油氣管道特殊部件的漏磁檢測(cè)信號(hào)特征分析*

楊理踐， 郭天昊， 高松巍， 劉 斌

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

信息科學(xué)與工程

油氣管道特殊部件的漏磁檢測(cè)信號(hào)特征分析*

楊理踐， 郭天昊， 高松巍， 劉 斌

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

針對(duì)油氣管道特殊部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了管道磁化后產(chǎn)生的磁場(chǎng)特征.基于管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理及麥克斯韋方程，采用Comsol有限元仿真軟件對(duì)管道特殊部件與缺陷進(jìn)行仿真，以漏磁信號(hào)軸向分量Bx所占的通道個(gè)數(shù)、Bx正負(fù)峰值出現(xiàn)的先后順序、Bx幅值以及軸向長(zhǎng)度作為分析判別管道特殊部件與缺陷的依據(jù)，對(duì)管道特殊部件上存在缺陷的整體漏磁信號(hào)Bx分量進(jìn)行特征分析，缺陷信號(hào)Bx在補(bǔ)板信號(hào)Bx內(nèi)側(cè)且極性相反時(shí)視為補(bǔ)板缺陷.結(jié)果表明，該方法在判別管道特殊部件存在缺陷方面具有一定的可行性.

永磁體； 管道內(nèi)檢測(cè)； 軸向分量； 特殊部件； 信號(hào)特征分析； 麥克斯韋方程； 有限元仿真； 漏磁

在石油天然氣行業(yè)中管道運(yùn)輸起到關(guān)鍵作用，管道在長(zhǎng)期的運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生裂紋腐蝕，威脅安全生產(chǎn)，因此需要對(duì)管道進(jìn)行定期檢測(cè).在管道檢測(cè)過(guò)程中會(huì)遇到管道特殊部件[1](管道補(bǔ)板、焊縫、閥門(mén)、三通、法蘭等)存在缺陷的情況，因?yàn)檫@些部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在管道被磁化后會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，分析并區(qū)分這些漏磁信號(hào)則可以提高管道檢測(cè)信號(hào)識(shí)別效率.

目前國(guó)內(nèi)唐鶯、吳德會(huì)等人建立了三維裂紋缺陷有限元仿真模型，通過(guò)Bx、By和Bz分量分析該缺陷漏磁信號(hào)的幾何性質(zhì)，如深度、長(zhǎng)度等與漏磁信號(hào)峰谷值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]；吳德會(huì)等人將漏磁信號(hào)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化后再進(jìn)行缺陷識(shí)別[3]；王少平提出電渦流三軸信號(hào)區(qū)分管道內(nèi)外壁缺陷的方法，并給出了關(guān)系曲面圖[4].國(guó)外Jens H等基于最大熵法提出反演算法，其中非線性反演算法更加適合對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行分析，以便識(shí)別缺陷的具體信息[5]；Muhammad A等提出針對(duì)無(wú)縫天然氣管道漏磁信號(hào)，采用歸一化最小均方自適應(yīng)濾波器和小波去噪方法對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理并分析[6].

本文基于管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理，采用仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，以特殊部件與缺陷漏磁信號(hào)軸向分量Bx的通道數(shù)目、Bx正負(fù)峰值出現(xiàn)的個(gè)數(shù)與先后順序、Bx幅值以及曲線軸向長(zhǎng)度作為分析判別的依據(jù).

1 管道漏磁檢測(cè)基本理論

1.1 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)(MFL)是指鐵磁性材料(如管道)試件被磁化后，當(dāng)試件表面或近表面存在缺陷時(shí)，缺陷切割磁感線運(yùn)動(dòng)會(huì)使材料的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，由于缺陷磁導(dǎo)率小、磁阻大，使磁通發(fā)生畸變漏出材料表面，通過(guò)檢測(cè)漏磁場(chǎng)的變化來(lái)確定缺陷程度的一種檢測(cè)方法.漏磁檢測(cè)技術(shù)前提條件是磁源要將管道等鐵磁性材料磁化至飽和或近飽和，以達(dá)到檢測(cè)器檢測(cè)效果最佳狀態(tài)，利用麥克斯韋方程有限元法和計(jì)算機(jī)輔助來(lái)求解漏磁場(chǎng)分布[7-8].

管道漏磁檢測(cè)器由管道、永磁體、鋼刷、軛鐵及磁敏元件組成.漏磁場(chǎng)形式分為壁厚減薄型漏磁場(chǎng)、壁厚增加型漏磁場(chǎng)和復(fù)合型漏磁場(chǎng)，如圖1所示.

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)過(guò)程中磁敏元件測(cè)得的漏磁場(chǎng)可分為磁化器形成的耦合場(chǎng)和特殊部件與缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng).管道無(wú)缺陷時(shí)漏磁場(chǎng)與耦合場(chǎng)相平衡，磁感線在管道內(nèi)均勻分布(圖1a所示)；由于缺陷導(dǎo)致管壁變薄，該處磁通密度變大，部分磁感線漏出管道，從而使漏磁場(chǎng)強(qiáng)度高于空氣耦合場(chǎng)強(qiáng)，漏磁場(chǎng)占主要成分(圖1b所示)；當(dāng)管道有增厚部件時(shí)，此處的管壁增厚磁通密度減小，使耦合場(chǎng)強(qiáng)度高于漏磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，空氣耦合場(chǎng)占主要成分，空氣中的磁感線進(jìn)入管壁(圖1c所示)；復(fù)合型漏磁場(chǎng)綜合了減薄和增厚兩種情況，在部件增厚處磁通密度變小，在相對(duì)部件減薄處磁通密度增大(圖1d所示).

圖1 漏磁內(nèi)檢測(cè)圖Fig.1 Schematic magnetic flux leakage inner inspection

1.2 漏磁場(chǎng)有限元模型分析

有限元法廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題，可用來(lái)建立管道缺陷漏磁場(chǎng)模型，分析電磁場(chǎng)領(lǐng)域等各類(lèi)問(wèn)題[9].應(yīng)用有限元方法求解電磁場(chǎng)偏微分方程的近似解，材料的任意方向、任意點(diǎn)的磁導(dǎo)率都是μ，因?yàn)闄z測(cè)裝置緩慢移動(dòng)，可以將該問(wèn)題歸為靜磁場(chǎng)問(wèn)題.

在管道結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)條件下，可選用圓柱坐標(biāo)系(r，θ，z)，A=A0(r，z)e0，其中，A為電流，e0為θ方向的單位矢量，經(jīng)過(guò)麥克斯韋方程矢量公式推導(dǎo)可以得出

(1)

式中，J為電流密度.

該式滿足泊松方程，屬于控制方程.它與邊界條件結(jié)合，構(gòu)成了邊值問(wèn)題是待求問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型.對(duì)幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的管道來(lái)說(shuō)，其矢量磁位的邊界條件可表示為

(2)

應(yīng)用解析法對(duì)式(1)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解很繁瑣，需要通過(guò)建立一個(gè)與式(1)等價(jià)的控制函數(shù)，并且在近似函數(shù)區(qū)域內(nèi)求此控制函數(shù)的極小值.而其對(duì)應(yīng)的邊界條件為式(2)，可以求得該管道漏磁場(chǎng)有限元模型的解和空間中任意點(diǎn)的磁力線分布與磁場(chǎng)強(qiáng)度[10].

2 管道特殊部件及缺陷仿真分析

2.1 特殊部件及缺陷模型

運(yùn)用Comsol4.4仿真軟件對(duì)永磁勵(lì)磁管道特殊部件和缺陷的檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，圖2為管道的特殊部件及缺陷結(jié)構(gòu)圖.永磁勵(lì)磁管道內(nèi)檢測(cè)結(jié)構(gòu)中，管道的長(zhǎng)度為1 000mm，管壁厚15mm；補(bǔ)板厚度為10mm，寬度140mm；法蘭厚100mm，寬度200mm；螺旋焊縫厚度8mm，寬度15mm；缺陷深度8mm，寬度50mm，長(zhǎng)度20mm；三通壁厚15mm，高度350mm.

圖2 管道特殊部件及缺陷結(jié)構(gòu)Fig.2 Special parts and defect structure of pipeline

2.2 特殊部件及缺陷漏磁信號(hào)軸向分量分析

仿真中將三維截線布置在內(nèi)壁上得出仿真數(shù)據(jù)，將補(bǔ)板、螺旋焊縫、法蘭、三通與普通缺陷有限元仿真結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并應(yīng)用MATLAB繪制三維漏磁信號(hào)軸向分量Bx曲線如圖3所示.

圖3a補(bǔ)板有兩個(gè)負(fù)峰值且一般補(bǔ)板尺寸比焊縫要大；圖3b螺旋焊縫所產(chǎn)生漏磁場(chǎng)的軸向磁通密度曲線只存在一個(gè)峰值；圖3c中法蘭漏磁信號(hào)的軸向分量為下凹曲線，法蘭在實(shí)際中是兩個(gè)管道利用兩個(gè)環(huán)形鋼焊接起來(lái)的，因此，漏磁信號(hào)軸向分量為兩條，只有一個(gè)負(fù)峰值的信號(hào)并列排列；圖3d中，由于三通形狀的特殊性，內(nèi)側(cè)為正極性，屬于復(fù)合型漏磁場(chǎng)且為圓形.

圖3f中整個(gè)補(bǔ)板漏磁軸向信號(hào)中間存在另一個(gè)極性相反的缺陷漏磁信號(hào)，符合圖3a、e中補(bǔ)板和缺陷所示曲線圖的組合.同理，管道特殊部件存在缺陷時(shí)會(huì)有兩個(gè)極性不同，峰值不同的信號(hào)同時(shí)出現(xiàn).圖3g為正常管道情況下的Bx曲線圖，可以看出每個(gè)通道信號(hào)相互平行沒(méi)有突變.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用永磁體勵(lì)磁方式，管道為x52鋼，壁厚15 mm，檢測(cè)通道數(shù)為144，傳感器分布在管道內(nèi)壁一周且每個(gè)通道間隙10 mm.實(shí)驗(yàn)流程圖如圖4所示，在管道不同的地方存在特殊部件及缺陷(圖4僅以缺陷為例)，檢測(cè)漏磁信號(hào)的軸向分量.

圖3 管道特殊部件與缺陷漏磁信號(hào)Bx曲線Fig.3 Bx curves for magnetic flux leakage signal of special parts and defects of pipeline

永磁體磁化管道后產(chǎn)生磁化區(qū)，利用霍爾傳感器采集漏磁信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果.

3.2 結(jié)果分析

將結(jié)果在DetectDataAnsys中顯示可以很直觀地看出，在沒(méi)有缺陷的地方信號(hào)均勻平穩(wěn)，在有缺陷或者特殊部件的地方信號(hào)有明顯變化，具體分析如圖5所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)流程Fig.4 Flow chart of experiment

圖5 管道特殊部件與缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Detection results for special parts and defects of pipeline

圖5a中補(bǔ)板漏磁信號(hào)軸向分量上有兩個(gè)峰值，其寬度大致為24個(gè)通道間隙，長(zhǎng)度大致為200 mm.補(bǔ)板上下兩側(cè)信號(hào)沒(méi)有明顯趨于平緩.將每一個(gè)通道信號(hào)組合在一起形成了管道補(bǔ)板的漏磁信號(hào)軸向分量圖，與圖3a中的補(bǔ)板信號(hào)軸向分量一致.

圖5b中由于螺旋焊縫為繞管道首尾相連，整體數(shù)據(jù)很多，因此截取1～32通道中漏磁軸向分量信號(hào)進(jìn)行分析.每個(gè)通道采集的信號(hào)有一個(gè)峰值且為負(fù)極性，組合起來(lái)形成螺旋焊縫的漏磁信號(hào)軸向分量圖，與圖3b中螺旋焊縫漏磁信號(hào)軸向分量曲線圖相一致.

圖5c中截取0～62通道的漏磁軸向分量信號(hào)作為結(jié)果顯示分析，每一個(gè)通道檢測(cè)信號(hào)有兩個(gè)峰值且為負(fù)極性，這是由于實(shí)際兩管道焊接需要得到的，組合起來(lái)形成了法蘭的漏磁軸向分量圖，與圖3c中法蘭曲線相一致.

圖5d中三通為空心圓柱，通道49～93為三通的軸向?qū)挾?，由于三通屬于減薄增厚情況都存在的特殊部件，因此軸向分量信號(hào)兩側(cè)正峰值、內(nèi)側(cè)負(fù)峰值，與仿真相一致.

最常見(jiàn)特殊部件是位于管壁外表面的金屬物，例如管道補(bǔ)板、三通、焊縫及法蘭等.與前者類(lèi)似，特殊部件漏磁信號(hào)的形狀也依于檢測(cè)到該金屬部件尺寸，對(duì)于每一種部件，峰的數(shù)量和極性也是相同的，而極性與普通缺陷恰恰相反.圖5e與圖3e都是管道缺陷的Bx曲線圖，圖3e相當(dāng)于只截取圖5e中缺陷處的Bx，因此看上去尺寸不太一致，但是它們都是凸起且極性一致.

圖5f中補(bǔ)板所占通道為18～62，軸向?yàn)檠a(bǔ)板長(zhǎng)度，內(nèi)側(cè)24～33通道存在缺陷，與圖3f中補(bǔ)板的缺陷寬度尺寸不同，但是整體上曲線是一致的.圖5g為正常管道Bx曲線圖，與圖3g相一致，沒(méi)有變化.

4 結(jié) 論

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)會(huì)遇到特殊部件及缺陷存在的情況，本文以漏磁信號(hào)軸向分量Bx所占通道個(gè)數(shù)、Bx正負(fù)峰值出現(xiàn)的先后順序、Bx幅值以及曲線軸向長(zhǎng)度作為分析判別管道特殊部件與缺陷的依據(jù)，通過(guò)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法得出：法蘭、補(bǔ)板、焊縫三者Bx峰值為負(fù)極性，屬于增厚型漏磁場(chǎng)，與缺陷(減薄型漏磁場(chǎng))極性相反；三通屬于復(fù)合型漏磁場(chǎng)且為圓形，Bx兩端峰值為負(fù)極性，內(nèi)凹處峰值為正極性；特殊部件存在缺陷時(shí)，外側(cè)Bx判斷外部輪廓，確定特殊部件種類(lèi)、尺寸和位置，內(nèi)側(cè)Bx分析內(nèi)部輪廓，確定缺陷尺寸和位置.

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(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Feature analysis on magnetic flux leakage detection signal for special parts of oil and gas pipeline

YANG Li-jian, GUO Tian-hao, GAO Song-wei, LIU Bin

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Aiming at the structural characteristics of special parts of oil and gas pipeline, the characteristics of magnetic field generated after the magnetization of pipeline were analyzed. Based on the pipeline magnetic flux leakage inner inspection principle and Maxwell equation, the Comsol finite element simulation software was used to perform the simulation for the special parts and defects of pipeline. In addition, the channel number occupied by the axial componentBxof magnetic flux leakage signal, the appearing sequence of positive and negative peakBxvalues, theBxamplitude and axial length were taken as the basis for analyzing and distinguishing the special parts and defects of pipeline. The feature analysis on theBxcomponent of total magnetic flux leakage signal under the condition of existing the defects in the special parts of pipeline was carried out. When the defect signal was in the inner side of reinforcing plate signal and the polarity was opposite, the defect signal was regarded as a reinforcing plate defect. The results show that the proposed method has certain feasibility in the defect identification of special parts of pipelines.

permanent magnet; pipeline inner inspection; axial component; special part; signal feature analysis; Maxwell equation; finite element simulation; magnetic flux leakage

2015-12-25.

科技部國(guó)家重大儀表專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012YQ090175)； 國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA040104)； 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61571308).

楊理踐(1957-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事管道檢測(cè)及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等方面的研究.

16∶08在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.024.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.09

TG 115.28

A

1000-1646(2017)01-0043-05