瞬變電磁法檢測埋地金屬管道腐蝕模型的ANSYS仿真

吳莉佳，胡 博，于潤橋，郝延松

(無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063）

0 引言

埋地金屬管道在工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)運輸中廣泛使用。由于其具有腐蝕泄漏甚至爆炸的潛在危險性，對其腐蝕性檢測確保安全運行意義重大。埋地金屬管道的腐蝕性檢測可分為管道內(nèi)腐蝕檢測和管道外腐蝕檢測。管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)主要包括智能清管器超聲波法［1］和智能清管器漏磁法［2］。清管器超聲波法檢測準確度高，但不適合在輸氣管線和含蠟高的輸油管線上進行檢測;清管器漏磁法檢測精度不如清管器超聲波法高，且對管道上的軸向裂縫檢測有一定難度。內(nèi)檢測方法均無法在非開挖不停輸?shù)臈l件下進行檢測，且易出現(xiàn)內(nèi)置爬行器卡殼堵塞現(xiàn)象。管道外腐蝕檢測主要是通過對陰極保護系統(tǒng)進行檢測［3-6］，而即使在良好的陰極保護下，管道有時也會發(fā)生腐蝕或泄漏。所以，僅通過對防腐層的檢測判斷管道的腐蝕狀況并不是最理想的方法。

瞬變電磁法是一種人工源的時間域電磁法，它是利用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，利用不接地回線向地下發(fā)射一次場，在一次場的間歇期間，測量出地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場隨時間的變化，來達到探測地下地質(zhì)體的目的［7］。該技術(shù)具有簡單易行、信息豐富、精度較高、投資小、見效快等優(yōu)點。目前，瞬變電磁法在地質(zhì)礦產(chǎn)、石油、煤礦、考古、工程物探等行業(yè)中已被廣泛應(yīng)用［8-12］。瞬變電磁法檢測埋地金屬管道是一個比較新的應(yīng)用技術(shù):黃桂柏［13］在大慶油田開展了瞬變電磁法檢測管體腐蝕狀況的探索性試驗;高永才等［14］對瞬變電磁法金屬管道腐蝕檢測模型進行了理論分析;石仁委［15］研究了基于瞬變磁場對理地管道腐蝕地面檢測技術(shù)，并在勝利油田進行了工程檢測。但以上都是使用對電磁場的反演擬合方法來檢測埋地金屬管道，用瞬變電磁檢測埋地金屬管道的正演研究成果甚少。

在國外，R.U.B?rner等［16］提出了在磁偶極源和電偶極源下三維瞬變電磁場的數(shù)值計算方法;A.Swidinsky等［17］計算了埋在層狀地質(zhì)下電阻薄板的三維電磁場響應(yīng)。在國內(nèi)，閆述等［18］在時間域?qū)ω撾A躍脈沖激發(fā)的二維瞬態(tài)場進行了數(shù)值分析;章飛亮［19］研究了考慮激電效應(yīng)的瞬變電磁場正演理論，并探討了不同模型下激電效應(yīng)對瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律;徐凌華等［20］用有限單元法計算了二維大地電磁響應(yīng)。由于三維正演問題本身的復(fù)雜性，以及計算量、計算速度、存儲量的限制，目前二維反演方法仍是實際資料定量解釋的主要手段。正演問題作為瞬變電磁檢測埋地金屬管道的理論基礎(chǔ)和研究瞬變電磁場響應(yīng)特征的基本手段，對其進行深入研究有著重要意義。

本研究利用ANSYS有限元仿真軟件建立二維模型，對比計算地下埋有金屬管道后地面磁場分布，計算不同腐蝕程度的埋地金屬管道地面磁場分布;從理論上驗證瞬變電磁法檢測埋地金屬管道腐蝕失效的可行性，分析瞬變電磁法對埋地金屬管道腐蝕的探測能力。

1 模型參數(shù)

埋地金屬管道模型瞬變電磁場仿真的實際問題是三維的，但三維計算復(fù)雜、計算量大、模擬難度非常大。鑒于本研究僅考察某個檢測點剖面的磁場，設(shè)管道中心軸方向上的磁場不變，從而將三維問題簡化為二維模型(圖1)。二維模型中，埋地金屬管道在某個檢測點的剖面簡化為圓環(huán)，管壁缺陷簡化為環(huán)狀缺陷［21］。分別模擬計算壁厚為10、8、4、2 mm的埋地金屬管道的瞬變電磁場。激勵線圈簡化為等效磁偶極形式的環(huán)向電流。地表簡化為水平地面。管道內(nèi)填充空氣，地表上方填充空氣，地表下方與管道之間填充土壤。

圖1 埋地金屬管道示意圖Fig.1 Diagram of buried metal pipeline

用ANSYS模擬埋地金屬管道模型的瞬變電磁場時，整個模型采用基于節(jié)點的磁場單元plane53建立二維模型，設(shè)置4種材料:空氣、管道、線圈、土壤。4種材料的屬性見表1。由于實際問題屬于開域問題，但有限元仿真只適用于封閉的邊界區(qū)域電磁場計算，所以仿真中需要對開域情況做一定處理。本模型對最外層所有空氣施加磁力線平行邊界條件，用來模擬無限遠場狀態(tài)，來滿足電磁場的有限元計算的要求。模型計算范圍設(shè)定為2 m×2.3 m的長方形。其中，上半部分2 m×0.3 m的區(qū)域為空氣，下半部分2 m×2 m的區(qū)域為埋有金屬管道的土壤，土壤覆蓋的范圍達到管道外徑的3～5倍，可以認為邊界的影響很小。模型原點設(shè)在管道橫截面的中心，設(shè)管道軸心為y軸，橫截面為x-z面。管道的埋深即管道橫截面的中心距地面1 m，管道內(nèi)徑為18 mm。激勵線圈水平放置于地表面，為1 m×1 m方形線圈，線圈橫截面積為10 mm×20 mm，共30匝，填充率為0.95。激勵信號加載在線圈上，激勵信號電壓有效值為12 V。當t=0時激勵信號關(guān)斷，關(guān)斷時間為10 μs。線圈耦合自由度CURR(電流)，模型計算求解后可獲得其磁場強度及磁力線圖等結(jié)果。仿真模型網(wǎng)格劃分等級為2(可選1～10，1最細，10最粗)，且采用自由劃分方式。

表1 材料的參數(shù)表Table 1 Parameters of materials

2 結(jié)果與討論

2.1 有無管道的瞬變電磁場對比

利用ANSYS仿真軟件中POST1通用后處理器，可以對某一模型查看任意時刻的磁力線分布圖。圖2為信號關(guān)斷后t=0.18 s時地下沒有金屬管道的磁力線圖，圖中模型分為上、下2部分，上半部分為空氣，下半部分為土壤。交界處為地表面，激勵線圈水平放置在于地表面，在圖中為上下部分交界處的2個小矩形。圖3為信號關(guān)斷后t=0.18 s時金屬管道埋深1 m、壁厚8 mm的磁力線分布圖，圖右側(cè)A～I的數(shù)值從外至里依次表示圖中9條磁力線上磁場強度的大小。

圖2、圖3中最里層磁力線數(shù)值最大，最外層磁力線數(shù)值最小，說明土壤中磁場強度從里至外逐漸減小。從磁力線分布分析，圖2中地下沒有金屬管道，磁力線均勻分布在土壤中;圖3中金屬管道埋深1 m、壁厚8 mm的9條磁力線中有6條集中在管壁上。說明當?shù)叵聸]有金屬管道時土壤中磁場強度依次均勻減弱，當?shù)叵侣裼薪饘俟艿罆r管壁上磁場強度較強，土壤中磁場強度較弱。從數(shù)值上分析，地下埋有金屬管道的磁場強度比地下沒有金屬管道的磁場強度強約3倍。綜上得出:信號關(guān)斷后，地下沒有金屬管道時磁場較弱且由內(nèi)至外均勻減弱;地下埋有金屬管道時埋地金屬管道上磁場較強，土壤中磁場較弱。

圖2 地下無管道的磁力線Fig.2 Magnetic lines of no pipeline in the underground

2.2 不同時刻的瞬變電磁場

為了查看在激勵信號關(guān)斷后磁場變化情況，實驗利用ANSYS仿真軟件中POST 1通用后處理器查看埋地金屬管道壁厚8 mm的模型中不同時刻磁力線分布圖。圖4為埋深1 m壁厚8 mm的管道在激勵信號關(guān)斷后 t分別為 0.02、0.03、0.04、0.06 s磁力線分布圖，圖中共 9 條磁力線，圖右側(cè)A～I的數(shù)值從外至里依次表示圖中9條磁力線上磁場強度的大小由圖可見，信號關(guān)斷后，隨時間線圈周圍的磁力線隨時間增加逐漸減少，埋地金屬管壁上磁力線隨時間增加逐漸增多。說明信號關(guān)斷后，線圈周圍的磁場強度隨時間逐漸減弱，管壁上的磁場強度隨時間逐漸增強。

圖3 管道埋深1 m壁厚8 mm的磁力線Fig.3 Magnetic lines of 8 mm thickness and 1 m in buried depth pipeline

2.3 不同腐蝕程度的瞬變電磁場

管道腐蝕后壁厚發(fā)生變化，腐蝕程度不同即壁厚不同。為比較激勵信號關(guān)斷后管道腐蝕程度不同的磁場強度，對壁厚為10、8、4、2 mm埋地金屬管道分別建立4個模型，并計算激勵信號關(guān)斷后管道中心z軸磁場強度(Hz)的大小。計算時間從信號關(guān)斷后 0.000 01 s到 0.180 01 s，歷時0.18 s，每 100 μs取一個值，共取1800 個值。

利用POST26時間歷程后處理器將各模型計算出的管道中心z軸磁場強度(Hz)的大小列表，再用MATLAB畫出圖像，見圖5。圖中橫坐標為時間的自然對數(shù);縱坐標為管道中心z軸磁場強度(Hz)幅值的自然對數(shù)。圖中拐點前半部分為負值取反后所得，拐點后半部分為正值直接得出。從圖中可以看出，4條曲線尾支明顯分離。說明管內(nèi)徑相同時，壁厚不同的脈沖瞬變響應(yīng)曲線是可分的。

圖4 磁力線分布圖Fig.4 Magnetic force line distribution

表2 不同壁厚的磁場強度(Hz)Table 2 Magnetic field intensity(Hz)of various metal pipeline wall thicknesses

圖5 管內(nèi)徑18 mm不同壁厚仿真瞬變響應(yīng)幅值對比Fig.5 Amplitude comparison of TEM field response with various metal pipeline wall thickness of 18 mm inner diameter

將t=0.18 s時各模型的磁場強度計算結(jié)果列表，見表2。由表可見，各模型磁場強度相差1E-3 A/m以上。說明當線圈中心點磁場強度差值大于1E-3 A/m時，能在激勵信號關(guān)斷0.18 s后檢測出管道埋深在1 m以內(nèi)，壁厚相差大于2 mm的埋地金屬管道。

3 結(jié)論

1)地下沒有金屬管道時，土壤中磁場較弱且由內(nèi)至外均勻減弱;地下埋有金屬管道時，埋地金屬管道管壁上磁場較強。

2)激勵信號關(guān)斷后，隨時間增加，激勵線圈周圍磁場強度逐漸減弱，埋地金屬管道管壁上的磁場強度逐漸增強。

3)當金屬管道埋深一定、腐蝕程度(即壁厚)不同時，磁場強度曲線尾支明顯分離，且管壁越厚磁場強度越大。

4)當線圈中心點磁場強度大于1E-3 A/m時，能在激勵信號關(guān)斷0.18 s后檢測出管道埋深在1 m以內(nèi)，壁厚相差大于2 mm的埋地金屬管道。

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