多種類型缺陷的漏磁場(chǎng)特性研究*

韓文花，張玉祥，原 野，汪素青，蘇曉燕

（上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展和鐵磁性材料的普遍使用，漏磁檢測(cè)在諸多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，如油氣管道［1］、儲(chǔ)罐［2］、軌道［3］、武器裝備［4］等。由于服役時(shí)間增長(zhǎng)，這些設(shè)施又多處于較惡劣的環(huán)境下，為防止發(fā)生諸如油氣泄露，污染環(huán)境等惡劣影響，需要對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)維護(hù)［5］。漏磁檢測(cè)與其他檢測(cè)技術(shù)相比，具有速度快、效率高、成本低、易于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化、受外界環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于鐵磁性材料設(shè)備的腐蝕、裂紋和機(jī)械損傷等缺陷的檢測(cè)與評(píng)估［6］，尤其在石油和天然氣管道的檢測(cè)中，漏磁檢測(cè)已經(jīng)成為使用最廣泛的非破壞性在線檢測(cè)技術(shù)［7］。漏磁檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，從早期的僅能檢測(cè)較大面積腐蝕，到現(xiàn)在可以檢測(cè)和識(shí)別出各類微小的缺陷，并能重構(gòu)出缺陷輪廓［8-9］，其原因有檢測(cè)裝置性能的提高，數(shù)據(jù)分析能力的進(jìn)步，漏磁檢測(cè)多年來(lái)的使用經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)各類型缺陷特征提取的技術(shù)積累。

近年來(lái)，漏磁檢測(cè)的數(shù)值模擬和缺陷漏磁信號(hào)的處理方面進(jìn)行了大量研究，包括三軸漏磁檢測(cè)模擬［10］、多種缺陷的建模［11-12］、基于智能算法的缺陷重構(gòu)［8-9］等，這些研究為漏磁檢測(cè)中缺陷的識(shí)別和量化提供了寶貴的理論依據(jù)。

本文利用ANSYS軟件建立了二維漏磁檢測(cè)模型，分析影響漏磁場(chǎng)的因素以及鄰近缺陷漏磁場(chǎng)的相互作用，并研究相似漏磁場(chǎng)與缺陷真實(shí)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期為漏磁檢測(cè)中缺陷的識(shí)別和量化提供更可靠的依據(jù)。

1 缺陷漏磁場(chǎng)的建模

在ANSYS軟件中對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行建模，模型主要包括被測(cè)管壁、磁鐵、軛鐵、鐵刷以及空氣5部分，二維漏磁檢測(cè)仿真模型如圖1所示。需定義材料屬性如下：①管壁采用X52號(hào)鋼，設(shè)定相應(yīng)的B-H曲線；②磁鐵采用釹鐵硼磁鐵，根據(jù)其勵(lì)磁方向設(shè)定矯頑力的大小和方向，磁鐵產(chǎn)生的磁力作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的載荷；③軛鐵和鐵刷的相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為186 000；④空氣部分的相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為1。然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，磁力線分布密集的部分要進(jìn)行細(xì)致劃分。ANSYS軟件會(huì)將永磁材料轉(zhuǎn)化為等效電流并加載到每個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)上，因此，只需定義無(wú)限遠(yuǎn)場(chǎng)單元為INFIN110，而無(wú)需其他設(shè)定，求解處理采用靜態(tài)的通用標(biāo)勢(shì)法［15］。后處理階段通過(guò)對(duì)路徑提取可獲得漏磁場(chǎng)的軸向分量和徑向分量，磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖2所示，從圖中可以直觀地觀察到漏磁場(chǎng)的分布情況。

2 缺陷漏磁場(chǎng)有限元分析

2.1 單個(gè)對(duì)稱缺陷漏磁場(chǎng)仿真分析

首先，為研究缺陷寬度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系，將缺陷簡(jiǎn)化為矩形，對(duì)6個(gè)不同寬度的缺陷進(jìn)行了建模，其中缺陷深度為50%（4mm），提離值為2mm，缺陷寬度分別為 a：2mm，b：5mm，c：8mm，d：11mm，e：15mm，f：20mm，相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分布如圖3所示。

從圖3可以看出，隨缺陷寬度的增加，軸向分量的峰值先升后降，缺陷寬度大于10mm之后，漏磁場(chǎng)軸向分量由單波峰變?yōu)殡p波峰，徑向分量的峰值先升后降，峰峰值亦先升后降，波峰和波谷之間水平間距逐漸增大。漏磁場(chǎng)軸向分量峰值和徑向分量的峰峰值隨寬度的變化曲線如圖4所示，可以看出，寬度為5mm時(shí)軸向分量波峰值為最大。

其次，為研究缺陷深度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系，對(duì)6個(gè)不同深度的缺陷進(jìn)行了建模，其中缺陷寬度為10mm，提離值為 2mm，缺陷深度分別為 a：20%，b：30%，c：40%，d：50%，e：60%，f：70%，相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分布如下頁(yè)圖5所示。

從圖5可以看出，隨缺陷深度的增加，軸向分量峰值增大，徑向分量峰峰值增大，而漏磁場(chǎng)軸向分量峰值和徑向分量峰峰值隨深度的變化曲線，如下頁(yè)圖6所示。

為研究不同的傳感器提離值與漏磁場(chǎng)的關(guān)系，缺陷寬度為10mm，深度為50%，提離值分別為a：1mm，b：2mm，c：3mm，d：4mm，e：5mm，f：6mm，相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分布如下頁(yè)圖7所示。

從圖7可以看出，隨提離值的增大，檢測(cè)到的漏磁信號(hào)變小，不利于準(zhǔn)確的識(shí)別和量化缺陷，所以為獲取較完整的漏磁信號(hào)特征，提離值應(yīng)取較小一些。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，要綜合考慮檢測(cè)裝置、管壁材料、工作環(huán)境等條件，設(shè)定合適的傳感器提離值。

2.2 單個(gè)不對(duì)稱缺陷漏磁場(chǎng)仿真分析

實(shí)際檢測(cè)中遇到的缺陷包括坑狀腐蝕缺陷、裂紋等多種類型，本文將底部不平整的缺陷簡(jiǎn)化為三角形進(jìn)行建模。

首先，對(duì)5個(gè)不同寬度的缺陷進(jìn)行了建模，其中缺陷最大深度為50%，缺陷寬度分別為a：2mm，b：5mm，c：10mm，d：20mm，e：30mm，相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分布如圖8所示。

從圖8可以看出，隨缺陷寬度的增大，軸向分量波峰發(fā)生偏移，保持單波峰，且波峰增大，徑向分量波峰和波谷也發(fā)生偏移，波峰增大，波谷變小，峰峰值增大。

其次，缺陷深度不同時(shí)，缺陷寬度為10mm，缺陷最大深度分別為 a：10%，b：30%，c：50%，d：70%，e：90%，相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分布如下頁(yè)圖9所示。

從圖9可以看出，隨缺陷深度的增加，軸向分量波峰值增大，徑向分量的峰值增大。關(guān)于對(duì)稱缺陷與不對(duì)稱缺陷，缺陷寬度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律是類似的。

2.3 鄰近缺陷漏磁場(chǎng)及其相互作用仿真分析

在實(shí)際檢測(cè)中會(huì)存在兩個(gè)甚至多個(gè)缺陷距離較近的情況［6］，漏磁場(chǎng)之間會(huì)存在相互作用，為此，對(duì)兩個(gè)鄰近缺陷以及3個(gè)鄰近缺陷的漏磁場(chǎng)相互作用進(jìn)行了研究。

首先，假定兩個(gè)缺陷相鄰，對(duì)6個(gè)不同間距的鄰近缺陷進(jìn)行了建模，其中兩個(gè)鄰近缺陷中的單個(gè)缺陷寬度均為10mm，缺陷深度為50%，缺陷間距分別為 a：1mm，b：2mm，c：5mm，d：10mm，e：15mm，f：20mm，相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分布如圖10所示。

從圖10可以看出，當(dāng)間距較小時(shí)，漏磁場(chǎng)相互作用很大，軸向分量波峰近乎重合，鄰近缺陷的漏磁場(chǎng)可近似看作一個(gè)缺陷形成的漏磁場(chǎng)，隨間距的增大，漏磁場(chǎng)的相互作用逐漸減弱，當(dāng)間距為20mm時(shí)，鄰近缺陷之間的漏磁場(chǎng)相互作用可以忽略，并且軸向分量的波峰位置會(huì)相對(duì)移動(dòng)到漏磁場(chǎng)的兩邊。

對(duì)6個(gè)不同間距缺陷進(jìn)行了建模，其中兩個(gè)鄰近缺陷中的單個(gè)缺陷寬度均為20mm，缺陷深度為50%，缺陷間距分別為 a：2mm，b：4mm，c：10mm，d：20mm，e：30mm，f：40mm，相應(yīng)的漏磁場(chǎng)分布如圖 11 所示。

從圖11可以看出，缺陷寬度為20mm時(shí)漏磁場(chǎng)隨間距的變化規(guī)律與缺陷寬度為10mm時(shí)漏磁場(chǎng)隨間距的變化規(guī)律類似，在間距大于20mm之后，兩個(gè)缺陷之間的漏磁場(chǎng)相互作用可以忽略。

對(duì)4個(gè)不同深度的缺陷進(jìn)行了建模，其中兩個(gè)鄰近缺陷中的單個(gè)缺陷寬度均為10mm，缺陷間距為 2mm，缺陷深度分別為 a：20%，b：40%，c：60%，d：80%，相應(yīng)的缺陷漏磁場(chǎng)分布如圖12所示。

從圖12可以看出，即使深度變化，在間距20mm時(shí)兩個(gè)缺陷之間的漏磁場(chǎng)相互作用都可以忽略。

從圖10～圖12可以看出，在間距大于20mm時(shí)兩個(gè)缺陷之間的漏磁場(chǎng)相互作用可以忽略。

其次，假定3個(gè)缺陷相鄰，缺陷寬度均為10mm，缺陷深度為50%，缺陷間距分別為，a：1mm，b：2mm，c：5mm，d：10mm，e：15mm，f：20mm，相應(yīng)的缺陷漏磁場(chǎng)分布如圖13所示。

從圖13可以看出，在間距接近20mm時(shí)，可以完全區(qū)分出3個(gè)缺陷漏磁場(chǎng)，而在間距較小時(shí)中間缺陷的波峰和波谷會(huì)消失，可近似看成兩個(gè)鄰近缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)，或者一個(gè)缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)。

此外，從圖3、圖10、圖13可以看出，寬度和深度相同的情況下，3個(gè)鄰近缺陷比兩個(gè)鄰近缺陷漏磁場(chǎng)的軸向分量峰值小，2個(gè)鄰近缺陷又比單個(gè)缺陷漏磁場(chǎng)的軸向分量峰值小，圖14給出單個(gè)、2個(gè)鄰近、3個(gè)鄰近缺陷且間距為2mm缺陷漏磁場(chǎng)的軸向分量峰值隨寬度的變化曲線。

為研究鄰近缺陷漏磁場(chǎng)峰值降低的規(guī)律，對(duì)單個(gè)深度50%缺陷與2個(gè)等寬深度為65%間距為2mm的鄰近缺陷進(jìn)行了建模，單個(gè)缺陷和2個(gè)鄰近缺陷的漏磁場(chǎng)軸向分量峰值隨寬度的變化曲線如圖15所示，可以看出缺陷寬度大于12mm時(shí)，兩種缺陷漏磁場(chǎng)的軸向分量峰值變化基本一致。

3 相似漏磁場(chǎng)與缺陷真實(shí)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從上述實(shí)驗(yàn)得知，不同的缺陷會(huì)產(chǎn)生相似的漏磁場(chǎng)，實(shí)測(cè)漏磁信號(hào)，可能對(duì)應(yīng)單個(gè)缺陷或多個(gè)缺陷，為此，研究相似漏磁場(chǎng)與缺陷真實(shí)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，前提是單個(gè)缺陷的寬度和兩個(gè)鄰近缺陷加上其間距的總寬度相同。

首先，關(guān)于對(duì)稱缺陷，深度30%為例，對(duì)多個(gè)不同寬度的單個(gè)缺陷和兩個(gè)鄰近缺陷，其相應(yīng)的缺陷漏磁場(chǎng)的軸向分量峰值隨寬度的變化曲線如圖16所示，可以看出在缺陷寬度大于12mm后，兩種缺陷的峰值變化基本相同，可推斷，在缺陷寬度大于12mm之后，單個(gè)缺陷和2個(gè)鄰近缺陷會(huì)產(chǎn)生相似漏磁場(chǎng)。

缺陷深度均為30%。第一組寬度22mm、間距1mm，相應(yīng)的缺陷漏磁場(chǎng)分布如圖17所示。第二組寬度32mm、間距2mm，相應(yīng)的缺陷漏磁場(chǎng)分布如圖18所示。第三組寬度10mm、間距2mm，相應(yīng)的缺陷漏磁場(chǎng)分布如圖19所示。圖17、18中，漏磁場(chǎng)分布情況基本相同，圖19中軸向分量峰值稍有不同，這是因?yàn)槿毕輰挾葹?0mm，正如圖16中小于12mm。因此，上述推論成立，缺陷寬度小于12mm時(shí)，是否會(huì)產(chǎn)生相同的漏磁場(chǎng)，則需進(jìn)一步研究。

其次，關(guān)于不對(duì)稱缺陷，假定單個(gè)不對(duì)稱缺陷最大深度60%，寬度22mm，2個(gè)相鄰等寬缺陷深度分別為30%和60%，間距2mm，相應(yīng)的不對(duì)稱缺陷漏磁場(chǎng)分布如下頁(yè)圖20所示。從圖20可以看出，對(duì)于不對(duì)稱缺陷，上述推論仍然成立。

最后，關(guān)于3個(gè)鄰近缺陷，從圖14可以看出3個(gè)鄰近缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)軸向分量峰值非常低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只改變?nèi)毕輰挾龋?個(gè)鄰近缺陷很難產(chǎn)生與單個(gè)缺陷或兩個(gè)鄰近缺陷類似的漏磁場(chǎng)。

據(jù)圖15中的規(guī)律，對(duì)相同寬度34mm的深30%的單個(gè)缺陷和深50%的3個(gè)鄰近缺陷，漏磁場(chǎng)分布如圖21所示，可看出漏磁場(chǎng)分析情況基本相同。可見(jiàn)，存在3個(gè)鄰近缺陷與單個(gè)缺陷產(chǎn)生相似漏磁場(chǎng)的情況，但缺陷輪廓特征需滿足一定的規(guī)律，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，改變?nèi)毕輰挾?，漏磁?chǎng)分布情況仍然相同。

4 結(jié)論

本文利用有限元方法對(duì)缺陷進(jìn)行建模，除了常規(guī)的矩形缺陷外，還有不對(duì)稱的三角形缺陷、2個(gè)鄰近缺陷、3個(gè)鄰近缺陷，獲得了包括寬度、深度、提離值等因素對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律，得到了缺陷的漏磁場(chǎng)發(fā)生相互作用的間距范圍，及漏磁場(chǎng)在相互作用時(shí)隨間距變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了相似漏磁場(chǎng)可能由不同種類缺陷產(chǎn)生，可以得到以下4個(gè)結(jié)論：

①對(duì)于單個(gè)對(duì)稱缺陷，隨寬度的增大，軸向分量峰值先增后降，由單波峰變?yōu)殡p波峰，徑向分量峰峰值先增后降；隨深度的增加，軸向分量峰值增大，徑向分量峰峰值增大；提離值較小時(shí)漏磁檢測(cè)裝置能夠檢測(cè)到較完整的漏磁信號(hào)。

②對(duì)于單個(gè)不對(duì)稱缺陷，隨寬度的增大，漏磁場(chǎng)的波峰隨著缺陷最深處的位置移動(dòng)而發(fā)生偏移，軸向分量波峰值增大，徑向分量波峰值增大，波谷值的絕對(duì)值變小，峰峰值增大；隨深度的增加，軸向分量峰值增大，徑向分量峰峰值增大。

③隨鄰近缺陷間距的增大，漏磁場(chǎng)相互作用減弱，間距大于20mm時(shí)相互作用可以忽略，此規(guī)律受缺陷寬度和缺陷深度影響較??；鄰近缺陷漏磁場(chǎng)相互作用時(shí)，軸向分量波峰位置會(huì)相對(duì)移動(dòng)到漏磁場(chǎng)的兩邊，波峰值較單個(gè)缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)軸向分量波峰值小，相互作用的漏磁場(chǎng)越多，此規(guī)律越明顯，且峰值降低的規(guī)律和缺陷深度的變化對(duì)峰值的影響有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。

④檢測(cè)到的漏磁場(chǎng)，可能是由一個(gè)缺陷產(chǎn)生，也可能是由多個(gè)缺陷的漏磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生，給出了不同缺陷產(chǎn)生相似漏磁場(chǎng)的規(guī)律，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中可以利用這些規(guī)律，為快速、準(zhǔn)確地識(shí)別和量化缺陷提供理論依據(jù)。

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