管道復合缺陷漏磁信號特征分析

劉覺非 成文峰 蘇林 馬夢想 饒連濤 毛瑞麒 徐杰

摘要：基于漏磁檢測技術基本原理，采用有限元方法，運用COMSOL軟件對管道復合缺陷裂紋群和凹坑群的漏磁信號進行了仿真模擬。結果表明：對于裂紋群，隨著裂紋條數的增加，磁通密度徑向分量Bx峰值和軸向分量By幅值顯著增大，且Bx峰值間距向兩側偏移，By波形寬度略有增大;當金屬損失體積相同時，磁通密度徑向分量和軸向分量峰值不僅與缺陷尺寸有關，還與缺陷分布形式相關。對于沿軸向和周向分布的復合凹坑，當凹坑相互疊加時，在凹坑重疊部分發生漏磁信號的變化;當凹坑相互分離，兩凹坑的漏磁信號相互獨立，且信號強度不隨凹坑距離的繼續增加發生明顯變化。

關鍵詞：漏磁檢測;管道復合缺陷;裂紋群;凹坑群;有限元模擬

中圖分類號：TG115.28? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0006-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.02

0? ? 前言

漏磁檢測相較于其他無損檢測方法，如渦流檢測、射線照相檢測、超聲檢測、磁粉檢測等，具有對管道內環境要求不高、無需耦合、受外界干擾小，檢測速度快且易實現自動化等優點，適用于大面積、長距離管道的快速檢測，是目前國內外應用最為普遍的管道內檢測技術[1-5]。

以往研究多針對單一缺陷，如單一的裂紋和凹坑，通過改變缺陷的幾何參量（如深度、軸向長度、周向寬度等）來分析其對漏磁信號的影響。實際管道往往存在多個缺陷，并以缺陷群的形式集中分布在管壁或焊縫某一局部區域。目前，對于缺陷群漏磁信號的研究尚少，文中基于管道漏磁檢測技術基本原理，采用有限元方法對缺陷群漏磁場分布進行模擬仿真，分別考慮裂紋群和凹坑群，通過三維建模與計算，為缺陷群漏磁信號特征分析提供理論依據和參考。

1 漏磁檢測信號分析

1.1 漏磁檢測技術基本原理

漏磁檢測技術是基于鐵磁性材料的高磁導率特性，利用永磁體將鐵磁性材料磁化到近飽和狀態，當管道材料連續（即無缺陷）時，磁感線被均勻地約束在管壁內;當管壁材料不連續，即存在缺陷時，由于缺陷處的磁阻遠大于管材，會使部分磁感線從管壁漏出，進而在缺陷處形成漏磁場（見圖1）。利用磁敏元件可對缺陷處的漏磁場進行信號采集，通過數據處理與分析，可對缺陷的位置及幾何特征進行判別。利用基于麥克斯韋方程的有限元法和計算機輔助工程軟件可以求解漏磁場分布問題[6-12]。

1.2 漏磁檢測有限元模型

采用COMSOL軟件建立管道漏磁檢測三維有限元模型，如圖2所示（以復合凹坑為例，此處采用平板代替管道進行幾何模型的簡化分析）。模型相關參數設置如下：取壁厚10 mm，在管道中心預置復合凹坑缺陷，管道外側設置空氣層。設模型中x方向為管道徑向（即壁厚方向），y方向為軸向（管道長度方向），即Bx為磁通密度徑向分量，By為磁通密度軸向分量。采用永磁體作為勵磁源，其矯頑磁場Hc為850 kA/m，管材為1008鋼，設置銜鐵和極靴相對磁導率為7 000，管道外側介質為空氣，其相對磁導率為1.0。

1.3 漏磁信號分析

通過有限元計算得到的20 mm （軸向長度）×10 mm（周向寬度）×5 mm（深度）的單一橢球型缺陷的磁通密度分布曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在軸向勵磁方式下，磁通密度徑向分量Bx分布曲線為以原點為中心先負后正的兩個中心對稱峰（見圖3a）;By分布曲線呈現一個明顯的凹峰（見圖3b），極性為負。

實際管道檢測過程中某凹坑處的漏磁信號如圖4所示?？梢钥闯?，缺陷處磁通密度徑向分量呈典型的一負一正兩個中心對稱峰，軸向分量呈現明顯的凹峰，與仿真模擬得到的結果一致。因此，采用有限元模擬方法研究軸向勵磁條件下的缺陷漏磁通分布特征是可靠的。

2 管道復合缺陷漏磁信號特征分析

實際檢測中發現，除了單一缺陷，管道往往存在多個缺陷集中在某一區域的情況，且缺陷形狀和大小各異。為研究該情況下的缺陷漏磁信號，同時，為便于建模與計算分析，分別設計了裂紋群和凹坑群缺陷模型。

2.1 裂紋群的漏磁信號分析

單裂紋和多裂紋的模型示意如圖5所示。設裂紋缺陷參數為軸向長度0.2 mm，周向長度10 mm，深度為40%t（t為壁厚，10 mm）。多裂紋間距0.2 mm。通過模擬計算，得到單裂紋與不同多裂紋的磁通密度分布曲線，如圖6所示。

由圖6可知，對于磁通密度徑向分量Bx（見圖6a），當裂紋深度相同時，缺陷漏磁信號的峰值隨著裂紋條數的增加而顯著增大，且峰值間距向兩側偏移;磁通密度軸向分量By的幅值隨著裂紋條數的增加而增大，且波形寬度略有增大。

為了進一步研究單一缺陷與缺陷群之間漏磁信號的關系，同時構建了軸向長度等于裂紋群缺陷軸向長度之和的等效裂紋缺陷模型（即矩形缺陷），如三條裂紋的軸向長度之和為0.2 mm×3，則設置等效裂紋缺陷軸向長度為0.6 mm），其余尺寸相同，來模擬金屬損失總體積相同的裂紋群缺陷，進一步比較漏磁信號的差異，結果如圖7所示，三裂紋群與其等效裂紋缺陷的漏磁場分布云圖如圖8所示。

由圖7可知，當金屬損失總體積相同時，裂紋群與其相應的等效裂紋缺陷的漏磁信號相似，且兩者磁通密度徑向分量Bx的峰值間距與軸向分量By的波形寬度基本相同，但等效缺陷的信號峰值明顯高于裂紋群缺陷的峰值。此外，由圖8可知，三裂紋與其等效裂紋的磁通密度分布云圖相似，但等效裂紋的磁通密度極值大于三裂紋，與圖7結果一致?？梢?，通過對比缺陷群與其等效缺陷的漏磁信號，可以得到體積損失相同時缺陷群與單缺陷的漏磁信號差異，從而對缺陷分布形式進行初步判斷。

2.2 復合凹坑的漏磁信號分析

2.2.1 軸向分布復合凹坑的漏磁信號

沿管子軸向方向建立了兩個橢球形凹坑的三維有限元模型，設凹坑軸向長20 mm，周向寬為10 mm，深度為50%t，通過改變兩凹坑中心距離（見圖9），得到漏磁信號分布曲線如圖10所示。

由圖10可知，當兩凹坑距離小于100% L時（50%L、75%L），其漏磁信號分布曲線和單一凹坑（0%L）磁通密度分布曲線類似，這時復合凹坑Bx呈現一負一正兩個明顯的特征峰，75%L時由于兩凹坑缺陷的相互影響，在兩特征峰之間還存在兩個對稱分布極性相反的小峰;By除了兩凹坑中心呈現一顯著的凹峰趨勢外，還有個小的凸峰。而當凹坑距離大于等于100% L時，可明顯看出兩個獨立凹坑的磁場信號特征。此外，當兩凹坑距離為100% L時（即兩凹坑相切），相切處的Bx和By峰值均變小，分析認為，這是由于凹坑的Bx曲線先負后正的特性，在相切處，左邊凹坑的正峰與右邊凹坑的負峰發生部分抵消，故使峰值下降。綜上分析可知，兩個凹坑缺陷同時存在時，缺陷之間的距離對漏磁場分布產生明顯影響。

2.2.2 周向分布凹坑群的漏磁信號

將2.2.1中軸向分布的凹坑群旋轉90°，得到沿周向分布的橢球形復合凹坑，如圖11所示。為便于分析，給出了距管壁表面1 mm處不同凹坑距離下的磁通密度分布云圖，如圖12所示，其中藍色區域為負值，紅色區域為正值。

由圖11可知，周向復合凹坑與軸向分布的結果類似。對于磁通密度徑向分量，其整體分布呈現極性相反的對稱峰，且當兩凹坑距離達到100%L時，基本分裂出兩個較明顯且獨立的漏磁信號特征。

3 結論

文中運用COMSOL有限元軟件對復合裂紋群和凹坑群缺陷的漏磁場分布進行了仿真模擬，結果如下：

（1）對于裂紋群缺陷，隨著裂紋條數的增加，磁通密度徑向分量Bx峰值顯著增大，峰值間距向兩側偏移;軸向分量By幅值隨著裂紋條數的增加而增大，且波形寬度略有增加。

（2）當裂紋群和等效裂紋的金屬損失總體積相同時，磁通密度徑向分量和軸向分量分布曲線相似，但等效裂紋的Bx和By峰值明顯高于裂紋群的峰值。

（3）對于沿軸向和周向分布的復合凹坑，當凹坑距離達到100%L時，兩凹坑的漏磁信號相互獨立，且信號強度不隨凹坑距離的繼續增加發現明顯變化;當凹坑距離小于100%L時，在兩凹坑重疊部位相互影響，使中心位置漏磁信號發生變化。

參考文獻：

黃松嶺.油氣管道缺陷漏磁內檢測理論與應用[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

楊理踐，耿浩，高松巍.長輸油氣管道漏磁內檢測技術[J]. 儀器儀表學報，2016，37（8）：1736-1746.

程世奇.架空管道漏磁外檢測系統的研制及應用[D].湖北：華中科技大學，2015.

蘇林，成文峰，許志軍，等.油氣管道缺陷漏磁檢測有限元模擬[J]. 焊管，2020，43（4）：8-13，22.

毛瑞麒，馬夢想，饒連濤，等.管道環焊縫缺陷漏磁檢測仿真模擬[J]. 電焊機，2020，50（11）：28-36.

李久春.基于有限元的管道裂紋漏磁檢測仿真分析[J]. 無損檢測，2008（9）：590-593，607.

張周，沈立偉，高欣媛，等.基于ANSYS的城市金屬輸水管道內缺陷漏磁模擬[J]. 鋼管，2017，46（1）：64-67.

楊理踐，郭天昊，高松巍，等.油氣管道特殊部件的漏磁檢測信號特征分析[J]. 沈陽工業大學學報，2017，39（1）：43-47.

劉博，劉斌，楊理踐，等. 管道弱磁檢測技術的有限元仿真[J]. 油氣儲運，2015，34（7）：719-722.

方學鋒，于永亮，業成，等.基于有限元的油氣管道漏磁檢測器勵磁結構影響分析[J]. 石油化工自動化，2020，56（4）：62-65.

林漢陽. 檢測管道內外壁缺陷漏磁信號所產生漏磁場的仿真與分析[J]. 能源與環境，2019（1）：40-41，44.

高鵬飛，楊理踐，高松巍.基于漏磁檢測的金屬材料缺陷特征分布規律[A]. 第十七屆沈陽科學學術年會論文集[C].沈陽，2020.