郝大洋，饒連濤，劉覺非，蘇 林，成文峰，徐 杰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 材料與物理學(xué)院，徐州 221116；2.管網(wǎng)集團(tuán)(徐州)管道檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，徐州 221008)

管道運(yùn)行安全是管道行業(yè)的立足之本，通過各類檢測(cè)技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)管道缺陷是提升管道安全運(yùn)行水平的重要手段。因此，提高長(zhǎng)輸管道的缺陷檢測(cè)與評(píng)價(jià)水平對(duì)保證管道的安全運(yùn)行尤為重要[1-4]。

在焊接過程中，受焊接參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懀缚p處會(huì)出現(xiàn)凹坑、氣孔、咬邊、錯(cuò)邊、未融合等表面缺陷，而這些缺陷正是導(dǎo)致管道開裂的主要原因。目前，常用的管道無損檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、超聲檢測(cè)等。由于漏磁檢測(cè)具有檢測(cè)靈敏度高、不需要耦合劑等特點(diǎn)，漏磁檢測(cè)法已成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的管道無損檢測(cè)技術(shù)之一[5-7]。

基于漏磁檢測(cè)原理，借助COMSOL軟件，采用軸向勵(lì)磁方法對(duì)焊縫余高和凹坑缺陷處的漏磁場(chǎng)進(jìn)行了三維仿真，得到了不同參數(shù)下的磁通密度徑向分量和軸向分量分布曲線，著重探討了管道環(huán)焊縫因余高存在導(dǎo)致的增厚型信號(hào)特征與不同余高時(shí)缺陷存在導(dǎo)致的減薄型信號(hào)特征，以及缺陷位置(管壁、熔合線和焊縫中心)對(duì)漏磁信號(hào)的影響，提出了增厚型缺陷和減薄型缺陷復(fù)合時(shí)磁通密度分布曲線的分析方法，為管道焊縫缺陷漏磁信號(hào)的特征識(shí)別提供了參考。

1 管道環(huán)焊縫及缺陷的有限元模型

1.1 幾何模型

采用COMSOL有限元軟件的電磁模塊對(duì)管道漏磁檢測(cè)進(jìn)行仿真模擬，管道環(huán)焊縫的幾何模型如圖1所示，焊縫中心凹坑缺陷幾何模型如圖2所示。該模型中設(shè)管道徑向?yàn)樽鴺?biāo)軸x方向，軸向?yàn)樽鴺?biāo)軸y方向，即Bx為磁通密度徑向分量，By為磁通密度軸向分量。為便于比較分析，模擬計(jì)算的傳感器提離值、磁化器提離值均取1 mm，即傳感器、磁化器與管道內(nèi)壁的距離均為1 mm。

圖1 管道環(huán)焊縫幾何模型

圖2 焊縫中心凹坑缺陷幾何模型

1.2 材料屬性

由漏磁檢測(cè)原理可知，模型中的關(guān)鍵部件有管道、管道外側(cè)空氣罩、勵(lì)磁源、極靴、銜鐵等，模型中需分別對(duì)每個(gè)關(guān)鍵部件的材料屬性進(jìn)行定義。

該模型中采用永磁體作為勵(lì)磁源，設(shè)其矯頑力為8 960 kA·m-1，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0。管道材料為Q235鋼，在模擬過程中，為滿足實(shí)際需求，對(duì)不同的部分采用不同的磁化方式，其中空氣采用相對(duì)磁導(dǎo)率磁化，永磁體采用剩磁磁化，管道采用B-H曲線磁化[8]。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 焊縫余高對(duì)漏磁信號(hào)的影響

為了研究余高對(duì)漏磁信號(hào)的影響，取焊縫余高為0.5，1，1.5，2，2.5，3 mm，對(duì)不同余高下的磁通密度分布進(jìn)行計(jì)算，得到不同余高下的磁通密度徑向分量和軸向分量分布曲線如圖3所示。

由圖3(a)可知，焊縫處漏磁信號(hào)徑向分量Bx呈現(xiàn)典型的一正一負(fù)兩個(gè)峰，且對(duì)稱分布于焊縫中心兩側(cè)。Bx峰值隨著焊縫余高的增加顯著增大，即焊縫的漏磁信號(hào)強(qiáng)度隨著焊縫余高的增加而顯著增強(qiáng)。由圖4(b)可知，軸向分量By呈現(xiàn)一典型的凸峰特征，即一個(gè)波峰、兩個(gè)波谷，且By凸峰的峰值和兩側(cè)的谷值亦隨著焊縫余高的增加而增大。余高的存在相當(dāng)于管道焊縫處壁厚增加，相較于管壁處缺陷的減薄，余高的漏磁信號(hào)呈現(xiàn)典型的增厚特征，且余高越高，漏磁信號(hào)越強(qiáng)[9]。

余高約2 mm的實(shí)際管道環(huán)焊縫處漏磁信號(hào)(牽拉試驗(yàn)結(jié)果)如圖4所示，可見，模擬得到的焊縫處漏磁信號(hào)與實(shí)際信號(hào)特征非常吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性與可行性。

圖4 實(shí)際管道環(huán)焊縫處漏磁信號(hào)

為了進(jìn)一步分析不同焊縫余高下的漏磁信號(hào)特征，分別對(duì)不同焊縫余高下徑向分量Bx的峰峰值Bx_p-p(見圖5)和軸向分量By的峰谷值By_p-p(見圖6)進(jìn)行了比較?？梢钥闯龊缚p余高小于2 mm時(shí)，Bx_p-p和By_p-p均與余高成近線性關(guān)系；超過2 mm時(shí)，隨著余高繼續(xù)增加，Bx_p-p與By_p-p非線性增大，且增加速率逐步放緩。

圖5 不同焊縫余高下Bx峰峰值Bx_p-p

圖6 不同焊縫余高下By峰谷值By_p-p

2.2 焊縫中心缺陷深度對(duì)漏磁信號(hào)的影響

對(duì)于焊縫中心缺陷，為了便于比較分析，將缺陷簡(jiǎn)化為橢球體，設(shè)橢球體短半軸沿管子軸向長(zhǎng)度方向尺寸不變，均為2.5 mm；長(zhǎng)半軸沿管子徑向，即壁厚方向的尺寸為缺陷深度。為了研究不同余高下(13 mm)不同凹坑缺陷深度對(duì)漏磁信號(hào)的影響，筆者設(shè)計(jì)了相同直徑、不同深度的9種橢球型缺陷，即取凹坑深度分別為壁厚t的10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%和90%(管道壁厚t為10 mm)，計(jì)算不同深度下的漏磁場(chǎng)分布。

焊縫余高為1，2，3 mm時(shí)，不同深度橢球形缺陷磁通密度分布曲線如圖7，8，9所示。

圖7 余高1 mm時(shí)不同深度橢球缺陷磁通密度分布曲線

由圖7可知，與以往管道單一缺陷的漏磁信號(hào)相比，焊縫處缺陷的磁通密度分布曲線發(fā)生了明顯的復(fù)合現(xiàn)象。以往研究表明，軸向勵(lì)磁條件下，管道缺陷漏磁信號(hào)的徑向分量Bx分布曲線表現(xiàn)為典型的先負(fù)后正極性相反(減薄型)的兩個(gè)中心對(duì)稱峰[10-11]。由圖7(a)可知，焊縫缺陷的漏磁信號(hào)表現(xiàn)為外側(cè)先正后負(fù)的兩峰中間夾著內(nèi)側(cè)的先負(fù)后正的4個(gè)對(duì)稱分布的復(fù)合峰；而軸向分量By分布曲線則表現(xiàn)為外側(cè)凸峰中間夾著一個(gè)凹峰[見圖7(b)]。對(duì)該結(jié)果進(jìn)一步分析可知，焊縫余高所產(chǎn)生的信號(hào)上疊加了缺陷的漏磁信號(hào)，從而導(dǎo)致磁通密度分布曲線發(fā)生復(fù)合，且隨著缺陷深度增加，曲線的復(fù)合現(xiàn)象越明顯，如徑向分量Bx的外側(cè)峰(焊縫余高漏磁信號(hào))峰值逐漸降低，而內(nèi)側(cè)峰(焊縫缺陷漏磁信號(hào))的峰值增加。因此，可以根據(jù)曲線的復(fù)合程度初步判定焊縫上是否存在缺陷。

由圖8可知，當(dāng)焊縫余高為2 mm時(shí)，不同深度橢球缺陷磁場(chǎng)分布的徑向分量Bx分布曲線和軸向分量By分布曲線與焊縫余高為1 mm時(shí)的分布曲線類似，但二者所能檢測(cè)的缺陷深度范圍明顯不同，即相同缺陷時(shí)，隨著余高增加，內(nèi)側(cè)峰的漏磁信號(hào)整體變小，磁通密度分布曲線的復(fù)合程度變?nèi)?，這里僅能分辨出深度大于80%壁厚缺陷的漏磁信號(hào)特征。此外，由牽拉試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)余高達(dá)到2 mm時(shí)，焊縫中心僅深度大于80%壁厚的缺陷被有效檢出，其余均未被檢出，這與模擬結(jié)果吻合。

圖8 余高2 mm時(shí)不同深度橢球缺陷磁通密度分布曲線

由圖9結(jié)果可以看出，當(dāng)焊縫余高為3 mm時(shí)，磁場(chǎng)分布的徑向分量Bx分布曲線和軸向分量By的分布曲線均未見明顯復(fù)合。因此，無法根據(jù)曲線的復(fù)合有效判定焊縫上是否存在缺陷。

圖9 余高3 mm時(shí)不同深度橢球缺陷磁通密度分布曲線

綜上所述，當(dāng)焊縫余高增加時(shí)，根據(jù)曲線的復(fù)合程度去判斷焊縫上是否存在缺陷的有效范圍變小，即隨著焊縫余高的增大，焊縫上可有效檢測(cè)到的缺陷最小深度增大，這說明焊縫余高越大，同樣的缺陷越不容易被檢出。因此，焊縫上的缺陷能否有效檢出與焊縫余高密切相關(guān)。

不同焊縫余高下Bx曲線外側(cè)峰峰值Bx_p-p(即焊縫余高導(dǎo)致的漏磁信號(hào))如圖10所示，不同焊縫余高下焊縫中心區(qū)域峰值By_p-p如圖11所示。由圖10，11可知，焊縫余高相同時(shí)，隨著缺陷深度增加，Bx外側(cè)峰峰值減小，焊縫中心區(qū)域峰值By也減小；缺陷深度相同時(shí)，隨著焊縫余高的增大，Bx峰峰值增大，焊縫中心區(qū)域峰值By也增大。

圖10 不同焊縫余高下Bx峰峰值Bx_p-p

圖11 不同焊縫余高下焊縫中心區(qū)域峰值By_p-p

為了進(jìn)一步分析復(fù)合漏磁信號(hào)的特征，對(duì)焊縫余高為1 mm,凹坑深度為50%壁厚和焊縫余高為1 mm無缺陷時(shí)的磁通密度分布曲線以及兩者的相減曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖12所示?？梢娤鄿p曲線呈典型的減薄型缺陷漏磁信號(hào)特征，進(jìn)一步證明了焊縫余高與中心缺陷磁通密度分布曲線的復(fù)合現(xiàn)象。

圖12 焊縫有、無缺陷時(shí)磁通密度分布曲線及其相減曲線

2.3 不同位置橢球缺陷的漏磁信號(hào)分布特征

根據(jù)牽拉試驗(yàn)樣管中的缺陷制備方案，相同橢球凹坑處于不同位置時(shí)的幾何模型如圖13所示，分為3種典型情況：管壁(左側(cè)紅色凹坑)，熔合線(中間綠色凹坑)，焊縫中心(右側(cè)藍(lán)色凹坑)，不同位置缺陷的磁通密度分布曲線如圖14所示。

圖13 相同橢球凹坑處于不同位置時(shí)的幾何模型

由圖14可知，由于所處位置不同，相同缺陷的漏磁信號(hào)存在較大差異。其中缺陷位于管壁時(shí)的漏磁信號(hào)最強(qiáng)，而在焊縫中心時(shí)的信號(hào)最弱，位于熔合線時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度則介于兩者之間。該結(jié)果說明焊縫中心缺陷相較于其他位置的缺陷更難被檢測(cè)出來。后進(jìn)行牽拉試驗(yàn)，共預(yù)制12個(gè)圓柱形凹坑缺陷，凹坑直徑為8 mm,位置分別為近焊縫、熔合線和焊縫中心處，其中19號(hào)缺陷檢出，1012號(hào)缺陷未檢出，這與有限元模擬的結(jié)果是一致的(見圖15)，即缺陷位于焊縫中心時(shí)的檢測(cè)率最低。

圖14 不同位置的缺陷磁通密度分布曲線

圖15 牽拉試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

采用COMSOL軟件對(duì)不同余高下焊縫中心凹坑缺陷漏磁場(chǎng)分布特征進(jìn)行了仿真模擬，同時(shí)開展了牽拉試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論。

(1) 隨著焊縫余高增加，磁通密度徑向分量、軸向分量的峰值均非線性增大。通過牽拉試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性與可行性。

(2) 對(duì)于焊縫中心橢球凹坑缺陷，不同余高下可檢測(cè)出缺陷的尺寸范圍不同。隨著焊縫余高的增大，可檢測(cè)出的缺陷最小深度增大，即相同尺寸的缺陷，焊縫余高越大，越難被檢測(cè)出來。因此，焊縫余高的存在及其大小是決定焊縫上缺陷能否被檢測(cè)出的關(guān)鍵因素。

(3) 不同缺陷位置漏磁信號(hào)的分析表明，相同缺陷在管壁處、熔合區(qū)、焊縫中心處的漏磁信號(hào)強(qiáng)度依次減弱，進(jìn)一步說明同樣的缺陷在焊縫中心時(shí)最不易被檢出，該結(jié)果與牽拉試驗(yàn)結(jié)果一致。