利用有限元法分析管道內(nèi)缺陷尺寸與漏磁場的關(guān)系

高慧

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

應(yīng)用漏磁檢測技術(shù)對油氣管道腐蝕缺陷進行內(nèi)檢測，是目前常用的檢測方法之一[1]。當(dāng)管壁中存在腐蝕缺陷時，磁通會泄漏到管壁表面，形成漏磁通。傳感器采集到的漏磁場信號的特征與缺陷外形密切相關(guān)[2]，由于缺陷的種類、形狀十分復(fù)雜，缺陷幾何形狀與尺寸的不同可能會產(chǎn)生不同或相似的磁場分布，因此無法直接從漏磁場信號的外形判斷缺陷的外形參數(shù)。本文在現(xiàn)有缺陷漏磁場理論研究的基礎(chǔ)上，建立有限元仿真模型，模擬實際管道漏磁檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作狀態(tài)下的缺陷漏磁場分布情況，為提高管道缺陷量化分析精度提供理論依據(jù)。

1 建立有限元仿真模型

以管道軸向磁化作為研究對象，運用Opera-3D軟件對油氣管道腐蝕缺陷漏磁場進行有限元仿真實驗[3]。實際管道與檢測器的三維模型中，外側(cè)圓柱筒為實際測量管道，在管道內(nèi)部均勻分布有六套檢測模塊，每一套模塊都是由永磁體與背鐵組成。三維管道模型及檢測模塊軸向截面如圖1所示。

圖1 三維管道模型及檢測模塊軸向截面

2 仿真分析

缺陷仿真參數(shù)包括：管徑為457 mm，管壁厚度為14.6 mm（下面用P代表管壁厚度）；牽拉速度為1 m/s；傳感器位于管道內(nèi)表面提離值4 mm處。

2.1 缺陷深度與漏磁場的關(guān)系

管道的損壞和腐蝕程度主要與缺陷深度有關(guān)，是評價腐蝕管線剩余強度的主要指標(biāo)。

當(dāng)缺陷寬度/長度比為1/3，缺陷長度、寬度不變（分別為9P和3P）的情況下，改變?nèi)毕萆疃龋?.2P，0.3P，0.4P，0.5P，0.6P，0.7P，0.8P，0.9P）。觀察漏磁場與缺陷深度的關(guān)系，得到漏磁場的原始信號波形，如圖2所示。

圖2 不同深度缺陷的漏磁場信號（寬長比＝1/3）

在缺陷寬度/長度比為1（均為3P）時，步驟同上，觀察漏磁場峰谷值與缺陷深度的關(guān)系，如圖3.

圖3 不同深度缺陷的漏磁場信號（寬長比=1）

漏磁場峰谷值與缺陷深度的數(shù)據(jù)關(guān)系曲線，如圖4.

圖4 不同寬長比下缺陷深度與漏磁場的關(guān)系曲線

由仿真結(jié)果可見，漏磁場峰谷值與缺陷深度之間呈明顯的二次關(guān)系，漏磁場的峰谷值越大，表示缺陷深度越深，同時還需要用缺陷的寬度/長度比與寬度等參數(shù)進行一定的修正。

2.2 缺陷長度與漏磁場的關(guān)系

取缺陷寬度為11.68 mm；深度為2.92 mm（20%壁厚）；缺陷長度分別為 3P、4P、5P、6P、7P、8P、9P 和10P.觀察漏磁場與缺陷長度的關(guān)系，得到的漏磁場原始信號波形如圖5所示。

漏磁場跨度與缺陷長度的原始數(shù)據(jù)曲線和一次擬合曲線如圖6所示。

圖5 不同長度缺陷的漏磁場信號

圖6 原始數(shù)據(jù)與擬合曲線

由仿真結(jié)果可見，在缺陷其他外形尺寸不變、僅改變?nèi)毕蓍L度的情況下，缺陷長度越大，缺陷漏磁場跨度越大，而漏磁場幅值則隨著缺陷長度的增加而變小，漏磁場跨度與缺陷長度呈明顯的線性關(guān)系。漏磁場的跨度越大，表示缺陷長度越大。由圖5可看出，由于缺陷長度對漏磁場幅值的影響，如果采取統(tǒng)一的閾值，會出現(xiàn)深度較淺、長度較長的缺陷的漏磁場跨度與深度較深、長度較短的漏磁場跨度相同的情況。

2.3 缺陷寬度與漏磁場的關(guān)系

取缺陷長度為43.8 mm、缺陷深度為2.92 mm（20%壁厚），缺陷寬度分別為 3P，4P，5P，6P，7P，8P，9P，10P；傳感器位于管道內(nèi)表面提離值4 mm處。觀察漏磁場與缺陷寬度的關(guān)系，得到漏磁場周向信號的原始波形，如圖7所示。

漏磁場周向?qū)挾扰c缺陷寬度的原始數(shù)據(jù)曲線和二次擬合曲線如圖8所示，其中橫軸表示漏磁場周向?qū)挾?，縱軸表示缺陷寬度。

圖7 不同寬度缺陷的漏磁場信號

圖8 原始數(shù)據(jù)與擬合曲線

由圖8中看到，缺陷寬度與漏磁場的周向峰谷值有關(guān)。在不改變漏磁場周向峰谷值的情況下（通過保持寬長比不變和調(diào)節(jié)缺陷深度來實現(xiàn)），缺陷寬度與漏磁場周向信號的關(guān)系如圖9所示。

漏磁場周向?qū)挾扰c缺陷寬度的原始數(shù)據(jù)曲線和一次擬合曲線，如圖10所示。

圖9 峰谷值不變時不同寬度缺陷的漏磁場周向信號

圖10 原始曲線與擬合曲線

綜合不同漏磁場幅值時的曲線，可以得到圖11.

圖11 缺陷寬度與漏磁場寬度的關(guān)系

由圖11可見，在漏磁場峰谷值一定的情況下，缺陷寬度和漏磁場周向?qū)挾然颈３志€性關(guān)系，但是在缺陷寬度不變的情況下，如果漏磁場峰谷值增大，漏磁場周向?qū)挾葧冃　?/p>

3 結(jié)論

通過仿真分析可知：只根據(jù)漏磁感應(yīng)強度判斷缺陷深度，將會出現(xiàn)較明顯的誤差，還應(yīng)考慮到缺陷長寬比與寬度等參數(shù)的影響；只根據(jù)漏磁場幅值評估腐蝕管道的危險程度，往往會忽視較長的缺陷，而這些較長缺陷對管道的威脅明顯高于較短的缺陷；在采用沿管道軸向磁化的檢測方式時，寬度越小、長度越長的缺陷所產(chǎn)生的漏磁場越不明顯，不易被檢出；反之，寬度越大、長度越小的缺陷的漏磁場較為明顯；同時，對于寬度小的缺陷，其所覆蓋的漏磁場的傳感器個數(shù)較少，因此會降低檢測精度。

[1]張士華，初新杰，孫永泰，等.海底管線缺陷內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究[J].裝備制造技術(shù)，2011（09）：142-144.

[2]蔣 奇.管道缺陷漏磁檢測量化技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[3]孫永泰.管道裂紋缺陷漏磁場的有限元仿真[J].測控技術(shù)，2012（09）：96-98.