馮一璟， 張來斌， 鄭文培， 劉海濤

(1. 中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190; 2. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249)

0 引 言

我國的油氣長輸管道總里程已經(jīng)超過了三萬千米，其中現(xiàn)有油氣管道中的百分之六十以上已運行了二十多年[1]，管道老齡化問題日益突出，特別是四川輸氣管網(wǎng)、東北輸油管網(wǎng)等修建于20世紀(jì)六、七十年代的管道已連續(xù)運營了四十年以上，接近或超過了其設(shè)計壽命，逐步進(jìn)入后期事故多發(fā)階段，因此為了保證管道的安全平穩(wěn)運行，對在役管道的檢測勢在必行。管道內(nèi)檢測（in-line inspection，ILI）技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的維護(hù)管道安全性與完整性有效方法[2]，管道業(yè)主也會要求施工方對管道進(jìn)行內(nèi)檢測[3]，檢測和記錄分析管道的壁厚、管徑、管道內(nèi)部結(jié)蠟腐蝕情況以及焊縫等缺陷狀況對管道進(jìn)行定期維護(hù)，也可以監(jiān)測管道服役狀態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、掌握管道因腐蝕等原因形成的壓凹、折皺等管壁缺陷信息，從而避免盲目開挖維修[4]，有效預(yù)防管道重大惡性事故的發(fā)生，并延長管道使用壽命[5]。但管道內(nèi)檢測關(guān)鍵技術(shù)被國外少數(shù)管道檢測公司壟斷并實施嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，他們通常不出售檢測設(shè)備和技術(shù)[6]，只提供檢測服務(wù)并收取昂貴的檢測費用。目前開展管道內(nèi)檢測的國外公司有美國的TuboScope公司、英國的British Gas公司、加拿大的Corrpro公司、德國的Rosen公司和英國的GE-PII公司[7]，已擁有系列化的管道檢測器商業(yè)化產(chǎn)品達(dá)30余種，可為管道運營者提供全套的管道完整性檢測服務(wù)。我國在該領(lǐng)域的研究工作剛剛起步，雖然也研制出相應(yīng)的管道漏磁、超聲內(nèi)檢測設(shè)備，但在機(jī)械結(jié)構(gòu)性能、速度控制、缺陷定位精度以及量化識別等方面與國際先進(jìn)水平仍存在較大差距[8]。

目前，常用的電磁無損檢測方法主要有漏磁檢測、渦流檢測法、交流電磁場檢測法、電磁超聲法等。其中，漏磁檢測（MFL）、渦流檢測（EC）和交流電磁場檢測法（ACFM）已被證明是最適用于檢測和表征金屬中小型表面缺陷的電磁無損檢測技術(shù)[9]。但是MFL適用于檢測長度大于 4 mm 的缺陷，而 EC可以可靠地檢測更低數(shù)量級的小型表面缺陷，具有較高的靈敏度和裂紋檢出率。相比于 MFL 和 EC技術(shù)，ACFM結(jié)合了交變電壓降(ACPM)技術(shù)的無需校準(zhǔn)和渦流檢測無需接觸的優(yōu)點，是精確檢測表面缺陷的無損檢測方法之一，并且具有無耦合介質(zhì)、無環(huán)境污染、無表面處理等特點，因此它已作為一種替代其他電磁方法的無損檢測技術(shù)被用于金屬材料檢測中[10]。交流電磁場檢測技術(shù)的原理如圖1所示，檢測裝置在金屬表面產(chǎn)生均勻的電流，當(dāng)存在缺陷時，感應(yīng)電流會因為缺陷受到擾動，感應(yīng)磁場也會隨之改變。磁通密度水平分量（Bx）沿缺陷長度方向產(chǎn)生波谷，垂直分量（Bz）沿缺陷兩端產(chǎn)生一個波峰和一個波谷，通過采集磁場擾動可以檢測出缺陷的大小，其中磁通密度水平分量（Bx）用于確定缺陷的深度，磁通密度垂直分量（Bz）用于確定缺陷的長度，缺陷寬度對磁通密度基本無影響。

圖1 ACFM檢測原理

在儀器的研制方面，英國的 TSC 公司研制出了精度較高的 ACFM 檢測儀，技術(shù)處理方面也相應(yīng)地應(yīng)用到了其中的某些技術(shù)處理手段，在檢測性能上較為穩(wěn)定可靠。但國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，中國石油大學(xué)（華東）開發(fā)了陣列交流電磁場檢測探頭，并在缺陷智能可視化技術(shù)，信號處理方法等方面開展了研究工作；國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)在矩形線圈激勵裝置和檢測線圈設(shè)計，陣列傳感器開發(fā)，螺紋缺陷識別等方面也開展了一系列研究，但與國外成熟的技術(shù)相比表現(xiàn)出局限性和差距。

本文針對上述問題設(shè)計了一種用于檢測管道內(nèi)壁軸向缺陷的交流電磁場檢測探頭，采用有限元方法對探頭檢測過程中的磁場擾動進(jìn)行了數(shù)值模擬以及提離距離參數(shù)優(yōu)化，并且通過實驗測試驗證了該檢測裝置的性能，分析了缺陷尺寸與磁通密度之間的線性關(guān)系。

1 檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢測裝置由探頭、傳感器和箱體組成，如圖2所示。有研究表明，矩形線圈引起的磁場衰減率低于其他形狀的線圈，因此其檢測靈敏度最高[11]?？紤]到管道表面為弧面，因此本文設(shè)計了一種矩形探頭的變體，由激勵線圈、磁芯、彈簧和連接桿組成的弧面探頭，其中安裝在檢測裝置上的彈簧和連接桿避免了探頭與附著在管道表面雜質(zhì)之間的摩擦，延長了檢測裝置的使用壽命。

圖2 檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

檢測裝置的工作狀態(tài)如圖3所示，通過箱體內(nèi)的電源和信號發(fā)生器對激勵線圈提供一定幅度的正弦交流電，使管道內(nèi)壁感應(yīng)出均勻磁場。如果沒有缺陷，管道內(nèi)壁的感應(yīng)磁場均勻分布；當(dāng)缺陷存在時，電流會從缺陷中心分流，然后集中在缺陷兩端，安裝在磁芯中部的磁傳感器采集擾動磁通密度信號，通過對磁通密度信號的分析可以得到缺陷尺寸信息。

圖3 檢測裝置工作示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

本文采用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件建立了有限元模型，對探頭的檢測效果進(jìn)行仿真[12]，如圖4所示。由于每個探頭都具有相同的結(jié)構(gòu)，因此模型里采用一個探頭來模擬檢測裝置對缺陷的檢測過程，該有限元模型由帶有缺陷的管道段、弧面鐵氧體磁芯和弧面激勵線圈組成。激勵線圈中通入的交流電流設(shè)置為0.5 A；管道外徑為610 mm；壁厚12.5 mm；長度為300 mm；將管道內(nèi)表面的缺陷設(shè)置為半橢圓形缺陷。缺陷的尺寸為15 mm-3 mm-7 mm（長-寬-深）；激勵線圈的尺寸為155 mm-70 mm-160 mm-150 mm（長-寬-外徑-內(nèi)徑）。

圖4 有限元仿真模型示意圖

管道、磁芯和線圈的材料分別是AISI 1 030高碳鋼、錳鋅鐵氧體和銅[13]。為了在仿真時使求解器盡快收斂，將空氣的電導(dǎo)率設(shè)置為較小的非零值，不會影響仿真結(jié)果[14-15]。仿真模型中的材料參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型材料參數(shù)1)

2.2 仿真結(jié)果

有限元仿真結(jié)果如圖5所示，由磁通密度水平分量和垂直分量的仿真結(jié)果可知，Bx的波谷出現(xiàn)在缺陷最深處，Bz的波峰和波谷出現(xiàn)在缺陷兩端。顯然，磁通密度的畸變反映了缺陷的尺寸信息。仿真結(jié)果表明，該檢測探頭適用于管道內(nèi)壁的缺陷檢測。

圖5 磁通密度水平分量和垂直分量的仿真結(jié)果

3 參數(shù)分析

本文根據(jù)仿真模型分析了檢測探頭工作參數(shù)對缺陷磁場擾動的影響，并對結(jié)果進(jìn)行了討論，提出了以下公式來進(jìn)行影響程度分析，如圖6所示。垂直分量波峰和波谷之間的距離(Lz)；仿真模型中缺陷的實際長度(L0)；缺陷長度相對誤差(Lr)；Bx和Bz信號在沒有缺陷時的幅值(Mx0, Mz0)；Bx和Bz信號在有缺陷時的最大值(Mxmax, Mzmax)；Bx和Bz信號在有缺陷時的最小值(Mxmin, Mzmin)；Bx(Sx) 和 Bz(Sz)的檢測靈敏度，公式如下：

圖6 參數(shù)描述

根據(jù)ACFM的量化算法可知，Lr與缺陷長度有關(guān)，Sz與缺陷長度有關(guān)，Sx與缺陷深度有關(guān)。因此，Lr表示缺陷長度的檢測精度，Sx和Sz表示檢測靈敏度。

提離距離是指檢測探頭與管道內(nèi)壁之間的距離，從1.0～12.0 mm，步長為1.0 mm，磁通密度與提離距離的關(guān)系如圖7所示。隨著提離距離的增加，Bx減小，Bz增大，所以提離距離越小，檢測效果越好。但是如果提離距離過小，檢測環(huán)境的微小變化都可能會對磁場擾動產(chǎn)生顯著的影響，導(dǎo)致缺陷識別和量化產(chǎn)生較大的誤差。因此為了保持檢測穩(wěn)定性，提離距離不能太小。

圖7 提離距離與磁通密度不同分量的變化關(guān)系

Lr、Sx和Sz的具體數(shù)值如表2所示。通過對比分析可知，提離距離為4 mm時相對長度誤差(Lr)較小，Sx和Sz較高。因此選擇4 mm作為檢測探頭的最佳提離距離。

表2 提離距離參數(shù)分析

4 實驗測試

為了驗證檢測裝置的實用性，本文以4 mm的提離距離進(jìn)行了管道檢測實驗。 管道是一條2 500 mm長的無縫鋼管，通過電火花在管道內(nèi)壁加工了缺陷，使用弧形線圈和磁芯在管內(nèi)表面感應(yīng)磁場，如圖8所示，由信號發(fā)生器提供正弦電壓波形信號， 該信號被放大以激勵線圈來產(chǎn)生均勻的磁場，傳感器用于采集磁通密度信號，信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后發(fā)送到計算機(jī)進(jìn)行分析，在分析了磁通密度的水平分量和垂直分量曲線之后，可以獲得缺陷尺寸。

圖8 ACFM實驗系統(tǒng)

由于接觸面與附著面的滑移而產(chǎn)生的摩擦，環(huán)境噪聲以及裝置的振動都會不可避免地使磁感應(yīng)信號產(chǎn)生噪聲，所以對信號進(jìn)行降噪處理是非常必要的。原始實驗信號中可以看出明顯的波谷，即缺陷所在的位置，但信號中含有很多噪聲，對識別缺陷尺寸造成了一定影響。因此本文對原始實驗信號進(jìn)行了EMD降噪處理，分解后的磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量信號和磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直分量信號各層的結(jié)果如圖9和圖10所示。結(jié)果顯示，經(jīng)過EMD降噪處理后信號的噪聲明顯減少，有利于找出檢測信號與缺陷尺寸之間的關(guān)系。

圖9 磁通密度水平信號的IMF分量及降噪結(jié)果

圖10 磁場垂直信號的IMF分量及降噪結(jié)果

為了確定Bx與缺陷深度之間的關(guān)系，檢測裝置測試了相同長度（20 mm），寬度（1 mm）和不同深度（1 mm，2 mm，3 mm，4 mm）的缺陷。實驗結(jié)果如圖11所示，Bx的峰峰值隨缺陷深度的增加而增加，線性擬合的結(jié)果如圖12所示，Bx和缺陷深度具有理想的線性關(guān)系：Bx= 7.5depth + 21。r2反映了實際數(shù)據(jù)線和趨勢線之間的擬合程度。圖12中的r2值為0.922 9，因此缺陷深度與磁通密度之間的線性關(guān)系是可靠的。

圖11 使用檢測裝置檢測不同深度的缺陷的結(jié)果

圖12 線性擬合不同深度的缺陷

然后使用檢測裝置檢測相同深度（4 mm），寬度（3 mm）和不同長度（5 mm，10 mm，15 mm，20 mm）的缺陷，從而確定Bz與缺陷長度之間的關(guān)系。實驗結(jié)果如圖13所示，Bz的峰峰值隨缺陷長度的增加而增加。線性擬合的結(jié)果如圖14所示，Bz和缺陷的長度具有理想的線性關(guān)系：Bz= 3.7length + 4.5。圖14中的r2值為0.995 6，因此缺陷長度與磁通密度之間的線性關(guān)系是可靠的。

圖13 使用檢測裝置檢測不同長度的缺陷的結(jié)果

圖14 線性擬合不同長度的缺陷

5 結(jié)束語

本文提出了一種新型交流電磁場檢測裝置，旨在精確檢測管道內(nèi)表面上的缺陷。本文通過COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件，建立了管道缺陷模型和激勵線圈模型，在管道內(nèi)表面及裂紋面建立阻抗邊界條件模擬集膚效應(yīng)，得到管道內(nèi)表面缺陷附近磁場分布的3D計算機(jī)仿真模型，根據(jù)油氣管道內(nèi)檢測影響因素分析結(jié)果，完成了油氣管道內(nèi)檢測探頭開發(fā)，并制作了多種規(guī)格的缺陷，使用油氣管道內(nèi)檢測探頭對其進(jìn)行了檢測實驗，對原始實驗信號進(jìn)行了EMD降噪處理,并且通過探頭的定量評估和檢測分辨率的標(biāo)定獲得了缺陷尺寸與磁通密度分量之間的線性關(guān)系。通過本文的研究為檢測探頭的設(shè)計提供借鑒，為后續(xù)基于電磁信號的缺陷輪廓三維重構(gòu)研究奠定基礎(chǔ)。