于永亮，業(yè) 成，楊志軍，方學(xué)鋒，劉玉琢

(1.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，南京 210019；2.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318)

長輸管道是石油化工行業(yè)中油氣介質(zhì)輸送的關(guān)鍵設(shè)備之一。投入使用后，長輸管道在內(nèi)部介質(zhì)和外部環(huán)境的長期共同作用下，容易產(chǎn)生內(nèi)外部腐蝕，甚至?xí)l(fā)生泄漏或爆炸，影響企業(yè)安全生產(chǎn)，故需要對管道定期開展檢驗(yàn)檢測。漏磁檢測技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的管道內(nèi)檢測技術(shù)之一。管道被磁化后，缺陷處磁導(dǎo)率的變化會(huì)導(dǎo)致漏磁場的形成，利用霍爾元件、線圈制成的磁敏元件采集漏磁信號并進(jìn)行分析即可實(shí)現(xiàn)缺陷尺寸的定量評估[1-5]。由漏磁檢測原理可知，在管道漏磁檢測過程中，不僅管道中存在的缺陷會(huì)造成管壁磁場變化，修復(fù)缺陷的管道補(bǔ)板位置的壁厚增大也會(huì)影響磁場分布，產(chǎn)生類似于缺陷漏磁場的漏磁信號。若這類信號處理不當(dāng)，與缺陷漏磁信號相混淆，將會(huì)影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度及置信度[6]。

文章在管道漏磁內(nèi)檢測原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)態(tài)磁場有限元分析理論，建立管道內(nèi)檢測仿真模型，研究了不同管道缺陷、補(bǔ)板情況下漏磁場的分布規(guī)律，搭建了管道內(nèi)檢測試驗(yàn)平臺，通過試驗(yàn)對管道缺陷和補(bǔ)板漏磁場的分布特征進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果對今后管道漏磁檢測信號自動(dòng)識別技術(shù)的發(fā)展具有重要的參考作用[7-8]。

1 管道漏磁檢測有限元分析模型

1.1 漏磁檢測有限元分析理論

漏磁檢測涉及的磁場有限元分析理論可轉(zhuǎn)化為麥克斯韋方程組的求解問題。在給定的邊界條件下，若漏磁檢測系統(tǒng)處于靜態(tài)磁場中，有限元分析求解的麥克斯韋方程組可寫為

(1)

?·B=0

(2)

?×H=J

(3)

式中：E為電場強(qiáng)度矢量；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；H為磁場強(qiáng)度矢量；J為永磁鐵產(chǎn)生的電流密度矢量；t為時(shí)間。

在實(shí)際管道漏磁檢測過程中，漏磁檢測系統(tǒng)以一定的速度在管道內(nèi)沿管道軸向運(yùn)動(dòng)。由電磁感應(yīng)原理可知，變化的勵(lì)磁場會(huì)使管道產(chǎn)生環(huán)形電流，而環(huán)形電流形成的反向磁場會(huì)減弱被測管段的磁化強(qiáng)度[9-10]，從而導(dǎo)致實(shí)際管道局部磁化的磁場強(qiáng)度略低于靜態(tài)分析理論中的磁場強(qiáng)度。因此，在計(jì)算過程中應(yīng)考慮檢測系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的因素，調(diào)整靜態(tài)麥克斯韋方程組。當(dāng)管道中漏磁檢測系統(tǒng)的行進(jìn)速度為ν時(shí),式(1)可以調(diào)整為式(4)。

(4)

引入磁矢量A，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B的表達(dá)式為

B=?×A

(5)

由式(3)，(5)可導(dǎo)出

(6)

式中：μ為空氣磁導(dǎo)率。

對于任意的標(biāo)量K(其增量為ΔK)，將式(5)代入式(4)整理得

(7)

現(xiàn)定義Je為檢測系統(tǒng)或勵(lì)磁裝置運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)渦流，Js為源電流，則永磁鐵中產(chǎn)生的電流密度J可表示為

J=Je+Js

(8)

由管道的對稱性可得ΔK=0，引入材料的電導(dǎo)率σ(系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度為v時(shí)，材料的電導(dǎo)率為σv)，整理式(6)～(8)可得到漏磁檢測系統(tǒng)對管道進(jìn)行動(dòng)態(tài)磁化的漏磁場矢量偏微分方程

(9)

1.2 管道漏磁檢測有限元模型

在管道漏磁檢測過程中，檢測系統(tǒng)相對管道軸向運(yùn)動(dòng)，勵(lì)磁裝置在被測管段形成磁回路，當(dāng)被測管段存在缺陷或其他異常結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生漏磁場。試驗(yàn)在建立有限元仿真分析模型時(shí)僅考慮對磁路影響較大的勵(lì)磁裝置、氣隙和被測管段。管道漏磁檢測裝置的三維有限元模型如圖1所示。勵(lì)磁裝置由永磁鐵、銜鐵和鋼刷組成，根據(jù)分析對象的需要可在模型中加入不同規(guī)格的缺陷或補(bǔ)板等異常結(jié)構(gòu)。被測管段規(guī)格為159 mm×5 mm(直徑×壁厚)，材料為20鋼；勵(lì)磁源采用N48型高性能釹鐵硼永磁鐵，其矯頑力為895 000 A/m，內(nèi)徑為95 mm，外徑為120 mm，寬度為55 mm，銜鐵和鋼刷的厚度分別為25,10 mm。

圖1 管道漏磁檢測裝置的三維有限元模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 典型管道腐蝕缺陷有限元分析

為研究管道腐蝕缺陷的漏磁場分布特性，試驗(yàn)在模型中加入兩組圓錐形外壁缺陷來模擬典型腐蝕缺陷，第一組缺陷的半徑(也認(rèn)為是缺陷的寬度)為5 mm，缺陷深度設(shè)置為管道壁厚的20%，40%，60%，80%；第二組缺陷深度為管道壁厚的20%，缺陷半徑分別設(shè)置為5.0，7.5，10.0，12.5 mm。有限元分析得到管道腐蝕缺陷深度和寬度變化時(shí)的漏磁場分布曲線如圖2，3所示，可見，缺陷漏磁場的徑向和軸向分布曲線均沿缺陷中心呈對稱分布，缺陷漏磁場徑向分量分布曲線存在一正一負(fù)兩個(gè)峰值，正負(fù)峰值出現(xiàn)在缺陷邊緣附近，其峰峰間距與缺陷半徑存在對應(yīng)關(guān)系；缺陷漏磁場軸向分量同樣具有正負(fù)峰值，當(dāng)缺陷半徑較小時(shí)存在一正兩負(fù)3個(gè)峰值，但是當(dāng)缺陷半徑增大到一定程度后，漏磁場軸向分布曲線正峰值處發(fā)生改變，由單峰值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾逯?。?dāng)缺陷半徑一定時(shí)，缺陷產(chǎn)生的漏磁場徑向分量和軸向分量的峰峰間距不變，峰值隨著缺陷半徑的增大而增大；當(dāng)缺陷深度一定時(shí)，其漏磁場徑向分量峰值和峰峰間距均隨缺陷半徑的增大而增大，但漏磁場軸向分量曲線的中心峰值逐漸減小，且中心位置峰值由單峰轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾濉Ｒ虼?，可根?jù)缺陷漏磁場徑向和軸向的分布規(guī)律進(jìn)行管道缺陷半徑和深度尺寸的量化分析。

圖2 有限元分析得到的管道腐蝕缺陷深度變化時(shí)的漏磁場分布曲線

圖3 有限元分析得到的管道腐蝕缺陷半徑變化時(shí)的漏磁場分布曲線

2.2 管道補(bǔ)板漏磁檢測有限元分析

在有限元模型中加入兩組管道補(bǔ)板模型，第一組模型中補(bǔ)板寬度設(shè)置為100 mm,厚度分別設(shè)置為2.5，5.0，7.5，10.0 mm；第二組模型中補(bǔ)板厚度設(shè)置為5.0 mm,寬度分別設(shè)置為50，100，150，200 mm。有限元分析得到的補(bǔ)板厚度和寬度變化時(shí)的漏磁場分布曲線如圖4,5所示。

圖4 有限元分析得到的補(bǔ)板厚度變化時(shí)的漏磁場分布曲線

圖5 有限元分析得到的補(bǔ)板寬度變化時(shí)的漏磁場分布曲線

與缺陷漏磁場分布規(guī)律相似，補(bǔ)板漏磁場徑向和軸向分布曲線同樣沿補(bǔ)板中心呈對稱分布，漏磁場徑向分量曲線存在一正一負(fù)兩個(gè)峰值，峰值出現(xiàn)在補(bǔ)板邊緣附近。當(dāng)補(bǔ)板寬度較小時(shí)，漏磁場軸向分布曲線存在兩正一負(fù)3個(gè)峰值，隨著補(bǔ)板寬度不斷增大，其漏磁場軸向分布曲線逐漸演變?yōu)槿齼韶?fù)5個(gè)峰值。當(dāng)補(bǔ)板寬度一定時(shí)，隨著補(bǔ)板厚度的增大，其漏磁場徑向分量曲線的峰值先呈逐漸增大趨勢，當(dāng)厚度大于7.5 mm后，峰值趨于穩(wěn)定，不再增大；補(bǔ)板軸向分量曲線兩端的正峰值隨著厚度的增大而增大，中心處正峰值逐漸減小，同樣在厚度大于7.5 mm后，峰值趨于穩(wěn)定。補(bǔ)板厚度一定，寬度在50～200 mm內(nèi)逐漸增大時(shí)，補(bǔ)板漏磁場徑向分量的峰值和峰峰間距均逐漸增大，漏磁場軸向分量曲線兩端峰值的間距也逐漸增大，當(dāng)補(bǔ)板寬度大于100 mm時(shí)，其漏磁場軸向分量曲線中心處存在一段漏磁場強(qiáng)度不變的區(qū)域。

2.3 缺陷與補(bǔ)板漏磁場對比分析

匯總?cè)毕菖c補(bǔ)板漏磁場徑向分量的峰值(見表1)，并與相關(guān)曲線進(jìn)行對比，可以看出，在同一檢測方向的條件下，缺陷漏磁場徑向分量峰值1為正峰值，峰值2為負(fù)峰值；補(bǔ)板漏磁場徑向分量峰值1為負(fù)峰值，峰值2為正峰值，即缺陷漏磁場徑向分量正負(fù)峰值出現(xiàn)的順序與補(bǔ)板漏磁場的相反。與寬度參數(shù)變化相比，缺陷深度和補(bǔ)板厚度對漏磁場徑向分量峰值的影響更為明顯。由漏磁場軸向分量的分布曲線可知，由于補(bǔ)板寬度大于典型腐蝕缺陷的寬度，所以在補(bǔ)板漏磁場軸向分布曲線的中心位置存在一段平滑的直線段，而缺陷漏磁場的軸向分量隨著寬度的增大，其曲線中心位置由單峰逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾濉?/p>

表1 缺陷與補(bǔ)板漏磁場徑向分量的峰值對比

3 管道漏磁檢測試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果，筆者搭建了如圖6所示的管道漏磁檢測試驗(yàn)裝置，由卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)檢測裝置在管道內(nèi)行進(jìn)并完成檢測。試驗(yàn)采用規(guī)格為159 mm×5 mm(直徑×壁厚)的20號鋼鋼管，人工缺陷半徑為5 mm，深度分別為壁厚的20%，40%，60%，80%；管道補(bǔ)板厚度與鋼管厚度相同，沿管道周向的長度為150 mm，沿管道軸向的寬度分別為50，100，150 mm。管段中缺陷及管道補(bǔ)板布置如圖7所示。為方便霍爾元件的安裝，檢測系統(tǒng)設(shè)置了沿管道圓周分布的傳感器陣列，該傳感器陣列可采集漏磁場的徑向分量。

圖6 管道漏磁檢測試驗(yàn)裝置

圖7 管段中缺陷及管道補(bǔ)板布置示意

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

人工缺陷的徑向漏磁檢測信號如圖8所示，可見當(dāng)缺陷半徑不變，缺陷深度在20%～80%壁厚范圍內(nèi)變化時(shí)，漏磁信號徑向分量峰值隨著缺陷深度的增大而增大。管道補(bǔ)板的徑向漏磁檢測信號如圖9所示，可見，當(dāng)補(bǔ)板厚度不變，補(bǔ)板寬度在50～150 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，管道漏磁信號徑向分量的峰值隨著補(bǔ)板寬度的增大而增大，峰值間距也隨著補(bǔ)板寬度的增大而增大。將圖8和圖9的漏磁信號進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測方向一定時(shí)，缺陷與補(bǔ)板的徑向漏磁信號均存在一正一負(fù)兩個(gè)峰值；缺陷漏磁信號先出現(xiàn)負(fù)峰后出現(xiàn)正峰，而補(bǔ)板漏磁信號先出現(xiàn)負(fù)峰后出現(xiàn)正峰，峰值變化規(guī)律相反。

圖8 人工缺陷的徑向漏磁檢測信號

圖9 管道補(bǔ)板的徑向漏磁檢測信號

4 結(jié)論

(1) 管道缺陷深度和寬度的變化對漏磁場的徑向和軸向分量均存在影響。缺陷深度變化主要影響漏磁場徑向和軸向分量的峰值，缺陷寬度變化主要影響漏磁場徑向分量的峰值間距。

(2) 管道補(bǔ)板厚度和寬度的變化對漏磁場的影響與缺陷對漏磁場的影響相似，補(bǔ)板厚度變化主要影響漏磁場徑向和軸向分量的峰值，補(bǔ)板寬度變化主要影響漏磁場徑向分量的峰值間距。

(3) 與寬度變化相比，缺陷深度和補(bǔ)板厚度的變化對漏磁場徑向分量峰值的影響更為明顯。

(4) 在檢測方向相同的條件下，缺陷漏磁場徑向分量峰值1為正峰值，峰值2為負(fù)峰值，補(bǔ)板漏磁場徑向分量峰值1為負(fù)峰值，峰值2為正峰值，正負(fù)峰值出現(xiàn)的順序相反。