管道外自動(dòng)漏磁檢測(cè)技術(shù)及試驗(yàn)

戴 光，鄭克耀，楊志軍，劉延雷，王 兵

(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318；2.杭州市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310051)

管道外自動(dòng)漏磁檢測(cè)技術(shù)及試驗(yàn)

戴 光1，鄭克耀1，楊志軍1，劉延雷2，王 兵2

(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318；2.杭州市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310051)

針對(duì)地面管道的運(yùn)行特點(diǎn)，基于漏磁檢測(cè)技術(shù)理論，設(shè)計(jì)了一種適用于多種管徑的管道外部自動(dòng)檢測(cè)裝置，并通過有限元仿真和試驗(yàn)，對(duì)管壁上不同深度和直徑的腐蝕缺陷進(jìn)行模擬和檢測(cè)，分別得到了管道缺陷的不同參數(shù)對(duì)漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律。仿真和試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。另外，從管道內(nèi)、外壁缺陷檢測(cè)結(jié)果看，所設(shè)計(jì)的漏磁檢測(cè)儀對(duì)管道內(nèi)、外壁缺陷的檢測(cè)同樣有效。

管道；腐蝕；漏磁檢測(cè)；自動(dòng)檢測(cè)；有限元

在石油化工行業(yè)中存在著大量的地面管道，此類管道長期受內(nèi)部介質(zhì)和外部空氣等因素影響，非常容易發(fā)生腐蝕，情節(jié)嚴(yán)重的將產(chǎn)生穿孔，從而發(fā)生介質(zhì)泄露、管道爆炸等事故，嚴(yán)重威脅生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。對(duì)管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)，及時(shí)掌握地面管道的腐蝕程度，并對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)和評(píng)估，能有效確保管道安全，延長管道的工作壽命[2]。漏磁檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管道的在線檢測(cè)，而且檢測(cè)速度快，方便可靠，在管道的無損檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

然而，在目前的工程應(yīng)用中，漏磁檢測(cè)儀器設(shè)備多采用人力驅(qū)動(dòng)或者人工輔助電力驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行掃描檢測(cè)，大大增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，也降低了檢測(cè)效率;且在檢測(cè)中更多地引入了人為的不確定因素，并易產(chǎn)生漏檢和重復(fù)檢測(cè)的情況，影響檢測(cè)結(jié)果的正確性和可靠性。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的、可換向、適用于不同管徑的漏磁檢測(cè)裝置，通過有限元仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置的有效性和可行性，使其能成功地應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。

1 管道漏磁有限元仿真分析

在管道檢測(cè)過程中，要注意的缺陷主要有兩種類型：腐蝕缺陷和裂紋缺陷。裂紋缺陷一般很窄，只在一個(gè)平面內(nèi)展開，對(duì)裂紋類缺陷檢測(cè)和量化的難度較大[4]。筆者主要針對(duì)在役地面管道的點(diǎn)蝕坑、凹槽、湖形等腐蝕型體積缺陷進(jìn)行漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究，將腐蝕缺陷近似為圓柱體進(jìn)行仿真分析。

1.1 有限元模型的建立與求解 在ANSYS軟件中采用棱邊單元法，以solid117單元為單元類型，人為建立圓柱形腐蝕缺陷，選取管道局部特征建立分析模型，有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

對(duì)各單元進(jìn)行材料屬性設(shè)定后進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分。在滿足分析要求的基礎(chǔ)上，選擇自由網(wǎng)格劃分的方式，采用四面體網(wǎng)格形狀對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，缺陷處網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

網(wǎng)格劃分完畢，對(duì)分析模型施加狄利克雷邊界條件，采用稀疏矩陣求解器對(duì)模型求解計(jì)算，得到模型磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖如圖3所示。

圖3 磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖(去除空氣罩)

從圖4的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖中可以清楚地看出，磁場(chǎng)在管道缺陷處發(fā)生了畸變，缺陷處明顯有磁力線溢出，產(chǎn)生了漏磁場(chǎng)。在缺陷上方1 mm處沿管道軸向設(shè)置路徑，對(duì)缺陷處磁通量密度進(jìn)行提取，可以得到缺陷處磁通量密度特征曲線[5]。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

1.2 缺陷的直徑對(duì)缺陷處漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律分析

利用控制變量法，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷直徑的單一變量控制，以被研究管道厚度的50%(文中取4.5 mm)為固定缺陷深度，分別取2,3,4,5,6,7,8 mm為直徑，分析缺陷的直徑對(duì)缺陷處漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律。計(jì)算求解完成后，按照定義好的路徑提取出缺陷處磁通量密度分布曲線，不同直徑的缺陷磁通量密度分布曲線如圖5所示。

圖5 不同直徑的缺陷磁通量密度分布曲線

缺陷處的磁通量密度徑向分量以缺陷中點(diǎn)為中心呈現(xiàn)中心對(duì)稱分布，軸向分量以缺陷中點(diǎn)為中心呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布，磁通量密度徑向分量隨著缺陷直徑的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，軸向分量則隨缺陷直徑的增大而減小。而且徑向分量曲線中的正負(fù)峰值間距和軸向分量曲線中的兩拐點(diǎn)間距均隨著缺陷直徑的增大而增大，此仿真結(jié)果在實(shí)際檢測(cè)中可以為缺陷的識(shí)別和量化提供必要依據(jù)。

1.3 缺陷的深度對(duì)缺陷處漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律分析

同樣利用控制變量法，對(duì)缺陷深度進(jìn)行單一變量控制，用管外壁圓柱坑模擬管道腐蝕缺陷，將缺陷的直徑設(shè)定為5 mm，缺陷的深度分別取為被研究管道壁厚的20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%進(jìn)行仿真分析。仿真求解完成后，提取出缺陷處磁通量密度分布曲線，不同深度的缺陷磁通量密度分布曲線如圖6所示。

圖6 不同深度的缺陷磁通量密度分布曲線

從圖6可以看出，對(duì)于具有同一直徑、不同深度的圓柱形腐蝕缺陷，隨著腐蝕深度的增大，缺陷處磁通量密度徑向分量和軸向分量均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

2 管道外自動(dòng)漏磁檢測(cè)儀

針對(duì)以往使用管道漏磁檢測(cè)儀時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)效率低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)行走、可換向、可變徑的管道外自動(dòng)漏磁檢測(cè)儀(見圖7)。

圖7 漏磁檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意

此檢測(cè)儀在設(shè)計(jì)中采用了一種全方位輪，在輪轂的外緣均勻鑲嵌著可自軸旋轉(zhuǎn)的小輪，小輪軸線與輪轂軸線相互正交，且小輪與大輪的外圓相互重合，保證了良好的平滑性[6]。在正常檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)儀沿管道軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)行進(jìn)輪驅(qū)動(dòng)，側(cè)輪制動(dòng)，側(cè)輪上的小輪從動(dòng)；一次掃描結(jié)束，檢測(cè)儀可不必取下，使行進(jìn)輪制動(dòng)，側(cè)輪驅(qū)動(dòng)，行進(jìn)輪上的小輪從動(dòng)，即可完成換向運(yùn)動(dòng)，開始下一次的掃描檢測(cè)。

為了適應(yīng)不同管徑的管道檢測(cè)需要，同時(shí)保證有效的掃描寬度和檢測(cè)效率，設(shè)計(jì)的管道外漏磁檢測(cè)儀采用三個(gè)分離的磁化結(jié)構(gòu)(見圖8)，霍爾元件均勻分布在傳感器盒內(nèi)，添加了調(diào)節(jié)螺母等傳感器升降裝置，以調(diào)節(jié)傳感器距離管壁的高度，使其處于最佳的信號(hào)采集位置。

圖8 磁化結(jié)構(gòu)示意

3 試驗(yàn)過程

3.1 管道外漏磁檢測(cè)系統(tǒng)

為驗(yàn)證漏磁檢測(cè)儀的有效性，以及有限元仿真的正確性，設(shè)計(jì)如圖9所示的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。管道漏磁檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面如圖10所示。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)整體框圖

圖10 管道漏磁檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面

檢測(cè)儀將被測(cè)管壁接近飽和磁化后，由霍爾元件(磁敏感元件)組成的傳感器采集到泄漏的磁場(chǎng)信號(hào)，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入到工業(yè)計(jì)算機(jī)中，在工業(yè)計(jì)算機(jī)上便可通過管道漏磁掃描分析軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的返放與波形分析，識(shí)別管道缺陷特征。

3.2 管道缺陷檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析

(1) 取一段直徑為159 mm，壁厚8 mm，長1 100 mm的10號(hào)無縫鋼管，在管道內(nèi)壁沿軸向人為等間距預(yù)制一組半球形缺陷，壁厚減薄量分別為管壁厚度的20%(1.6 mm)、40%(3.2 mm)、60%(4.8 mm)和80%(6.4 mm)，管道半球形缺陷工程圖和實(shí)物圖如圖11所示。再研究腐蝕造成的壁厚減薄量對(duì)管道外壁漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律。

圖11 管道半球形缺陷工程圖和實(shí)物圖

圖12 半球形缺陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將檢測(cè)儀放置在管道外表面，控制其以0.3 m·s-1的速度從左到右行走過缺陷所處位置，在電腦接收端可得到管道外壁漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。檢測(cè)儀的傳感器由沿管道圓周方向均布的15個(gè)霍爾元件組成，完成一次掃描檢測(cè)共有15個(gè)通道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理后得到漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)三維圖。圖中X軸為通道數(shù)，Y軸為檢測(cè)儀行走的距離，Z軸為檢測(cè)到的漏磁信號(hào)電壓。圖12為半球形缺陷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從圖12中可以看出，腐蝕缺陷的體積越大，檢測(cè)到的缺陷信號(hào)越明顯，缺陷處的電壓幅值也越大。對(duì)比不同信號(hào)幅值所在通道的位置及有幅值波動(dòng)的通道數(shù)目，還可以分析出缺陷所處的位置，比較出不同缺陷的直徑大小，即有幅值波動(dòng)的相近通道數(shù)目越多，則此處缺陷直徑越大。

從圖12(b)所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)二維圖中可以看出，各個(gè)峰值之間的間距近似等于管道內(nèi)壁面分布的各缺陷間距，故可將檢測(cè)數(shù)據(jù)中的漏磁信號(hào)峰值間距作為缺陷定位的主要判據(jù)之一。8號(hào)通道采集到幅值最大的漏磁檢測(cè)信號(hào)，說明8號(hào)通道處于半球形缺陷的正上方，將其單獨(dú)提取出(見圖13)并進(jìn)行峰值曲線擬合，擬合后的結(jié)果為一條二次曲線，峰值擬合曲線如圖14所示，一次擬合公式為

Y=2.599 85+0.004 24X+9.462 5×10-5X2

(1)

式中：Y為漏磁信號(hào)電壓；X為壁厚減薄百分比。

圖13 含半球形缺陷管道檢測(cè)時(shí)的8號(hào)通道漏磁信號(hào)電壓曲線

圖14 8號(hào)通道漏磁信號(hào)峰值擬合曲線

(2) 取一段直徑為159 mm，壁厚6 mm，長1 100 mm的10號(hào)無縫鋼管，在管道外壁沿軸向人為等間距預(yù)制A、B兩組夾角為180°的圓柱形缺陷，缺陷參數(shù)如表1所示，圓柱形缺陷分布如圖15所示，分析腐蝕缺陷的直徑和深度對(duì)漏磁場(chǎng)信號(hào)的影響規(guī)律。

圖15 圓柱形缺陷分布示意

表1 圓柱形缺陷參數(shù) mm

圖16 含A組缺陷管道檢測(cè)時(shí)的8號(hào)通道漏磁信號(hào)電壓曲線

圖17 含A組缺陷管道檢測(cè)時(shí)的8號(hào)通道漏磁信號(hào)電壓峰值曲線

先對(duì)A組缺陷進(jìn)行掃描檢測(cè)，提取位于缺陷正上方的8號(hào)通道的漏磁信號(hào)電壓曲線如圖16所示，從圖17所示的漏磁信號(hào)電壓峰值曲線中可以看出，缺陷的直徑與缺陷處漏磁場(chǎng)信號(hào)的波峰值近似為二次函數(shù)關(guān)系，而且隨著缺陷直徑的不斷增大，缺陷處漏磁信號(hào)峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，試驗(yàn)得到的規(guī)律與仿真模擬結(jié)果一致。

對(duì)B組缺陷進(jìn)行掃描檢測(cè)，提取位于缺陷正上方的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖18所示。在圖19所示的漏磁信號(hào)電壓峰值曲線中可以看出，缺陷壁厚減薄百分比與缺陷處漏磁信號(hào)峰值近似為線性關(guān)系，則管壁腐蝕得越深，得到的漏磁信號(hào)幅值越大，則管壁上的缺陷越容易被檢測(cè)出來。試驗(yàn)得到的規(guī)律和仿真結(jié)果相互驗(yàn)證。

圖18 含B組缺陷管道檢測(cè)時(shí)的8號(hào)通道漏磁信號(hào)電壓曲線

圖19 含B組缺陷管道檢測(cè)時(shí)的8號(hào)通道漏磁信號(hào)電壓峰值曲線

4 結(jié)語

(1) 利用ANSYS有限元分析軟件建立了管道外漏磁檢測(cè)有限元分析模型，提取出缺陷處漏磁場(chǎng)特征曲線，并且模擬了不同參數(shù)的圓柱形腐蝕缺陷對(duì)管道外壁面磁場(chǎng)的影響，得出了不同尺寸的圓柱形腐蝕缺陷對(duì)漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律，即：管道外壁漏磁場(chǎng)強(qiáng)度徑向分量隨著缺陷直徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度徑向分量隨腐蝕缺陷深度的增大而增大。

(2) 利用文中所設(shè)計(jì)的漏磁檢測(cè)儀對(duì)帶有人工預(yù)制的圓柱形腐蝕缺陷的管道進(jìn)行掃描檢測(cè)，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到不同參數(shù)的缺陷對(duì)管道外壁漏磁場(chǎng)信號(hào)的影響規(guī)律，與仿真結(jié)果規(guī)律相同，二者相互驗(yàn)證。由試驗(yàn)結(jié)果還可看出，檢測(cè)裝置對(duì)內(nèi)、外壁缺陷檢測(cè)同樣可行有效。

(3) 設(shè)計(jì)的管道漏磁檢測(cè)儀通過控制器的控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走，一次掃描結(jié)束不用將儀器取下即能完成換向操作，提高了檢測(cè)精度和效率。

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Automatic Magnetic Flux Leakage Detection Technology and Experiment on the Outside of Pipeline

DAI Guang1, ZHENG Keyao1, YANG Zhijun1, LIU Yanlei2, WANG Bing2

(1.College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Hangzhou Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310051, China)

According to the operational characteristics of the ground pipeline and based on the theory of magnetic flux leakage testing technique, an automatic detection device on the outside of pipeline was designed, which was suitable for different diameters of pipelines. Then the corrosion defects with different depth and diameter on the wall of pipeline were simulated and tested through the finite element simulation and experimental research, and thereafter the influence law of different parameters on the leakage magnetic field was obtained. The results of simulation and experiment are consistent. In addition, according to the results of defect detection, the designed magnetic flux leakage detector is effective for the detection of defects both in inner and in outer walls of the pipeline.

pipeline; corrosion; magnetic flux leakage; automatic detection; the finite element

2016-09-13

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014QK158)；浙江省質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(20150236)

戴 光(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師,主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)、聲發(fā)射檢測(cè)理論與評(píng)定方法以及結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)等研究工作

鄭克耀， zhengkeyao0915@163.com

10.11973/wsjc201707004

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0018-05