弱磁場中漏磁檢測技術的研究

楊理踐，劉　斌，高松巍

(沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽　110870)

0　引言

石油天然氣的管道運輸是我國五大運輸產業(yè)之一，對我國國民經濟起著非常重要的作用，被稱為“能源血脈”。隨著服役時間的增長，因管道材質問題或施工、腐蝕和外力作用造成的損傷，使管道狀況逐漸惡化，潛在危險很大。管道檢測是保證管道安全運行的基本方法，在漏磁法、超聲法、渦流法以及射線法等諸多類型的管道檢測技術中，漏磁檢測技術是應用最廣泛、技術最成熟的鐵磁性管道缺陷檢測技術，它利用傳感器檢測缺陷處泄漏的磁信號，根據漏磁信號的特征確定缺陷的形狀、大小和位置。但是，漏磁檢測方法對管道壁進行充分的磁化，使檢測區(qū)域達到磁飽和狀態(tài)，這種方式不僅損耗高，而且對管道壽命有不良的影響[1-3]。弱磁激勵檢測技術不僅可以用于管道缺陷的檢測和定量分析，而且可以省去退磁過程，簡化測量系統(tǒng)。

文中在磁飽和檢測方法的基礎上，建立了弱磁檢測的二維模型，對管道的內外缺陷檢測進行了模擬仿真，并研究了內外缺陷的信號特征，識別精度。研究成果可為傳統(tǒng)漏磁檢測方法的改進和實際應用提供科學依據。

1　漏磁檢測技術原理

漏磁法對管道進行缺陷檢測的工作原理是利用永磁體通過鋼刷對管道壁進行充分的磁化，使其達到磁飽和狀態(tài)，在缺陷位置磁力線發(fā)生彎曲變形，并且有一部分磁力線泄漏出缺陷表面，利用磁敏傳感器檢測該泄漏磁場，從而可判斷缺陷的存在和特征。其基本結構如圖1所示。

1—管道壁；2—缺陷；3—鋼刷；4—永磁體；5—軛鐵；6—空氣；7—傳感器。

2　弱磁場檢測模型的建立

2．1漏磁場有限元分析

基于管道在線檢測的軸對稱結構，可以用簡化的二維模型來模擬仿真。分析靜磁場的麥克斯韋微分方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

控制方程可以改寫為：

(6)

在圓柱坐標系中(r，θ，z)，方程可以被簡化為：

(7)

式中磁標量位和激勵電流密度只有周向分量，可以看成是標量。

有限元模型不僅能對方程(7)進行直接求解，同時還能創(chuàng)建一個能量的函數方程，對求解空間能量的最小值進行求解。

(8)

(9)

所有單元矢量磁位組成方程的方程組可以用矩陣的形式表示：

[K][A]=[P]

(10)

式中：[A]為每個單元的矢量磁位矩陣；[K]為系數矩陣；[P]為邊界的矢量磁位矩陣。

通過一些算法的計算，每個單元的矢量磁位能夠被求解出來，從而磁通量密度B就能被求解出來。

2．2有限元模型建立

弱磁檢測模型中需要定義的材料有：空氣、永磁體、軛鐵、被測管壁?？諝庵恍瓒x其相對磁導率為1；永磁體選用N38型永磁材料；管壁的材質選用工程中應用廣泛的Q235低碳鋼；軛鐵部分常采用磁導率為300的低碳鋼，為達到弱磁場的檢測效果，鋼刷部分用空氣取代。

在設定遠場邊界條件后，ANSYS的后處理器提供的二維磁力線圖可以清楚、直觀地表現出管壁缺陷處磁場的空間分布情況。從圖2中可以看到，磁極中間的磁場分布最為密集，磁場最強，在磁極的外部區(qū)域，距離磁極越遠，磁力線分布越稀疏，磁場越弱。通過調節(jié)缺陷與磁極的相對位置，以及缺陷和傳感器的相對位置可以在某一范圍內確定弱磁場檢測環(huán)境。在本模型中，缺陷位于磁極水平方向上225 mm處，傳感器與管道壁提離值為零，該處可以實現弱磁場的檢測環(huán)境。

圖2　磁場的空間分布

2．3模型驗證

將厚度9mm的鋼條放置在永磁體的磁極上，提離值為50 mm，在磁極外部，距離磁極225 mm處，利用磁敏傳感器檢測鋼條上的人工矩形缺陷(寬2 mm，深2 mm)。傳感器所測得的信號經數據采集卡、信號傳輸線送入信號處理器進行濾波、放大、計算、模數轉換等處理，最后送入計算機進行存儲。仿真模型的計算中，設置同樣的檢測條件，則模擬計算漏磁信號曲線和實測漏磁信號曲線對比如圖3所示。從圖中可以看到，二者徑向漏磁信號Bx的峰峰值Bx(T-T)最大誤差為0.066T，軸向信號By的峰值By(Top)最大誤差為0.022T，誤差產生的原因是實驗中存在著地磁場和周圍環(huán)境的干擾，但兩組曲線基本重合，這表明所建二維軸對稱有限元仿真模型是正確的。

圖3　實測信號值與仿真值對比

漏磁信號的特征與缺陷特征存在著對應關系。由于缺陷的軸對稱性，徑向分量Bx成軸對稱分布，在缺陷的兩個邊緣處產生峰值，并且缺陷中心處的值為零，峰值之間的寬度和峰峰值的大小與缺陷形狀有關系。軸向分量By在缺陷中心處出現峰值，峰值大小與缺陷的形狀有關系。如圖4所示，對相同大小的矩形缺陷分別在磁飽和與弱磁的環(huán)境下進行檢測，因為傳感器與磁極的相對位置不同，所以信號方向不同。從檢測結果中可以發(fā)現，磁飽和環(huán)境下，徑向漏磁信號Bx在缺陷兩邊緣處出現峰值，峰峰值Bx(T-T)變化為3.0個測量單位，缺陷中心處軸向漏磁信號By出現峰值，峰值By(Top)變化為0.4個測量單位；弱磁環(huán)境下，徑向漏磁信號Bx的峰值沒有出現在缺陷的邊緣處，即兩個峰值之間的距離要小于缺陷的實際寬度，且峰峰值變化僅為1.38個測量單位，By峰值變化為0.18個測量單位。由此可見，弱磁環(huán)境下，檢測信號的幅值變化較小，近似為磁飽和環(huán)境下檢測信號的50%，并且漏磁信號所體現出的缺陷寬度要比實際寬度小50%。

圖4　強磁和弱磁環(huán)境漏磁信號的比較

3　弱磁信號的特征分析

3．1弱磁場檢測信號與缺陷深度的關系

在磁飽和環(huán)境下檢測時，缺陷長度一定，漏磁信號徑向分量Bx的峰峰值隨深度的增加而變大，與缺陷深度成線性關系，軸向分量By的峰值也隨缺陷深度的增加而變大，與缺陷深度成線性關系[4]。但是在弱磁環(huán)境下檢測，缺陷處漏磁信號徑向分量Bx峰峰值與缺陷深度成非線性關系；軸線分量By峰值隨缺陷深度的增加而變大，近似成線性關系。圖5為不同深度內缺陷漏磁信號分布趨勢圖，缺陷寬度一定(10 mm)，深度由管道壁厚的10%變化到50%，間隔為5%。從圖中可以看到，徑向信號Bx的峰峰值不隨缺陷深度增加而變大，在缺陷深度為40%壁厚的時候值最大，20%壁厚時值最小，且隨缺陷深度的增加有一定的分布趨勢。Bx在缺陷深度為35%～45%壁厚范圍內，分布較平穩(wěn)，不同深度缺陷的檢測信號變化不大，識別精度較低；在10%～30%壁厚范圍內，信號起伏較大，識別精度高。軸向信號By的峰值很小，且隨缺陷深度的增大，近似線性增加。

圖5　內缺陷漏磁信息分布

外缺陷檢測信號的分布規(guī)律與內缺陷檢測信號的分布規(guī)律有明顯的區(qū)別。圖6為不同深度外缺陷漏磁信號分布趨勢圖，徑向信號Bx峰峰值在缺陷深度為30%壁厚的時侯值最大，20%壁厚值最小。

圖6　外缺陷漏磁信號分布

通過圖5和圖6的比較可以看到，缺陷深度在25%～40%壁厚范圍內，內外缺陷的徑向漏磁信號分布趨勢正好相反；軸向信號的分布規(guī)律基本相同。由此可見，在弱磁環(huán)境中，隨缺陷深度的變化，內外缺陷徑向檢測信號的幅值變化范圍基本一致，但分布趨勢不同。

3．2弱磁場檢測信號與缺陷寬度的關系

缺陷深度一定(50%管壁厚)，寬度由2 mm變化到10 mm，間隔為2 mm．圖7為不同寬度內外缺陷漏磁信號分布圖。

圖7　內外缺陷漏磁信號分布

從圖7中可以看到，內外缺陷的軸向信號By的峰值隨缺陷寬度增加而變大，近似成線性關系，而且兩條曲線基本重合，沒有明顯差別；但是徑向信號峰值Bx(T-T)在缺陷寬度小于8mm時，內外缺陷的漏磁信號曲線基本重合，隨缺陷寬度的增加而變大，近似成線性關系，在缺陷寬度大于8 mm后，內缺陷的徑向信號變化明顯變快，與外缺陷信號的變化趨勢有明顯差別，并且這種變化趨勢受缺陷深度影響不大，也就是說在本模型中，當缺陷深度一定時，缺陷寬度大于8 mm時，內外缺陷在弱磁環(huán)境下是可以識別的。

4　結論

(1)從仿真模型的計算結果當中可以看到，在磁極周圍的一定區(qū)域，可以通過調整缺陷與磁極、傳感器之間的提離值來實現弱磁場檢測環(huán)境。

(2)在弱磁環(huán)境中，檢測信號徑向分量Bx的峰值和軸向分量By的零點值不是出現在缺陷的邊緣處，即弱磁檢測到的缺陷寬度比實際值要小，弱磁場檢測對缺陷的寬度識別精度低。

(3)當缺陷的寬度一定時，弱磁場檢測信號的徑向分量Bx的峰峰值不隨缺陷深度的增大而增大，內外缺陷峰峰值Bx(T-T)在一定缺陷深度范圍內，分布趨勢相反；軸向信號峰值By(Top)對缺陷深度的增大而增大，近似線性關系，而且內外缺陷的By(Top)曲線基本重合。

(4)當缺陷的深度一定時，弱磁場檢測信號的徑向分量和軸向分量與缺陷寬度成線性關系變化，即隨寬度的增加，Bx(T-T)和By(Top)變大。當缺陷寬度大于8 mm時，內缺陷的徑向分量峰峰值Bx(T-T)變化幅度變大，與外缺陷信號變化趨勢明顯不同。

參考文獻：

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[4]劉秀清，高松巍，楊理踐．ANSYS在管道漏磁法檢測中的研究和應用．沈陽工業(yè)大學報，2001，23(1)：28-31．