有限元方法在管道外漏磁檢測中的應(yīng)用

高廷巖，于永亮，韓天宇，董 平

（南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，南京 210000）

石油化工類企業(yè)存在大量地面管道，由于其輸送介質(zhì)的復(fù)雜，加之外部空氣、管內(nèi)積液、壓力波動等原因，管壁極易出現(xiàn)裂紋、沖刷損傷和腐蝕變薄等現(xiàn)象，直接影響管道的使用壽命。在管道的失效和破壞因素中，腐蝕是管道損壞的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，管道因腐蝕所造成的損壞大約占全部管道損壞的90%［1－2］。因此，檢測管道的腐蝕狀況就成為預(yù)防管道事故的前提。

在眾多對腐蝕缺陷的檢測方法中，漏磁檢測方法有其獨(dú)到之處。其與輸送的介質(zhì)無關(guān)，對檢測環(huán)境的要求很低，可帶防腐層檢測（不需要對表面進(jìn)行打磨處理）的特點(diǎn)，極大地降低了檢測成本，減輕了檢測人員的勞動強(qiáng)度［3－5］。該技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于常壓立式儲罐罐底板的腐蝕缺陷的檢測。

針對工業(yè)管道及管道主要缺陷形式，筆者采用一種特殊的漏磁檢測結(jié)構(gòu)（圖1）來進(jìn)行建模分析。該結(jié)構(gòu)由三個(gè)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)組合而成，結(jié)構(gòu)中各個(gè)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的銜鐵、永久磁鐵和極靴與待檢測的管道形成閉合磁回路，可以通過調(diào)整勵(lì)磁結(jié)構(gòu)間的相對角度滿足不同直徑管道的檢測需要。筆者利用有限元方法建立了該檢測結(jié)構(gòu)的三維模型，對比分析了多磁化單元引入后的腐蝕缺陷上方漏磁場的變化。建模分析了不同幾何尺寸的管道腐蝕缺陷漏磁場分布特性，得出不同深度、直徑、被檢測管道厚度、提離值的漏磁曲線軸向分量和徑向分量峰值曲線。所得結(jié)論為后續(xù)現(xiàn)場試驗(yàn)及定量分析缺陷的形狀和尺寸提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 建立有限元模型

管道腐蝕主要有管壁均勻減薄、蝕損斑、腐蝕點(diǎn)坑、應(yīng)力腐蝕裂紋等缺陷形式，其中點(diǎn)蝕坑占極大多數(shù)，因此文中有限元分析缺陷模型為點(diǎn)蝕坑模型。

如圖1所示，裝置中的銜鐵、永磁體、極靴、氣隙和被測管道組成了一個(gè)閉合磁路。為了更真實(shí)地模擬實(shí)際模型的外部環(huán)境，需要磁化結(jié)構(gòu)模型包圍適當(dāng)大小的空氣域，同時(shí)賦予管道、缺陷、磁化結(jié)構(gòu)和空氣不同的材料屬性，使得整個(gè)模型符合實(shí)際需要。

2 漏磁場參量分析

圖1 漏磁檢測裝置及原理示意

通過Ansys軟件計(jì)算求解，在后處理中可以以多種形式得到管道缺陷處漏磁場分布，包括磁通量密度、磁場強(qiáng)度的等值圖、矢量圖和沿某路徑的曲線圖等。筆者在缺陷上方與管壁一定距離處建立直線路徑，提取漏磁場軸向分量和徑向分量，定量分析缺陷處漏磁場變化。

2.1 漏磁信號與磁化單元數(shù)量的關(guān)系

為驗(yàn)證磁化結(jié)構(gòu)的影響，分別建立了單磁化結(jié)構(gòu)、雙磁化結(jié)構(gòu)和三磁化結(jié)構(gòu)漏磁檢測模型。在磁化結(jié)構(gòu)正下方建立直徑為φ4mm，深度為壁厚50%（壁厚6mm）的圓柱形模擬腐蝕缺陷。圖2為其在不同磁化結(jié)構(gòu)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。從云圖中可以看出，被磁化管道都接近磁飽和，能夠產(chǎn)生缺陷漏磁場；磁化結(jié)構(gòu)下方管壁內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，銜鐵、磁鐵、極靴次之，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)在缺陷處；磁化結(jié)構(gòu)數(shù)量增加后，管道磁化強(qiáng)度由于其它磁化結(jié)構(gòu)的引入有所增強(qiáng)，從而導(dǎo)致缺陷上方的漏磁場強(qiáng)度的增加。

在缺陷上方1mm處建立路徑，提取漏磁場軸向和徑向分量如圖3所示。可見，當(dāng)磁化結(jié)構(gòu)數(shù)量從一個(gè)增加到兩個(gè)時(shí)，磁化結(jié)構(gòu)下方的缺陷漏磁場較單磁化結(jié)構(gòu)時(shí)有所增加。當(dāng)磁化結(jié)構(gòu)數(shù)量增加到三個(gè)時(shí)，缺陷漏磁場的強(qiáng)度在雙磁化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上有所增加。從三種磁化單元模型的合磁場參量的變化可以認(rèn)為，由于其它磁化單元的引入，單磁化單元模型缺陷上方的合磁場整體有所增加。

2.2 漏磁信號與缺陷深度的關(guān)系

圖2 模擬圓柱缺陷在不同磁化結(jié)構(gòu)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖3 磁化結(jié)構(gòu)不同時(shí)不同位置處的漏磁通曲線

圖4 不同深度缺陷的漏磁通曲線

對缺陷直徑均為φ4mm，深度分別為管壁厚度（6mm）的20%～90%缺陷建立有限元模型。提取路徑上的磁場參量，得到不同深度圓柱缺陷上方距管壁1mm處的漏磁通密度軸向分量Bx、徑向分量By的分布曲線如圖4所示。

從圖4曲線分布特點(diǎn)可以看出，隨著圓柱缺陷深度的增加，軸向分量Bx和徑向分量By峰值都呈近似線性增長。

2.3 漏磁信號與缺陷直徑的關(guān)系

在三磁化單元模型的中間單元下方管壁建立了多個(gè)深度相同、直徑不同的圓柱形缺陷。缺陷深度均為2mm，直徑為φ3～15mm。經(jīng)過有限元建模計(jì)算，提取路徑上的磁場參量，得到不同直徑圓柱缺陷上方距管壁1mm處的漏磁通密度軸向分量Bx、徑向分量By的分布曲線如圖5所示。

由圖5磁場參量曲線可以看出，在一定直徑范圍內(nèi)（φ3～6mm），圓柱形缺陷漏磁通密度的分量Bx，By曲線峰值隨缺陷直徑的增加而增大。當(dāng)直徑大于φ6mm時(shí)，Bx，By曲線峰值與缺陷直徑呈現(xiàn)出遞減關(guān)系。該非線性關(guān)系給缺陷的判定帶來了一定的困難，特別是當(dāng)儀器采用閾值報(bào)警時(shí)容易造成缺陷的漏檢。

2.4 漏磁信號與被檢管壁厚度的關(guān)系

對直徑均為φ4mm，深度為2mm，管壁厚度4～12.5mm變化的缺陷建立有限元模型，并提取路徑上的磁場參量，得到不同管壁厚度上缺陷上方距管壁1mm處的漏磁通密度軸向分量Bx、徑向分量By的分布曲線如圖6所示。

從圖6曲線分布特點(diǎn)可以看出，隨著管壁厚度的增加，軸向分量Bx和徑向分量By峰值都呈近似線性減小。

雖然被測管道厚度不同，但相同幾何參數(shù)的缺陷漏磁曲線軸向分量形狀卻相同，只是管道壁厚的增加會導(dǎo)致被測管壁磁化飽和度的下降，使漏磁曲線隨著壁厚增加而整體下移。

2.5 漏磁信號與提離值的關(guān)系

對缺陷直徑均為φ4mm，深度為管壁厚度50%的缺陷建立有限元模型計(jì)算，并提取路徑上的磁場參量，得到不同深度圓柱缺陷上方距管壁1～3.5 mm處的漏磁通密度軸向分量Bx、徑向分量By的分布曲線如圖7所示。

從圖7曲線分布特點(diǎn)可以看出，隨著提離值的增加，軸向分量Bx和徑向分量By的峰值都呈近似二次減小。

圖6 不同管壁厚度缺陷的漏磁通曲線

圖7 不同提離值的漏磁通曲線

提離值的選取是一個(gè)矛盾，提離值的變化或波動可被看作干擾信號，對檢測結(jié)果帶來不利影響。減小提離值能夠使霍爾元件采集到更多漏磁場信息，但同時(shí)將增大由提離值的波動所引起的誤差；增大提離值會使霍爾元件采集到較少的漏磁場信息，但同時(shí)會減小由提離值波動引所起的誤差，因此要根據(jù)具體情況選取提離值。

3 結(jié)論

運(yùn)用有限元分析軟件對管道缺陷處漏磁場的漏磁進(jìn)行模擬仿真，可以方便地得到大量幾何形狀不同的缺陷磁場分布，為缺陷的識別提供依據(jù)并為定量分析做準(zhǔn)備。通過多磁化單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

（1）多個(gè)磁化單元的引入會造成磁場的疊加，從而對缺陷漏磁場造成一定的影響。磁化單元數(shù)量的增加會使缺陷處漏磁場增強(qiáng)，并且中間磁化單位的增加量要大于兩側(cè)。

（2）缺陷的幾何尺寸影響漏磁場分布，且兩者之間存在一定的關(guān)系。在一定直徑范圍內(nèi)，缺陷深度與漏磁信號呈近似線性關(guān)系；雖然被測管道厚度不同，但相同幾何參數(shù)的缺陷漏磁曲線軸向分量變化趨勢相同。

（3）給出了不同提離值的缺陷漏磁場分布曲線，檢測時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)選取提離值，有助于獲得良好的漏磁場信號。

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