(huán)境的影響，如空氣濕度、輸送介質(zhì)、管內(nèi)積液、壓力波動等共同作用導(dǎo)致腐蝕，減小管道的使用壽命[2]。同時由于其工作條件通常非常惡劣，介質(zhì)大多是高溫、高壓、有毒、可燃性或者是腐蝕性的流體[3]，一旦發(fā)生泄漏事故輕則造成工作介質(zhì)流失和能源的浪費(fèi)，污染環(huán)境，重則危及人身安全，引發(fā)重大的人身和設(shè)備事故[4]。因此，能否準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)管道母材腐蝕，從而針對性的維修解決，是延長管道使用壽命和降低安全風(fēng)險的關(guān)鍵，也是檢測技術(shù)發(fā)展的方向[5-7]。漏磁檢測特別適用于鐵磁性材質(zhì)，其相關(guān)研究已經(jīng)相當(dāng)深入，并已經(jīng)投入工程使用，應(yīng)用范圍廣、識別效率高[8]。

本文著眼于管道外漏磁檢測技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了由三組磁化單元組成的鉸接可變徑的磁化結(jié)構(gòu)，該磁化結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)159mm以上的管徑。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，分析了結(jié)構(gòu)存在的問題并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，對管道外漏磁檢測方法的發(fā)展和完善具有一定的意義。

1 管道外漏磁檢測原理

漏磁檢測是通過檢測被勵磁的金屬表面溢出的漏磁通，來判斷缺陷是否存在的一種檢測技術(shù)[9]。待測鐵磁性材料連續(xù)性良好無缺陷時，通過勵磁后，磁感線理論上全部通過該鐵磁性材料構(gòu)成閉合回路，如圖1（a）所示。若存在缺陷，由于鐵磁性材料與缺陷處材質(zhì)的導(dǎo)磁率不同，缺陷處的磁阻大，阻礙磁感線正常通過，于是磁感線會在缺陷處畸變，一部分磁力線泄露出管道的外表面，形成漏磁場，如圖1（b），采用霍爾元件等傳感器探測該磁場并得到漏磁信號，分析漏磁信號即可獲得缺陷的相關(guān)特征。

2 三磁化單元漏磁場空間分布規(guī)律研究

采用實(shí)體建模方法建立管道三磁化單元外漏磁檢測有限元模型，該模型由銜鐵、磁鐵、極靴、氣隙和被測管道組成。通過軟件計(jì)算求解，在軟件的后處理中可以得到管道缺陷處漏磁場分布，包括磁通量密度、磁場強(qiáng)度的等值圖、矢量圖和沿某路徑的曲線圖等。本文在缺陷上方距離管壁1mm距離處建立直線路徑，提取漏磁場徑向分量，定量分析缺陷處漏磁場變化。

三磁化單元模型包含三個結(jié)構(gòu)尺寸相同的磁化單元，其中中間單元位于局部管道的上方，其他兩單元平行分布于中間單元兩側(cè)。選取φ300管道，在外壁預(yù)制寬度為4mm、深度為壁厚80%的矩形槽缺陷。有限元求解計(jì)算得到的磁場強(qiáng)度與磁通密度云圖分別如圖2與圖3所示。

15個傳感器等間距依次布置于兩極靴中間缺陷上方1mm處，沿著傳感器位置定義路徑，提取漏磁場徑向分量的值，得到如圖4所示的不同傳感器漏磁場徑向分量圖，從圖中清晰看出從三磁化單元中心傳感器到邊緣傳感器的漏磁信號減小很多。

提取每個傳感器信號的峰值，管道周向不同傳感器漏磁場徑向分量幅值變化曲線如圖5中改進(jìn)前曲線所示，由圖可以看出，三磁化單元下方管道周向的漏磁場分布并不均勻，中間磁化單元的漏磁場較兩側(cè)磁化單元的漏磁場要強(qiáng)很多，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于兩側(cè)磁化單元對中間磁化單元的影響，使得中間磁化單元范圍內(nèi)的漏磁場徑向分量幅值與兩側(cè)差距過大，同時由于管外壁曲面的影響，使提離值有所增加而進(jìn)一步引起管道周向漏磁信號不均勻問題。

3 三磁化單元磁化結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

為減小三磁化單元中兩側(cè)磁化單元對中間磁化單元漏磁場的影響，試圖采取調(diào)節(jié)磁化單元磁鐵厚度的方法使管道周向漏磁信號趨于均勻，為減小管外壁曲面使提離值有所增加而進(jìn)一步引起管道周向漏磁信號不均勻問題，試圖采取調(diào)節(jié)極靴結(jié)構(gòu)的方法來改進(jìn)。為驗(yàn)證改進(jìn)方法的合理性，開展了以下有限元分析。

3.1 調(diào)節(jié)磁化單元磁場強(qiáng)度

在前文有限元模型基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)磁化單元的磁鐵厚度來調(diào)節(jié)其磁場強(qiáng)度，在減薄中間磁化單元的磁鐵厚度的同時提高兩側(cè)單元的磁鐵厚度，使管道周向磁化程度趨于均勻。建立如圖6所示的變磁鐵磁化結(jié)構(gòu)模型，按傳感器布置位置定義路徑，提取漏磁場徑向分量，管道周向不同傳感器漏磁場徑向分量幅值變化曲線如上圖5中改進(jìn)磁鐵厚度曲線所示。

由圖6可以看出，中間單元傳感器信號比原來結(jié)構(gòu)有所減小，兩側(cè)單元傳感器信號有所加強(qiáng)，但是，兩側(cè)單元邊緣處傳感器信號相對其他傳感器信號還是比較弱。

3.2 調(diào)節(jié)極靴結(jié)構(gòu)

雖然減薄中間磁化單元磁鐵厚度，增加邊緣磁鐵厚度，使管道周向各傳感器的漏磁信號趨于均勻，但是，兩側(cè)單元邊緣處傳感器信號相對其他傳感器信號還是比較弱，這是因?yàn)閮蓚?cè)單元邊緣磁場發(fā)散，而且變徑時實(shí)際傳感器的提離值相對較大。針對這一現(xiàn)象，進(jìn)一步對兩側(cè)單元邊緣的極靴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使極靴近似線性增厚，盡量使管道周向的磁化程度均勻，使每個傳感器接收到的信號趨于一致，改進(jìn)的極靴結(jié)構(gòu)如圖7所示。

提取每個傳感器信號的峰值，管道周向不同傳感器漏磁場徑向分量幅值變化曲線如上圖5中改變磁鐵厚度、改變極靴結(jié)構(gòu)曲線所示，由圖可知，經(jīng)過上述結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，管道周向各傳感器通道的漏磁信號已趨于均勻，漏磁信號最高0.075T，邊緣信號最低0.068T，邊緣信號最低值比信號最強(qiáng)處減小了9.67%。

4 管道漏磁檢測儀實(shí)驗(yàn)研究

選取φ300管道，對照有限元模型依次預(yù)制出寬度均為4mm，深度分別為壁厚的20%、40%、60%和80%，即1.6mm、3.2mm、4.8mm和6.4mm的矩形槽缺陷，缺陷沿管道軸向直線分布，間距100mm，如圖8所示。

在實(shí)驗(yàn)室條件下分別用磁化單元結(jié)構(gòu)改進(jìn)前與改進(jìn)后的管道外可變徑磁化結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用鋼管如圖9所示。

利用磁化單元結(jié)構(gòu)改進(jìn)前與改進(jìn)后的漏磁檢測儀對相同的矩形槽缺陷進(jìn)行掃描檢測，圖10為磁化結(jié)構(gòu)改進(jìn)前對矩形槽缺陷的掃描的波形圖。由圖可知，對于相同的缺陷，改進(jìn)前的漏磁檢測儀各通道的漏磁信號幅值存在明顯差異，可以看出中間傳感器漏磁信號的幅值明顯大于磁化單元邊緣傳感器漏磁信號幅值。選取中間8#通道和邊緣1#通道漏磁信號進(jìn)行對比，以80%壁厚缺陷波形圖為例，同一組缺陷，中間位置的傳感器漏磁信號峰谷差值為0.49V，而邊緣位置傳感器相應(yīng)值只有0.29V，相差40.8%，說明未經(jīng)優(yōu)化的檢測儀中間與邊緣傳感器信號強(qiáng)度確實(shí)相差較大。

圖11所示為磁化單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的漏磁檢測儀檢測信號波形圖，可以很明顯的看出各通道傳感器信號趨于平均。同樣選取中間8#通道和邊緣1#通道漏磁信號進(jìn)行對比分析，中間位置傳感器80%壁厚缺陷的檢測信號峰谷差值為0.48V，而邊緣傳感器相應(yīng)值為0.44V，相差縮小為8.4%?？芍?，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了邊緣位置漏磁場強(qiáng)度，縮小了其與中間位置漏磁場強(qiáng)度的差距，與有限元分析結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

（1）本文在漏磁檢測理論基礎(chǔ)上，綜合考慮管道外壁漏磁檢測的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種鉸接的可變徑三磁化單元漏磁檢測結(jié)構(gòu)。

（2）針對多磁化單元勵磁場不均勻問題，對勵磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的勵磁結(jié)構(gòu)勵磁場更均勻，每個傳感器接收到漏磁信號強(qiáng)度偏差在10%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場管道漏磁檢測需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]何仁洋，欒湘東，張慶春，等.壓力管道安全完整性技術(shù)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].壓力容器，2012，29（7）：44-50.

[2]Ameet Joshi， Lalita Udpa， Satish Udpa， et al. Adaptive Wavelets for Characterizing Magnetic Flux Leakage Signals from Pipeline Inspection[J]. IEEE Tras. on Magnetics，2006，42（10）：3168-3170.

[3]張新生，呂品品.考慮隨機(jī)效應(yīng)的腐蝕管道貝葉斯退化分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2019，29（8）：73-80.

[4]蔣奇.管道缺陷漏磁檢測量化技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2002：37-107.

[5]蔣奇，王太勇.鋼管缺陷漏磁場及影響漏磁信號因素的分析[J].鋼鐵研究，2002（5）：20-24.

[6]王秀芳，檀麗麗，高丙坤，等.變分模態(tài)分解和相關(guān)系數(shù)聯(lián)合算法在管道泄漏檢測中的應(yīng)用[J].壓力容器，2016，33（12）：59-63+75.

[7]楊理踐，耿浩，高松巍.長輸油氣管道漏磁內(nèi)檢測技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報，2016，37（8）：1736-1746.

[8]李亞梅，唐東林，賴欣，等.儲罐罐壁缺陷的低速漏磁檢測研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（15）：154-158.

[9]Hwang K， Mandayam S， Udpa S S. Characterization of gas pipeline inspection signals using wavelet basis function neural networks [J]. NDT&E International， 2000，33（5）：531-545.