仵 杰，李 野

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引 言

石油管道在服役期內(nèi)受載荷變異、介質(zhì)侵蝕和環(huán)境變化等因素影響[1]，可形成不同形式的損傷，對(duì)管道安全運(yùn)行造成極大危害。利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最大程度地發(fā)現(xiàn)管道中的安全隱患是減少管道安全事故發(fā)生、維護(hù)管道安全運(yùn)行的有效途徑[2-5]。現(xiàn)有的管道無(wú)損檢測(cè)方式主要包括射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和漏磁法檢測(cè)等。射線檢測(cè)可直觀、準(zhǔn)確地顯示管道中全面參數(shù)，可探測(cè)最小缺陷深度為0.04 cm，但檢測(cè)過程中產(chǎn)生的輻射會(huì)對(duì)操作、施工人員及周邊居民身體健康帶來(lái)不良影響[6-8]；超聲檢測(cè)結(jié)果精確、速度快，可探測(cè)最小缺陷深度為0.02 cm[9]，但對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求高，成本高昂；磁粉檢測(cè)操作簡(jiǎn)便，成本較低，可探測(cè)最小缺陷深度為0.035 cm[10]，但其無(wú)法檢測(cè)非磁性材料；滲透檢測(cè)可檢測(cè)不同材質(zhì)的管道，操作較方便，可探測(cè)最小缺陷深度為0.04 cm，但僅能檢測(cè)管道外表面裂縫[11-13]；漏磁檢測(cè)速度較高，對(duì)裂紋以及銹蝕等檢測(cè)效果較好，探頭裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低且操作簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化檢測(cè)，可探測(cè)最小缺陷深度為0.03 cm，但僅適用于檢測(cè)小型的管道裂痕及物體表面，對(duì)厚壁管道檢測(cè)尚未成熟，且抗干擾能力較差[14-18]。可見，以上方法均存在一定弊端，不適用于實(shí)際的石油管道無(wú)損檢測(cè)。本文利用COMSOL軟件，應(yīng)用石油測(cè)井方法中的陣列感應(yīng)測(cè)井三線圈系(一發(fā)兩收：發(fā)射線圈、主接收線圈和屏蔽線圈)原理設(shè)計(jì)了石油管道基體金屬缺陷無(wú)損檢測(cè)探頭，該探頭可穿透涂層直接在基體金屬中激發(fā)渦流場(chǎng)[19-20]，而屏蔽線圈有效抵消直接耦合信號(hào)，增強(qiáng)來(lái)自于基體金屬的信號(hào)，更適合石油管道基體金屬缺陷的識(shí)別。

1 仿真模型及參數(shù)選擇

目前大多數(shù)油氣田的長(zhǎng)距離輸油管線都是由鋼管焊接而成，管外涂有絕緣層物質(zhì)以防止土壤中的腐蝕性化學(xué)成分對(duì)管線本體造成侵蝕，管內(nèi)涂有防腐材料以減少輸送的油品本身對(duì)管線的腐蝕和提高管線的光滑度以加大運(yùn)輸量。本文使用的石油管道涂層系統(tǒng)，由厚0.04 cm涂層和0.51 cm的基體金屬構(gòu)成。圖1為石油管道涂層模型網(wǎng)格剖分。

圖1 石油管道涂層模型網(wǎng)格剖分Fig.1 Mesh generation of coating model for oil pipeline

利用COMSOL軟件設(shè)計(jì)探測(cè)基體金屬缺陷的探頭， 涂層電導(dǎo)率為10-5S/m， 基體金屬電導(dǎo)率為107S/m，缺陷電導(dǎo)率為10-5～107S/m，缺陷大小0.5～5 cm，缺陷厚度0.01 cm，由于缺陷大小及材料變化對(duì)視電導(dǎo)率虛部影響數(shù)值變化不明顯，無(wú)法利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)選擇及缺陷判斷，因此本文均采用視電導(dǎo)率實(shí)部進(jìn)行參數(shù)選取及缺陷定位，缺陷大小及材料變化對(duì)視電導(dǎo)率實(shí)部影響如圖2所示。又由于數(shù)據(jù)量過大，取缺陷大小1 cm和5 cm，缺陷電導(dǎo)率10-5、105和106S/m進(jìn)行對(duì)比分析可知，不同間距線圈系的視電導(dǎo)率實(shí)部隨缺陷尺寸的增加而增大，而受缺陷電導(dǎo)率變化影響很小，本文選用缺陷電導(dǎo)率為106S/m。

圖2 缺陷大小及材料變化對(duì)視電導(dǎo)率實(shí)部的影響Fig.2 Influence of defect size and material on the real part of apparent conductivity

2 基體金屬缺陷響應(yīng)特性

本文對(duì)比研究雙線圈系和三線圈系探測(cè)基體金屬缺陷響應(yīng)特性，以驗(yàn)證三線圈系探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。雙線圈系探頭參數(shù)見表1。

表1 雙線圈系探頭參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.1 Parameter design of double-coil system probe

2.1 雙線圈系單缺陷

為直觀描述缺陷位置，繪制了雙線圈系中單缺陷與探測(cè)儀器相對(duì)位置示意圖(圖3)。本文研究缺陷大小0.5～5 cm時(shí)響應(yīng)規(guī)律，為清楚分析特征，繪制了單缺陷大小變化(0.5 cm和5 cm)對(duì)雙線圈系測(cè)量的影響，如圖4所示(圖4中給出陣列1響應(yīng))。雙線圈系中單缺陷大小變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷相對(duì)位置之間的關(guān)系見表2。

圖3 雙線圈系中單缺陷與探測(cè)儀器相對(duì)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of relative position between single defect and detector in double-coil system

圖4 單缺陷大小變化對(duì)雙線圈系測(cè)量的影響Fig.4 Influence of single defect size on measurement of double-coil system

表2 雙線圈系中單缺陷大小變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對(duì)位置之間的關(guān)系Tab.2 Relationship between response characteristics of single defect size change and structure of coil system and relative position of defects in double-coil system

2.2 雙線圈系雙缺陷

探頭設(shè)計(jì)不僅要滿足探測(cè)單缺陷的需求，還要能同時(shí)探測(cè)多個(gè)缺陷。為清楚描述缺陷位置，繪制雙線圈系中雙缺陷位置與探測(cè)儀器相對(duì)位置示意圖(圖5)。本文研究雙缺陷大小1 cm，缺陷間距分別為0.1、0.2、0.5、1、2和3 cm時(shí)的響應(yīng)規(guī)律。為清楚分析特征，繪制了雙缺陷間距變化(0.1 cm和3 cm)對(duì)雙線圈系測(cè)量的影響，如圖6所示(圖6中給出陣列1響應(yīng))。雙線圈系中雙缺陷間距變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對(duì)位置之間的關(guān)系見表3。

表3 雙線圈系中雙缺陷間距變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對(duì)位置之間的關(guān)系Tab.3 Relationship between response characteristics of double defect spacing variation and structure of coil system and relative position of defects in double-coil system

圖5 雙線圈系中雙缺陷與探測(cè)儀器相對(duì)位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of relative position between double defects and detector in double-coil system

圖6 雙缺陷間距變化對(duì)雙線圈系測(cè)量的影響Fig.6 Influence of double defect spacing variation on measurement of double-coil system

2.3 三線圈系單缺陷

從上述分析結(jié)果可知，雙線圈系探頭無(wú)法探測(cè)小間距雙缺陷，且視電導(dǎo)率實(shí)部幅值較小，易受噪聲等因素影響產(chǎn)生誤差。為解決上述問題，筆者結(jié)合多年研究成果與經(jīng)驗(yàn)，利用陣列感應(yīng)三線圈系原理設(shè)計(jì)探測(cè)基體缺陷探頭，相比于雙線圈系，三線圈系中加入的屏蔽線圈可有效抵消直接耦合信號(hào)，增強(qiáng)來(lái)自于基體金屬的信號(hào)，更適合石油管道基體金屬缺陷識(shí)別。

三線圈系探頭參數(shù)見表4。三線圈系中缺陷與探測(cè)儀器相對(duì)位置相較于雙線圈系(圖3、圖5)，僅在收發(fā)線圈中間加入屏蔽線圈，其他結(jié)構(gòu)與圖3、圖5相同。單缺陷大小變化對(duì)三線圈系測(cè)量的影響如圖7所示(圖7中給出陣列1響應(yīng))。三線圈系中單缺陷大小變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對(duì)位置之間的關(guān)系見表5。

表4 三線圈系探頭參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.4 Parameter design of three-coil system probe

圖7 單缺陷大小變化對(duì)三線圈系測(cè)量的影響Fig.7 Influence of single defect size on measurement of three-coil system

表5 三線圈系中單缺陷大小變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對(duì)位置之間的關(guān)系Tab.5 Relationship between response characteristics of single defect size change and structure of coil system and relative position of defects in three-coil system

2.4 三線圈系雙缺陷

利用上述探頭探測(cè)間距變化的雙缺陷，雙缺陷間距變化對(duì)三線圈系測(cè)量的影響如圖8所示(圖8中給出陣列1響應(yīng))。三線圈系中雙缺陷間距變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對(duì)位置之間的關(guān)系見表6。

圖8 雙缺陷間距變化對(duì)三線圈系測(cè)量的影響Fig.8 Influence of double defect spacing on measurement of three-coil system

表6 三線圈系中雙缺陷間距變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對(duì)位置之間的關(guān)系Tab.6 Relationship between response characteristics of double defect spacing variation and structure of coil system and relative position of defects in three-coil system

經(jīng)過總結(jié)歸納，可得缺陷大小、中心位置和間距計(jì)算公式，見表7。雙線圈系與三線圈系可探測(cè)缺陷陣列及視電導(dǎo)率實(shí)部幅值變化對(duì)比見表8。

表7 線圈系缺陷大小、中心位置和間距計(jì)算公式Tab.7 Calculation formula of size,center position and spacing of defects

表8 雙線圈系與三線圈系可探測(cè)缺陷陣列 及視電導(dǎo)率實(shí)部幅值變化對(duì)比Tab.8 Comparison of detectable defect array and amplitude of the real part of apparent conductivity between double-coil system and three-coil system

3 雙線圈系及三線圈系探測(cè)缺陷機(jī)理分析

為了揭示雙線圈系及三線圈系探測(cè)缺陷機(jī)理，繪制了雙線圈系和三線圈系歸一化后渦流圖(圖9和圖10)，箭頭表示電流方向。

圖9 雙線圈系歸一化渦流圖Fig.9 Normalized eddy current diagram of double-coil system

圖10 三線圈系歸一化渦流圖Fig.10 Normalized eddy current diagram of three-coil system

以1 cm單缺陷為例，進(jìn)行機(jī)理分析：

基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通有交流電流的發(fā)射線圈T靠近導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。

在雙線圈系中，區(qū)域2的渦流圍住接收線圈R，在接收線圈R產(chǎn)生的磁場(chǎng)定義為正信號(hào)；區(qū)域1的渦流在接收線圈R產(chǎn)生的磁場(chǎng)與區(qū)域2信號(hào)相反，定義為負(fù)信號(hào)；正、負(fù)信號(hào)之和為總信號(hào)。接收線圈R逐漸接近缺陷，缺陷電導(dǎo)率小于金屬電導(dǎo)率，負(fù)信號(hào)減小，總信號(hào)增強(qiáng)；剛到達(dá)缺陷，總信號(hào)出現(xiàn)最大值；接收線圈R逐漸離開缺陷，缺陷導(dǎo)致正信號(hào)減小，總信號(hào)減??；剛離開缺陷，總信號(hào)出現(xiàn)最小值。

在三線圈系中，區(qū)域3的渦流圍住接收線圈R，在接收線圈R產(chǎn)生的磁場(chǎng)定義為正信號(hào)；區(qū)域1的渦流在接收線圈R產(chǎn)生的磁場(chǎng)與區(qū)域3信號(hào)相反，定義為負(fù)信號(hào)；區(qū)域2的渦流在接收線圈R產(chǎn)生的磁場(chǎng)幾乎被抵消，可視為零。正、負(fù)信號(hào)之和為總信號(hào)。無(wú)缺陷時(shí)，總信號(hào)為零。屏蔽線圈B逐漸接近缺陷，缺陷電導(dǎo)率小于金屬電導(dǎo)率，結(jié)合三線圈系聚焦原理，相比于雙線圈系，三線圈系負(fù)信號(hào)減小幅度更大，總信號(hào)增強(qiáng)更多；剛到達(dá)缺陷，總信號(hào)出現(xiàn)最大值，相比于雙線圈系，最大值更大；屏蔽線圈B逐漸離開缺陷，結(jié)合三線圈系聚焦原理，相較于雙線圈系，缺陷導(dǎo)致正信號(hào)減小幅度更大，總信號(hào)下降更多；剛離開缺陷，總信號(hào)出現(xiàn)最小值，相比于雙線圈系，最小值更小。

4 結(jié) 論

(1)利用COMSOL軟件進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了基于石油感應(yīng)測(cè)井線圈系探測(cè)石油管道金屬缺陷的新方法的數(shù)值模擬，研究了缺陷大小及材料變化對(duì)視電導(dǎo)率實(shí)部的影響，結(jié)果表明不同間距線圈系的視電導(dǎo)率實(shí)部隨缺陷尺寸的增加而增大，而受缺陷電導(dǎo)率變化影響很?。?/p>

(2)基于石油感應(yīng)測(cè)井線圈系原理，設(shè)計(jì)了用于探測(cè)石油管道金屬缺陷的探頭，研究了單缺陷大小變化及雙缺陷間距變化對(duì)線圈系測(cè)量的影響，分析歸納了線圈系響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對(duì)位置之間的關(guān)系，總結(jié)出探測(cè)缺陷大小、位置和間距的計(jì)算公式。并對(duì)雙線圈系和三線圈系進(jìn)行視電導(dǎo)率實(shí)部幅值比較，顯示三線圈系幅值變化是雙線圈系的2.5倍，表明三線圈系探測(cè)新方法明顯優(yōu)于雙線圈系。三線圈系探測(cè)新方法可探測(cè)缺陷深度0.01 cm，優(yōu)于現(xiàn)有的石油管道缺陷探測(cè)方法；

(3)通過計(jì)算繪制雙線圈系及三線圈系歸一化渦流圖，分析響應(yīng)特征與渦流和缺陷之間的相互關(guān)系，揭示了特征出現(xiàn)的機(jī)理。