軸向漏磁檢測(cè)器缺陷信號(hào)分析

馬晨亮 丁戰(zhàn)武 高若望

沈陽特種設(shè)備檢測(cè)研究院 遼寧沈陽 110035

對(duì)于長(zhǎng)輸管道的檢測(cè)國(guó)內(nèi)目前還主要是采用相對(duì)傳統(tǒng)的管道外檢測(cè)技術(shù)來監(jiān)測(cè)腐蝕情況，例如使用PCM等設(shè)備，此方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于公路、鐵路、海洋等區(qū)域內(nèi)的管道并不試用，并且也主要體現(xiàn)于對(duì)管道缺陷的預(yù)測(cè)，并不能準(zhǔn)確判讀現(xiàn)有的缺陷。漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確判斷腐蝕缺陷，對(duì)于有條件的管道應(yīng)使用漏磁內(nèi)檢測(cè)在檢驗(yàn)周期內(nèi)對(duì)管道進(jìn)行專業(yè)性檢驗(yàn)。目前國(guó)外對(duì)漏磁檢測(cè)技術(shù)核心內(nèi)容的掌握使得內(nèi)檢測(cè)被國(guó)外企業(yè)所壟斷，其中比較有實(shí)力的檢測(cè)單位有美國(guó)的Tuboscope、TDW、英國(guó)的BG、德國(guó)的ROSEN等公司，其產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了系列化和多樣化，在中國(guó)的市場(chǎng)占有率非常高，但檢測(cè)價(jià)格較昂貴，一般的企業(yè)難以承受。國(guó)內(nèi)也有一些單位和研究院所對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，例如沈陽工業(yè)大學(xué)的楊理踐[1]，華中科技大學(xué)的武新軍[2]，清華大學(xué)的黃松嶺[3]，天津大學(xué)的靳世久、王太勇[4]等。其中沈陽工業(yè)大學(xué)已經(jīng)研制出檢測(cè)器并投用于工程中。并取得了一定的成果。國(guó)內(nèi)的研究雖進(jìn)展很快，但和國(guó)外相比差距還是較大，因此繼續(xù)深入的實(shí)踐研究尤為重要。

1 漏磁檢測(cè)器原理

漏磁檢測(cè)技術(shù)[5]的依據(jù)是鐵磁性材料高磁導(dǎo)率的特性，鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)被磁化，材料在達(dá)到近飽和的狀態(tài)下，如果材料表面存在缺陷，就會(huì)在缺陷處產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，通過磁敏元件測(cè)量分析漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而判斷缺陷的幾何尺寸[6]。漏磁檢測(cè)的原理如圖1所示。

圖1 漏磁檢測(cè)原理圖

從圖中可以看出永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)一般經(jīng)過永磁體、鋼刷、管壁、軛鐵形成一個(gè)閉合的磁回路，在有缺陷的地方產(chǎn)生了漏磁，形成漏磁場(chǎng)。

2 二維漏磁場(chǎng)有限元理論

假定管道的材質(zhì)是均勻的、各處磁導(dǎo)率是相同的[7]。由麥克斯韋方程組能夠確定電流密度J在磁導(dǎo)率為μ的介質(zhì)中形成的穩(wěn)定磁場(chǎng)H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系。

磁場(chǎng)強(qiáng)度定義變形；再根據(jù)邊界條件：，引入矢量磁勢(shì)定義

由上式計(jì)算能得到控制方程：

根據(jù)矢量恒等式

采用圓柱坐標(biāo)系（r，θ，z），根據(jù)軸對(duì)稱可得到2.3的簡(jiǎn)化形式

式中A，J因其只有周向分量故為標(biāo)量。

由式2.1與2.4便可得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B的表達(dá)式

3 二維漏磁場(chǎng)有限元仿真

運(yùn)用Ansys有限元分析軟件的電磁場(chǎng)模塊可以對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行仿真。本文中忽略溫度、速度和壓力等因素的影響，從而轉(zhuǎn)化為分析靜態(tài)磁場(chǎng)的求解問題，簡(jiǎn)化了求解過程。以Ф325mm×7.1mm的管道為研究對(duì)象，在提離值為1mm的情況下對(duì)缺陷（長(zhǎng)2mm深4mm）進(jìn)行有限元仿真。建立的仿真模型如下圖2所示：

圖2 缺陷漏磁場(chǎng)仿真模型

模型建立好后需要賦予材料屬性，模型中的永磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率是1.05，矯頑力為980000奧斯特，軛鐵選用高磁導(dǎo)率的低碳鋼St37，相對(duì)磁導(dǎo)率186000，鋼刷采用了與軛鐵磁特性相同的曲線，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0。管壁采用的是常見的X52鋼，為非線性材料，其B-H曲線見圖3。

圖3 X52鋼B-H曲線

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分與求解，即可得到缺陷漏磁場(chǎng)磁力線分布情況與矢量圖，如下圖4所示：

圖4 磁力線與磁矢量分布圖

圖4 中給出了缺陷附近的磁力線分布情況和矢量的分布情況，由圖可得缺陷處的磁場(chǎng)分三個(gè)部分，一部分通過缺陷，一部分通過剩余管壁，另一部分穿出管壁進(jìn)入空氣后又回到管壁。其原因是由于空氣與管壁的磁導(dǎo)率不同，磁力線先通過磁導(dǎo)率高的材料后通過磁導(dǎo)率低的材料，剩余管壁內(nèi)空間無法容納所有的磁力線，因此泄露出管壁進(jìn)入空氣后又從新進(jìn)入管壁。對(duì)模型求解后便可查看運(yùn)算結(jié)果，具體操作為指定某一路徑，對(duì)路徑上的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，從而得到缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)的軸向分量與徑向分量。如下圖5所示：

圖5 漏磁缺陷信號(hào)的軸向分量與徑向分量

藍(lán)色曲線為軸向分量，由一個(gè)峰值與兩個(gè)谷值組成，紫色曲線為徑向分量，由正負(fù)值相等的兩個(gè)峰值組成。

上圖5中的曲線數(shù)據(jù)是對(duì)長(zhǎng)2mm，深4mm的缺陷進(jìn)行仿真得到的，接下來對(duì)與此缺陷右邊界相距1mm的缺陷（長(zhǎng)3mm深5mm）進(jìn)行仿真，得到如下圖6所示的曲線圖：

圖6 漏磁缺陷信號(hào)的軸向分量與徑向分量

如上圖6所示，藍(lán)色曲線為徑向分量，紫色曲線為軸向分量，隨著深度的增加，缺陷信號(hào)的徑向分量的峰值和軸向分量的峰谷值都在增加，但并不是線性增加的。這對(duì)缺陷尺寸的量化非常重要。

下面對(duì)選擇的路徑的長(zhǎng)度重新選取，路徑中包含長(zhǎng)2mm深4mm的缺陷和長(zhǎng)3mm深5mm的缺陷，提離值不變的情況下得到如下圖7所示的磁力線分布與圖8缺陷信號(hào)的軸向分量與徑向分量：

圖7 相鄰缺陷磁力線分布

圖8 相鄰缺陷軸向分量與徑向分量

由圖7可知相鄰缺陷的磁力線分布與單獨(dú)的缺陷的磁力線分布基本上是一樣的，只是漏磁場(chǎng)區(qū)域增大了。將圖8與圖5和圖6對(duì)比可發(fā)現(xiàn)對(duì)于相鄰缺陷，提取出來的漏磁場(chǎng)軸向分量與徑向分量并沒有單獨(dú)分開，而是疊加到一起，相鄰缺陷軸向分量在達(dá)到峰值之前曲線有一個(gè)抖動(dòng)，徑向分量在兩個(gè)峰值之間也有一個(gè)抖動(dòng)，但沒有軸向分量劇烈。這是由于兩相鄰缺陷之間有一小段距離是無缺陷的，在無缺陷的地方曲線出現(xiàn)回落波動(dòng)。由此可得，在一定區(qū)域范圍內(nèi)漏磁檢測(cè)并不能夠準(zhǔn)確量化每一個(gè)缺陷，而是要將其看成一個(gè)缺陷來量化。

4 總結(jié)

管道在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生腐蝕缺陷，用有限元軟件可以仿真各種各樣的缺陷漏磁場(chǎng)，通過對(duì)有限元的仿真分析，得出了相鄰缺陷的漏磁場(chǎng)信號(hào)相關(guān)規(guī)律，為漏磁基礎(chǔ)研究提供參考。