楊志軍，曲 鵬，李云輝，張志來，高月輝

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318)

石油化工行業(yè)中存在著大量的壓力管道，其在運(yùn)行過程中通常會(huì)受到內(nèi)部介質(zhì)和外部環(huán)境的共同作用，在長期服役后管壁極易發(fā)生腐蝕,從而影響管道的使用壽命[1-2]。因此，定期監(jiān)測(cè)管道的腐蝕情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，減少事故的發(fā)生，延長其使用壽命，就成了企業(yè)和檢測(cè)人員關(guān)心的主要問題[3]。

目前國內(nèi)外有多種檢測(cè)管道腐蝕缺陷的方法，其中漏磁檢測(cè)技術(shù)因具有可在線檢測(cè)、檢測(cè)速度快、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)缺陷的初步量化等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)[4]。但目前國內(nèi)對(duì)雙磁化結(jié)構(gòu)的管道外漏磁檢測(cè)裝置研究較少，故筆者從實(shí)際檢測(cè)需求出發(fā)，基于漏磁檢測(cè)原理，建立了雙磁化結(jié)構(gòu)管道外漏磁檢測(cè)有限元仿真模型，并在管壁建立半球形腐蝕缺陷，研究在不同缺陷體積、管壁厚度、氣隙厚度、兩磁化結(jié)構(gòu)張開角度等條件下的缺陷漏磁場(chǎng)分布情況，并利用可變徑管道外漏磁檢測(cè)儀進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證該裝置對(duì)不同深度和不同半徑腐蝕缺陷的檢測(cè)效果，以減少壓力管道事故的發(fā)生。

1 管道外漏磁檢測(cè)的有限元分析

1.1 雙磁化結(jié)構(gòu)管道漏磁檢測(cè)

對(duì)管道進(jìn)行漏磁外檢測(cè)時(shí)，一般采用單磁化結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，即磁化單元與管道組成一個(gè)磁回路，這種形式雖然能夠?qū)艿廊毕葸M(jìn)行有效檢測(cè)，但單次檢測(cè)區(qū)域較小，檢測(cè)效率較低。因此可以通過增加磁化結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)的方式來增大管道的檢測(cè)寬度，從而提高檢測(cè)效率。

漏磁檢測(cè)的雙磁化結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)尺寸相同的磁化單元，極靴下端面為弧面，以保證各位置的氣隙厚度相同，磁化單元下方沿管道周向分布有傳感器，當(dāng)管壁被磁化至飽和或近飽和狀態(tài)時(shí)，如果管壁存在缺陷，就會(huì)產(chǎn)生漏磁通，而漏磁信號(hào)能被均布排列的傳感器采集得到。由于兩磁化單元間存在一定的夾角，而張開角度的變化會(huì)使兩磁化結(jié)構(gòu)的間距發(fā)生改變，進(jìn)而可能會(huì)對(duì)局部管道正上方處缺陷漏磁場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響。

圖1 雙磁化結(jié)構(gòu)示意

1.2 有限元模型的建立與計(jì)算

采用ANSYS軟件建立管道外漏磁檢測(cè)有限元模型，首先建立局部管道模型，管道規(guī)格(外徑×壁厚)為108 mm×6 mm，以管道內(nèi)壁表面為坐標(biāo)原點(diǎn)建立半球形腐蝕缺陷，半球形缺陷的半徑即為缺陷深度，缺陷深度隨半徑的變化而變化，因此所研究的缺陷體積問題就轉(zhuǎn)化成了缺陷半徑(深度)的問題。在管壁外側(cè)建立雙節(jié)磁化結(jié)構(gòu)，磁化結(jié)構(gòu)由永磁體、極靴、銜鐵等組成，與管道和氣隙共同組成閉合回路[5]，兩節(jié)磁化結(jié)構(gòu)間的夾角為θ，極靴下端設(shè)計(jì)成與管道曲率相同的弧形，以提高模型求解的正確率，最后在模型外部建立空氣罩。模型選用的模擬單元類型為SOLID 117型，定義空氣與氣隙的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0，永磁體的矯頑力為919 000 A·m-1[6]。建立的去除了空氣罩的有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

對(duì)各單元進(jìn)行材料屬性設(shè)定后進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，在滿足分析要求的基礎(chǔ)上，采用掃掠網(wǎng)格劃分和自由網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方式，可有效控制模型中各部分的網(wǎng)格精度，劃分出來的單元為四面體和六面體單元，模型整體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，半球形腐蝕缺陷處的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖3 模型整體網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4 半球形腐蝕缺陷處網(wǎng)格劃分結(jié)果

網(wǎng)格劃分結(jié)束后，對(duì)模型施加合適的載荷，在ANSYS軟件的各個(gè)模塊中進(jìn)行有限元分析時(shí)都要對(duì)其施加載荷，只是每個(gè)研究領(lǐng)域所施加的載荷類型有所不同。在磁場(chǎng)的相關(guān)研究中，因?yàn)槟Ｐ椭休d荷是4塊磁鐵，所以模型無需再進(jìn)行加載，該模型采用單元邊法，因此邊界條件只需設(shè)置為磁力線平行于模型表面即可。采用稀疏矩陣求解器對(duì)模型進(jìn)行求解，得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖如圖5所示。

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖

通過后處理得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖如圖6所示，可以看出由于管道內(nèi)表面存在腐蝕缺陷，所以缺陷附近的磁導(dǎo)率變小，磁阻變大，磁力線流向發(fā)生變化，溢出到管道上方空氣中，從而產(chǎn)生了漏磁通。

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

2 缺陷漏磁場(chǎng)密度的影響因素

2.1 缺陷體積對(duì)漏磁場(chǎng)的影響

為分析半球形缺陷體積的變化對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響，利用控制變量法，在氣隙厚度為1 mm，兩磁化結(jié)構(gòu)張開角度為30°的條件下，分別在管道內(nèi)壁上建立深度(半徑)為壁厚的20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%的半球形腐蝕缺陷。因管道模型的壁厚為6 mm，所以建立上述深度的缺陷時(shí)對(duì)應(yīng)的缺陷半徑依次為1.2 mm(20%壁厚)，1.8 mm(30%壁厚)，2.4 mm(40%壁厚)，3 mm(50%壁厚)，3.6 mm(60%壁厚)，4.2 mm(70%壁厚)和4.8 mm(80%壁厚)，改變?nèi)毕莅霃?，缺陷的深度和體積也會(huì)隨之變化。

依次對(duì)不同體積缺陷模型進(jìn)行有限元分析，提取管道外壁上方1 mm處徑向和軸向路徑數(shù)據(jù)后得到的缺陷漏磁場(chǎng)分布曲線如圖7所示。

圖7 不同體積缺陷的磁通量密度分布曲線

從圖7可以看出磁通量密度徑向分量曲線關(guān)于缺陷中點(diǎn)成中心對(duì)稱，半球形缺陷體積增大時(shí)，缺陷漏磁通密度徑向分量也增大；磁通量密度軸向曲線關(guān)于缺陷中點(diǎn)成軸對(duì)稱，在缺陷中心處磁通量密度軸向分量達(dá)到峰值，缺陷漏磁通密度隨著缺陷體積的增加而增加。

本系統(tǒng)軟件程序全部采用C語言編寫，根據(jù)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和GPRS無線發(fā)送模塊。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊采集茶園環(huán)境信息，如空氣溫度、濕度，光照強(qiáng)度和土壤含水量及溫度。通過單片機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)處理，GPRS無線數(shù)傳模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)通過無線的方式傳送到監(jiān)測(cè)中心。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖，如圖2所示。

圖8為不同體積缺陷的漏磁場(chǎng)磁通密度軸向和徑向分量峰值曲線，可以看出缺陷體積增大時(shí)，磁通量密度峰值也呈增大趨勢(shì)。

圖8 不同體積缺陷的磁通量密度峰值曲線

2.2 管壁厚度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響

在石油化工行業(yè)中，管道規(guī)格的不同，壁厚也會(huì)存在差異，因此筆者研究了當(dāng)半球形缺陷大小不變時(shí)，管壁厚度對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律，即缺陷的埋藏深度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響。

建立內(nèi)徑為96 mm,壁厚分別為6,8,10,12 mm的管道有限元模型，在內(nèi)壁建立半徑為2.4 mm的半球形缺陷，氣隙厚度為1 mm，分別對(duì)以上4種模型進(jìn)行有限元分析，求解后在后處理器中定義一條缺陷上方1 mm處沿管道軸向方向的路徑，提取該路徑中的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，得到在不同壁厚條件下的缺陷處磁通量密度軸向分量和徑向分量分布曲線(見圖9)。

圖9 不同壁厚的缺陷磁通量密度分布曲線

從圖9中可以看出，當(dāng)壁厚增大時(shí)，缺陷處磁通量密度徑向分量絕對(duì)值呈減小趨勢(shì)，從軸向分量曲線中可以看出，不僅缺陷處磁通量密度發(fā)生改變，而且在整條路徑上的磁通量密度軸向分量都隨著壁厚的增大而減小。因此，也可以得出磁通量密度分量隨著半球形缺陷埋藏深度的增大而減小的結(jié)論。

2.3 氣隙厚度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響

利用控制變量法，以管道壁厚的60%為缺陷固定深度，設(shè)置兩磁化結(jié)構(gòu)張開角度為30°，分別建立氣隙高度為14 mm時(shí)的有限元模型，研究在不同氣隙厚度下的缺陷漏磁場(chǎng)分布規(guī)律。圖10為在不同氣隙厚度條件下磁通量密度徑向分量和軸向分量曲線，可以看出氣隙厚度增加時(shí)，磁通量軸向分量和徑向分量絕對(duì)值均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

圖10 不同氣隙厚度的缺陷磁通量密度分布曲線

圖11為不同氣隙厚度情況下磁通量密度軸向和徑向分量峰值曲線，可以看出磁通量密度峰值隨著氣隙厚度的增加而減小，說明磁化單元距離管道越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的漏磁信號(hào)越弱。

圖11 不同氣隙厚度時(shí)的缺陷磁通量密度峰值曲線

2.4 磁化結(jié)構(gòu)張開角度對(duì)漏磁場(chǎng)軸向分量的影響

有限元模型中兩磁化結(jié)構(gòu)間的夾角為θ，磁化結(jié)構(gòu)張開角度示意如圖12所示，為研究不同張開角度下磁通量密度的變化規(guī)律，利用控制變量法，在氣隙厚度為1 mm，缺陷深度為壁厚60%的條件下，分別建立θ值為30°，32°，34°，36°，38°，40°時(shí)的有限元模型，分析不同張開角度條件下的缺陷漏磁場(chǎng)分布情況。

圖12 磁化結(jié)構(gòu)張開角度示意

由于張開角度變化時(shí)的漏磁場(chǎng)密度軸向分量更具研究意義，因此筆者主要研究漏磁場(chǎng)軸向分量的分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)束后提取管壁上方1 mm處管道軸向的路徑數(shù)據(jù)，得到的磁通量密度分布曲線如圖13所示。圖14為提取圖13中數(shù)據(jù)得到的漏磁場(chǎng)軸向峰值曲線，從圖13，14中可以看出，磁通量密度軸向分量曲線關(guān)于缺陷中心成軸對(duì)稱，并隨著θ的增加而減小，軸向分量峰值也隨θ的增加呈減小趨勢(shì)，說明當(dāng)兩磁化結(jié)構(gòu)間夾角逐漸增大時(shí)，缺陷上方沿管道軸向方向的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱。

圖13 不同張開角度的缺陷磁通量密度分布曲線

圖14 不同張開角度時(shí)的缺陷磁通量軸向密度峰值曲線

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 管道外漏磁檢測(cè)裝置

為驗(yàn)證部分有限元仿真結(jié)果的正確性，采用可變徑管道外漏磁檢測(cè)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，圖15,16分別為漏磁檢測(cè)系統(tǒng)框圖和裝置實(shí)物。

圖15 漏磁檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖16 漏磁檢測(cè)裝置實(shí)物

該裝置由兩節(jié)磁化結(jié)構(gòu)組成，并能通過調(diào)節(jié)磁化結(jié)構(gòu)間的夾角來滿足對(duì)不同管徑管道的檢測(cè)需求，該裝置能夠?qū)χ睆綖?08143 mm的管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)。將管道試件磁化到接近飽和后，使用由霍爾元件組成的傳感器采集得到漏磁信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳輸?shù)焦I(yè)計(jì)算機(jī)中，漏磁掃描分析軟件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的返放以及波形圖和帶圖的顯示，使操作人員能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別管道缺陷特征。

3.2 管道外漏磁檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)選取一根外徑為108 mm，壁厚為8 mm的鋼管，鋼管內(nèi)壁等距布置4個(gè)不同深度的半球形人工腐蝕缺陷，缺陷間距為150 mm，深度分別為壁厚的20%,40%,60%,80%，缺陷半徑也與其深度相對(duì)應(yīng)。管道試件缺陷分布如圖17所示，圖18為試驗(yàn)所用的管道試件實(shí)物，試件一側(cè)有開孔，在正對(duì)孔的內(nèi)壁有人工腐蝕缺陷。

圖17 管道結(jié)構(gòu)示意

圖18 管道試件實(shí)物

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)時(shí)將管道開孔側(cè)朝下方放置并使其固定，調(diào)節(jié)漏磁檢測(cè)儀張開角度，使極靴下端的曲率與管道曲率一致，然后將其放置于管道上方，通過數(shù)據(jù)線將漏磁檢測(cè)儀與工業(yè)計(jì)算機(jī)連接，將傳感器的提離距離調(diào)節(jié)至1 mm，使其處于最佳的信號(hào)采集位置，控制檢測(cè)儀勻速沿管道經(jīng)過缺陷位置，檢測(cè)時(shí)漏磁掃描分析軟件中能夠?qū)崟r(shí)顯示缺陷的波形，檢測(cè)完成后保存數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)三維波形如圖19所示，圖中3個(gè)坐標(biāo)軸分別為漏磁裝置移動(dòng)的距離、通道數(shù)、漏磁信號(hào)電壓，傳感器由沿管道圓周方向均勻分布的16個(gè)霍爾元件組成，因此能夠采集到16個(gè)通道的漏磁數(shù)據(jù)。從圖19中可以看出缺陷體積越大，檢測(cè)到的缺陷信號(hào)越強(qiáng)，缺陷處的電壓幅值也越大，且4個(gè)幅值波動(dòng)處的間距約為150 mm，與試件中的缺陷間距一致，因此可以從信號(hào)幅值所在通道的位置及有幅值波動(dòng)的通道數(shù)目來對(duì)缺陷進(jìn)行量化及定位。波形數(shù)據(jù)表明，缺陷體積越大，有幅值波動(dòng)的相鄰?fù)ǖ罃?shù)目越多。規(guī)格為108 mm×8 mm(直徑×壁厚)的管道的試驗(yàn)結(jié)果與108 mm×6 mm的管道模型的有限元仿真結(jié)果一致。

圖19 半球形缺陷漏磁數(shù)據(jù)三維波形

4 結(jié)論

(1)通過ANSYS有限元分析軟件建立管道外漏磁檢測(cè)模型，分別得到了在不同缺陷體積和不同氣隙厚度條件下的有限元仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明半球形缺陷處磁通量密度分量隨著缺陷體積的增加而增加，隨著氣隙厚度的增加而減小。

(2)建立了不同管壁厚度(缺陷埋藏深度)條件下的有限元模型，得到了磁通量密度分布曲線，曲線表明半球形缺陷處的磁通量密度分量隨著管壁厚度(缺陷埋藏深度)的增加而減小，說明半球形缺陷的埋藏深度越大，泄漏到空氣中的漏磁通越少，越不容易被傳感器所采集。

(3)建立了兩磁化結(jié)構(gòu)在不同張開角度時(shí)的有限元模型，得到磁通量密度軸向分量曲線和磁通量密度峰值曲線，結(jié)果表明磁通量密度軸向分量隨著張開角度的增加而減小，漏磁信號(hào)峰值也隨著張開角度的增加而減小。

(4)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)，得到了磁場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了部分有限元仿真結(jié)果的正確性，即半球形缺陷體積越大，裝置采集到的漏磁場(chǎng)信號(hào)越強(qiáng)，說明該檢測(cè)儀器能夠?qū)Π肭蛐稳毕葸M(jìn)行有效識(shí)別，且可通過波形數(shù)據(jù)對(duì)半球形缺陷進(jìn)行量化和定位。