瞬變電磁信號聚焦及管道壁厚檢測試驗研究*

楊勇 王觀軍 王安泉 劉超 劉海波

中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心

傳統(tǒng)瞬變電磁技術(shù)可在非接觸狀態(tài)下檢測埋地金屬管道剩余平均壁厚，目前已在管道檢測技術(shù)領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用，其檢測原理如圖1所示[1-5]。但在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)該技術(shù)存在管道覆蓋范圍大，導(dǎo)致埋地金屬管道局部腐蝕狀態(tài)難以檢測的不足。并且，由于該技術(shù)只能檢測無并行埋設(shè)的金屬管道，導(dǎo)致檢測適用范圍較小，難以在城區(qū)等復(fù)雜管道環(huán)境區(qū)域開展檢測。

為提高瞬變電磁檢測技術(shù)的管道檢測適用范圍，提高管道局部腐蝕分辨率，需要對瞬變電磁檢測技術(shù)進行改進。其中信號加載方式的改進，即縮小瞬變電磁激勵線圈激勵磁場分布范圍，實現(xiàn)信號定向聚焦式加載是一種有效的解決方案。而磁場信號聚焦技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的經(jīng)顱腦刺激電導(dǎo)率成像技術(shù)中獲得研究和應(yīng)用[6-8]。

本文在經(jīng)顱腦刺激用磁場聚焦技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用遺傳算法對瞬變電磁激勵線圈進行改進，設(shè)計出具有磁場信號聚焦效果的線圈陣列。并在此基礎(chǔ)上開展了管道檢測試驗，結(jié)果表明，該裝置可在磁場聚焦的范圍內(nèi)對金屬管道的剩余平均壁厚進行檢測，有效反映管道壁厚的變化，且檢測所得壁厚數(shù)據(jù)與超聲波測厚所得數(shù)據(jù)的誤差小于5%，滿足管道現(xiàn)場檢測的需求。

圖1 瞬變電磁法管道檢測原理示意圖Fig.1 Principle diagram of TEM method for pipeline detection

1 瞬變電磁激勵磁場聚焦效果實現(xiàn)

傳統(tǒng)瞬變電磁技術(shù)在檢測埋地金屬管道剩余平均壁厚時，采用大小不同的正方形線圈作為激勵、接收線圈，為設(shè)計具有磁場信號聚焦效果的傳感器，首先需要對載流線圈的磁場分布進行求解，并以此為基礎(chǔ)開展載流線圈陣列的設(shè)計。由于磁場具有矢量疊加性，本文按文獻[9]的方法將矩形線圈激勵的總磁場視為四段有限長載流線段激勵磁場的疊加[9-10]。有限長的載流直導(dǎo)線在空間激勵磁場可用式（1）進行計算

如圖2 所示，當(dāng)求解中心點在（m，n，0）處、邊長分別為2l1和2l2的矩形載流線圈激勵磁場時，首先對其中一條載流直導(dǎo)線激勵磁場進行計算，而后通過矢量疊加求得總磁場分布。以BC邊激勵磁場感應(yīng)強度進行計算，可得

圖2 矩形線圈磁場分布計算示意圖Fig.2 Calculation diagram of magnetic field distribution in rectangular coils

矩形載流線圈在空間P處激勵的總磁場分布可以表示為

利用磁場分布理論計算公式，對傳統(tǒng)瞬變電磁常用的1 m邊長正方形載流線圈激勵的空間磁場分布進行計算。選取銅的電磁參數(shù)，線圈匝數(shù)設(shè)為1，線圈中通過的電流大小為1.0 A。計算區(qū)域內(nèi)填充空氣介質(zhì)，其區(qū)域大小為4 m×4 m×2 m（x∈[-2，2]，y∈[-2，2]，z∈[-1，1]）。1 m 邊長的載流線圈在空間1 m處產(chǎn)生的空間磁場二維等高線圖如圖3 所示。由圖3 可知，單個線圈產(chǎn)生的磁場在線圈中心處具有最大磁場強度，但是磁場能量較為分散，且磁場分布的梯度小，造成磁場能量分散，覆蓋范圍大，其磁場能量60%以上集中在半徑為1.5 m 的區(qū)域內(nèi)，這個結(jié)果與瞬變電磁檢測區(qū)域吻合。

圖3 1 m邊長載流正方形線圈在1 m處空間磁場分布Fig.3 Magnetic field distribution of square coil with side length 1 m at 1 m deep

為便于加工、檢測，本文對由3個載流矩形線圈構(gòu)成的陣列進行優(yōu)化設(shè)計，使其具有最佳磁場聚焦效果。為此，本文采用劉冀成等人提出的改進的自適應(yīng)遺傳算法進行陣列優(yōu)化設(shè)計[11]。在優(yōu)化計算過程中，各子線圈對電流的方向、大小用8位二進制編碼表示，最高位表示電流方向，電流大小由7位二進制數(shù)表示，電流的計算區(qū)間為-15.875～15.875 A。種群規(guī)模N選擇為60，且將父代種群適應(yīng)度最高的5%N個體不經(jīng)過選擇、交叉、變異等操作直接復(fù)制到子代種群中，以加快收斂速度。計算中采用文獻[11]給出的適應(yīng)度函數(shù)

式中：K為函數(shù)值域空間；A為函數(shù)靈敏度系數(shù)；Szone為磁場值大于最大磁感應(yīng)強度值70%的區(qū)域；S為計算區(qū)域面積；Bave與Bmax分別為磁感應(yīng)強度平均值和最大值。

由適應(yīng)度函數(shù)公式可知，Szone/S的值越小，則傳感器陣列激勵的磁場信號聚焦效果越好。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，具有最佳磁場信號聚焦線圈陣列如圖4所示。其中線圈1和線圈2的尺寸都為0.6 m×0.6 m，且兩者有0.05 m 的重疊區(qū)域；線圈3 的尺寸則為0.6 m×0.45 m，線圈中心位于線圈1、線圈2重疊區(qū)域的中心。

圖4 三線圈組成的陣列Fig.4 Array composed of three coils

圖5 三線圈陣列的深度為1.0 m處的空間磁場分布及其歸一化B 幅值分布Fig.5 Magnetic field distribution and normalized B-amplitude distribution of three-coil arrays at 1 m deep

利用矩形線圈激勵磁場分布的計算公式，對深度1 m處矩形線圈陣列激勵的磁場分布進行了計算（圖5）。由圖5 可以看出，該陣列產(chǎn)生的能量60%以上集中在半徑約為0.5 m 的近似圓形區(qū)域內(nèi)。而傳統(tǒng)瞬變電磁技術(shù)所用邊長1 m正方形線圈在深度1 m處所激勵磁場分布區(qū)域則為半徑約1.5 m的圓形區(qū)域。由此可知，線圈陣列可將傳統(tǒng)瞬變電磁技術(shù)的管道覆蓋范圍縮小至1/3。

對具有磁場聚焦效果的線圈陣列激勵磁場分布進行了測量，磁場測量裝置使用俄羅斯TSC-4M-16裝置，該裝置的磁場強度測量精度小于0.1 A/m，磁場強度的掃描范圍為4 m×4 m，所得結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，該陣列激勵的磁場分布梯度明顯，并且在偏離陣列中心位置出現(xiàn)一大小約為0.6 m×0.7 m 的磁場信號聚焦區(qū)域。測量結(jié)果表明，該線圈陣列實現(xiàn)了磁場信號的聚焦式發(fā)射。

圖6 磁場聚焦陣列聚焦效果檢測試驗及結(jié)果Fig.6 Testing and results of array for focusing magnetic field

2 管道壁厚檢測試驗及數(shù)據(jù)分析

利用瞬變電磁技術(shù)評價埋地金屬管道壁厚，視時間常數(shù)是其中的一項重要參數(shù)[12]。為準(zhǔn)確評價埋地金屬管道壁厚，利用文獻[13]給出的方法，首先利用正演算法計算出不同管徑管道在特定埋深下的視時間常數(shù)與壁厚的關(guān)系曲線，并建立壁厚與視時間常數(shù)的對應(yīng)參數(shù)表。當(dāng)需要評價特定管徑的埋地金屬管道腐蝕情況時，利用磁場聚焦瞬變電磁系統(tǒng)采集響應(yīng)數(shù)據(jù)求解出該管道的視時間常數(shù)，再通過查表求得該管道視時間常數(shù)對應(yīng)的管道壁厚。圖7為管徑為159 mm、埋深為0.5 m管道的視時間常數(shù)與壁厚之間的關(guān)系曲線。

以0.5 m埋深、159 mm×5 mm埋地金屬管道為例，開展磁場聚焦瞬變電磁檢測試驗。試驗管道設(shè)有4個閥門模擬泄漏點，試驗管道設(shè)計如圖8所示。

對磁場聚焦瞬變電磁檢測數(shù)據(jù)取對數(shù)，可見檢測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢。單對數(shù)坐標(biāo)系中選取合適的測道開始，lnε 表現(xiàn)為時間t的單調(diào)遞減函數(shù)。由檢測數(shù)據(jù)可知，金屬管道的瞬變電磁響應(yīng)可以表示為

式中：a0為與時間無關(guān)的系數(shù)；a1為管道的視時間常數(shù)。

圖7 管道視時間常數(shù)與管道壁厚之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between pipeline apparent time constant and wall thickness

a1的大小就反映了管道的金屬含量，管道管徑不同，其視時間常數(shù)的大小也不同。對159 mm×5 mm鋼質(zhì)管道而言，式（7）可以表示為

圖9 為埋深為0.5 m、管徑為159 mm 的管道的磁場聚焦瞬變電磁響應(yīng)，其視時間常數(shù)通過計算為-5 461.5。由文獻[10]方法計算壁厚為5.2 mm、管徑為159 mm 的管道理論視時間常數(shù)為-5 461.7，由此可知，在該處磁場聚焦瞬變電磁檢測所得埋地金屬管道剩余平均壁厚約為5.2 mm。用超聲波測厚技術(shù)對磁場信號有效覆蓋區(qū)域的壁厚進行檢測，取其平均值約為4.98 mm，磁場聚焦瞬變電磁技術(shù)與超聲波測厚實測值的誤差約為4%。但由于該處存在閥門，因此管道壁厚檢測應(yīng)大于4.98 mm，由此可知磁場聚焦瞬變電磁可有效反映管道壁厚的變化。

圖8 159 mm×5 mm試驗管道設(shè)計圖Fig.8 Design chart of 159 mm×5 mm testing pipeline

圖9 磁場聚焦瞬變電磁裝置對159 mm×5 mm管道壁厚測量數(shù)據(jù)Fig.9 Wall tickness measurement data of 159 mm×5 mm pipeline obtaining bymagnetic field focusing transient electromagnetic device TEM

3 結(jié)論

為解決傳統(tǒng)瞬變電磁技術(shù)在檢測埋地金屬管道剩余壁厚過程中局部腐蝕分辨率低的不足，利用遺傳算法設(shè)計出一種由3個矩形載流線圈組成的陣列傳感器，該陣列具有較好的磁場信號聚焦效果。磁場測量結(jié)果表明，該線圈陣列發(fā)射信號聚焦半徑小于0.7 m，與傳統(tǒng)瞬變電磁技術(shù)用矩形載流線圈激勵的磁場分布相比，縮小了埋地金屬管道的有效檢測區(qū)域，提高了瞬變電磁技術(shù)的局部腐蝕分辨率。

在試驗管道上對磁場聚焦瞬變電磁技術(shù)進行了試驗，利用該技術(shù)對159 mm×5 mm 管道進行檢測，所得管道剩余平均壁厚與超聲波測厚所得平均壁厚的誤差小于5%，可以有效反映埋地金屬管道的壁厚變化。

由3個子線圈構(gòu)成的線圈陣列雖然縮小了磁場分布范圍，但仍不能滿足埋地金屬管道局部腐蝕狀態(tài)的檢測要求。為此，需要對磁場聚焦定向式加載技術(shù)開展更深入的研究，進一步縮小磁場的分布范圍，并加大激勵磁場能量，以實現(xiàn)非接觸狀態(tài)下的埋地金屬管道局部腐蝕檢測。