雙金屬?gòu)?fù)合管缺陷弱磁檢測(cè)影響因素仿真分析

馬 濤，張 行，杜書(shū)強(qiáng)2，馮淑路3，劉書(shū)海

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 ，北京 102249；2.中船重工鵬力(南京)超低溫技術(shù)有限公司，南京 211100；3.中國(guó)石油西南管道公司，成都 610041)①

雙金屬?gòu)?fù)合管是由襯管和基管通過(guò)特定的結(jié)合方式生產(chǎn)而成，襯管通常選用不銹鋼等材料以保證管道的防腐性能[1]，基管通常選取碳鋼等材料以保證管道的力學(xué)性能[2]，結(jié)合方式主要分為機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合兩種[3]。近10 a來(lái)，雙金屬?gòu)?fù)合管技術(shù)發(fā)展加快，被廣泛應(yīng)用于石油、石化等領(lǐng)域并取得了良好的社會(huì)效益，成為一種發(fā)展較快的工程管道[4]。目前，國(guó)內(nèi)累計(jì)使用雙金屬?gòu)?fù)合管已超過(guò)2 000 km[5]。

由于雙金屬?gòu)?fù)合管的制造及使用技術(shù)尚未成熟，且在使用過(guò)程中受環(huán)境影響，易在焊縫部位產(chǎn)生腐蝕[6]，雙金屬管道腐蝕檢測(cè)問(wèn)題越來(lái)越得到重視。雙金屬?gòu)?fù)合管的結(jié)構(gòu)特殊，且內(nèi)襯不銹鋼管對(duì)磁信號(hào)有屏蔽作用，導(dǎo)致常規(guī)漏磁內(nèi)檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[7]無(wú)法有效地對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

弱磁檢測(cè)技術(shù)利用地磁場(chǎng)在管道內(nèi)產(chǎn)生磁感應(yīng)信號(hào)，傳感器置于雙金屬?gòu)?fù)合管上方沿著管道移動(dòng)，當(dāng)被檢測(cè)管道存在內(nèi)壁腐蝕、裂紋、穿孔等缺陷[8]時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生畸變[9]，磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生變化，傳感器檢測(cè)到發(fā)生異常的磁感應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)管道缺陷的定位與識(shí)別，如圖1所示。近年來(lái)，韓燁[10]對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了理論研究，驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)技術(shù)能夠在非開(kāi)挖條件下快速檢測(cè)金屬埋地管道缺陷。董鵬飛[11]等人設(shè)計(jì)了基于弱磁檢測(cè)的煤層氣管道缺陷識(shí)別系統(tǒng)研究，驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道缺陷具有較強(qiáng)的辨識(shí)能力。奐光潤(rùn)[12]等人基于弱磁無(wú)損檢測(cè)方法，檢測(cè)出副井提升鋼絲繩內(nèi)外部斷絲、銹蝕、磨損、斷面變形等情況，提高了檢修效率。Bin Liu[13]等人通過(guò)長(zhǎng)距離油氣運(yùn)輸管道弱磁檢測(cè)，驗(yàn)證了弱磁信號(hào)與應(yīng)力集中之間存在一對(duì)一的線性關(guān)系。于潤(rùn)橋[14]等人采用自主研發(fā)的弱磁檢測(cè)系統(tǒng)，驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)技術(shù)在雙金屬?gòu)?fù)合管管體及焊縫缺陷檢測(cè)中的可行性。

圖1 弱磁檢測(cè)示意

1 建模及仿真

1.1 建立缺陷管道模型

以某儲(chǔ)氣庫(kù)注氣管道L415QB+316L型雙金屬?gòu)?fù)合管為例，外層管壁厚為10 mm，內(nèi)層管壁厚為2 mm。通過(guò)ANSYS有限元軟件建立管道模型，即，以雙層板式樣作為雙金屬管道模型，設(shè)置兩層板結(jié)合方式為粘接，在模型板中心設(shè)置模擬缺陷，假設(shè)寬度為x方向、深度為y方向、長(zhǎng)度為z方向，如圖2所示。模型尺寸(寬×深×長(zhǎng))為100 mm×(2 mm+10 mm)×300 mm。

圖2 雙層板金屬模型

通過(guò)建立的雙層板模型模擬多工況下雙金屬?gòu)?fù)合管的腐蝕情況，設(shè)置不同缺陷進(jìn)行仿真，包括不同腐蝕面積、不同腐蝕深度、不同管壁裂紋形狀以及多缺陷組合等，分析不同腐蝕模型對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管弱磁檢測(cè)技術(shù)的影響。腐蝕缺陷模型如圖3所示。圖3a，腐蝕深度為1 mm，腐蝕面積分別為20 mm×20 mm、20 mm×30 mm、20 mm×40 mm、20 mm×50 mm。圖3b，內(nèi)壁腐蝕且腐蝕深度發(fā)生變化，設(shè)置腐蝕面積為20 mm×30 mm，腐蝕深度分別為1、2、7、12 mm。圖3c，管道外壁裂紋，裂紋形狀分別為槽型、V型以及組合型。圖3d，為組合缺陷模型，包括腐蝕穿孔及內(nèi)部腐蝕2種形式。

a 不同腐蝕面積試件

b 不同腐蝕深度試件

c 不同裂紋試件

d 組合缺陷試件

1.2 材料屬性定義及網(wǎng)格劃分

弱磁檢測(cè)是利用材料的相對(duì)磁導(dǎo)率和缺陷內(nèi)部磁導(dǎo)率的差異進(jìn)行檢測(cè)，得到對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度值。根據(jù)分析問(wèn)題的物理性質(zhì)，弱磁檢測(cè)屬于靜磁場(chǎng)問(wèn)題。在ANSYS單元庫(kù)中選用單元SOLID96磁標(biāo)量勢(shì)分析靜磁場(chǎng)，其自由度為磁標(biāo)量勢(shì)MAG[15]。設(shè)置空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，316L奧氏體不銹鋼為非磁性材料[16]，其磁導(dǎo)率與空氣相差較小，取1.02。L415QB材料對(duì)于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率則相差較大，定義其磁導(dǎo)率大小為100。除以上3種材料磁導(dǎo)率外，在管道缺陷處為其他物質(zhì)或空氣，需設(shè)置不同磁導(dǎo)率。本文以腐蝕區(qū)域填充物質(zhì)為空氣進(jìn)行分析。材料屬性添加完成，進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，采用網(wǎng)格劃分工具M(jìn)esh Tool劃分單元網(wǎng)格，由于模型結(jié)構(gòu)中存在不均勻部分，故采用自由網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格劃分等級(jí)為1，選取網(wǎng)格形狀為四面體單元。

1.3 施加載荷與求解

在仿真分析中對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管模型施加地磁場(chǎng)相同大小場(chǎng)強(qiáng)來(lái)模擬地磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)強(qiáng)值約為0.5 Gs[17]，即5×10-5T，因此，在仿真軟件中施加地磁場(chǎng)時(shí)設(shè)置磁標(biāo)量為39.8 A/m。靜磁場(chǎng)求解時(shí)磁通量平行邊界條件自動(dòng)滿足，因此不需要另外加載邊界條件。求解時(shí)選用MAGSOLV宏，它對(duì)大多數(shù)靜磁分析問(wèn)題能很快地定義求解選項(xiàng)并開(kāi)始求解。求解結(jié)束，查看各個(gè)模型磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖并進(jìn)行分析。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 缺陷面積對(duì)弱磁檢測(cè)的影響

為探究腐蝕面積改變對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)的影響，建立管道內(nèi)壁缺陷尺寸(寬×深×長(zhǎng))：20 mm×1 mm×20 mm、20 mm×1 mm×30 mm、20 mm×1 mm×40 mm、20 mm×1 mm×50 mm的腐蝕區(qū)域，腐蝕區(qū)域填充物質(zhì)為空氣，求解后得到磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)管道存在腐蝕缺陷時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度在腐蝕位置發(fā)生變化。對(duì)比圖4中的4幅圖可知，當(dāng)腐蝕面積改變時(shí)磁異常區(qū)域也發(fā)生改變。

圖4 不同面積腐蝕缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

在圖4缺陷長(zhǎng)度方向(z方向)取相同路徑長(zhǎng)度，提取數(shù)據(jù)點(diǎn)，分析磁異常信號(hào)，如圖5所示，橫坐標(biāo)為管道模型沿z方向提取路徑距離，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度值，4條曲線分別表示4種不同類(lèi)型的腐蝕缺陷面積模型。由圖5可知，管道未腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化。對(duì)比4條曲線，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化區(qū)域隨著面積變化也隨之變寬，但磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值和最小值基本保持不變。

圖5 不同腐蝕面積磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

通過(guò)提取不同腐蝕面積下最大值和最小值，如表1所示，隨著腐蝕面積的改變，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大、最小值幾乎不變，分別穩(wěn)定在0.024 390 T和0.023 858 T左右，其差值同樣十分接近，為0.000 53 T左右，因此，可以判斷腐蝕面積大小對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)影響較小。

表1 不同面積腐蝕缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度值

2.2 不同腐蝕深度對(duì)弱磁檢測(cè)的影響

為分析雙金屬?gòu)?fù)合管腐蝕深度改變對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)的影響，分別建立不同深度缺陷模型(寬×深×長(zhǎng))：內(nèi)層管部分腐蝕(20 mm×1 mm×30 mm)、內(nèi)層管完全腐蝕但未腐蝕至外層管(20 mm×2 mm×30 mm)、內(nèi)層管完全腐蝕且外層管部分腐蝕(20 mm×7 mm×30 mm)、復(fù)合管腐蝕穿孔(20 mm×12 mm×30 mm)4種類(lèi)型，腐蝕區(qū)域填充物質(zhì)為空氣，磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖6所示。對(duì)比圖6的4幅圖，當(dāng)腐蝕深度改變時(shí)，磁異常區(qū)域也發(fā)生改變。

圖6 不同腐蝕深度磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

在圖6缺陷長(zhǎng)度方向(z方向)取相同路徑長(zhǎng)度，提取數(shù)據(jù)點(diǎn)分析磁異常信號(hào)，如圖7所示。根據(jù)不同腐蝕深度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線對(duì)比，橫坐標(biāo)為管道模型沿z方向提取路徑距離，縱坐標(biāo)為地磁場(chǎng)作用下帶腐蝕缺陷管道磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，4條曲線分別表示4種不同類(lèi)型的腐蝕深度缺陷模型。由圖7可知，管道未腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，腐蝕深度變化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍也發(fā)生改變。

圖7 不同深度腐蝕缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

提取不同腐蝕深度下磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值和最小值，如表2所示。4種不同深度腐蝕模型所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最值相差較大，其差值為0.000 49～0.238 52 T。

表2 不同深度腐蝕缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度值

對(duì)不同腐蝕深度雙金屬?gòu)?fù)合管模型仿真結(jié)果進(jìn)行分析，雙金屬?gòu)?fù)合管道結(jié)構(gòu)的特殊，由兩種不同材質(zhì)金屬內(nèi)外結(jié)合而成，當(dāng)管道由內(nèi)部開(kāi)始向外腐蝕時(shí)，不同腐蝕類(lèi)型所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律有較大的差異。對(duì)比圖6a和圖6b兩種模型可知：當(dāng)腐蝕面積保持不變，腐蝕類(lèi)型分別為內(nèi)層管部分腐蝕和內(nèi)層管完全腐蝕，兩種腐蝕模型所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律、最大值、最小值較為接近。對(duì)比圖6c和圖6d可知：當(dāng)腐蝕面積保持不變，腐蝕類(lèi)型分別為外層管部分腐蝕模型和完全腐蝕穿孔模型時(shí)，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律、最大值、最小值有較大差異。在從內(nèi)壁開(kāi)始腐蝕直至腐蝕穿孔的整個(gè)變化過(guò)程中，其磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律發(fā)生較大的變化。雙金屬?gòu)?fù)合管腐蝕深度的改變對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)有一定影響，同時(shí)也可以利用不同腐蝕深度模型所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的差異性，在實(shí)際檢測(cè)中判斷雙金屬?gòu)?fù)合管道受腐蝕程度。

2.3 不同管道裂紋對(duì)弱磁檢測(cè)的影響

為分析雙金屬?gòu)?fù)合管管道裂紋改變對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)的影響，分別建立不同裂紋缺陷模型，包括槽型裂紋、V型裂紋以及組合型裂紋，裂紋區(qū)域填充物質(zhì)為空氣，求解得磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，如圖8所示。圖8a為槽型裂紋，裂紋深度為4 mm，尺寸設(shè)置(寬×深×長(zhǎng))為2 mm×4 mm×40 mm。8b為V型裂紋，裂紋深度為4 mm，開(kāi)口寬為2 mm，裂紋長(zhǎng)度為40 mm。8c為組合型裂紋，開(kāi)口寬為4 mm，裂紋長(zhǎng)度為40 mm，裂紋深4 mm，其中表面至2 mm深處為槽型，2 mm至4 mm深處為V型。由圖8可以看出，當(dāng)管道存在腐蝕缺陷時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度在腐蝕位置發(fā)生變化，對(duì)比3幅圖可知，當(dāng)裂紋形狀改變時(shí)，磁異常區(qū)域也發(fā)生改變。

a 槽型裂紋

b V型裂紋

c 組合型裂紋

在圖8缺陷長(zhǎng)度方向(z方向)取相同路徑長(zhǎng)度，提取數(shù)據(jù)點(diǎn)，分析磁異常信號(hào)，如圖9所示，橫坐標(biāo)為管道模型沿z方向提取路徑距離，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。3條曲線分別表示3種不同類(lèi)型的管道裂紋缺陷模型。由圖9可知，管道未腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，但在裂紋區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，且隨著裂紋形狀的改變，磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線也隨著產(chǎn)生一定的變化。

圖9 不同裂紋模型磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

提取不同裂紋形狀下磁感應(yīng)強(qiáng)度最值，如表3所示。

表3 不同裂紋模型磁感應(yīng)強(qiáng)度值

隨著裂紋形狀的改變，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最值及變化規(guī)律基本相同，最大、最小值分別穩(wěn)定在0.029 145 T和0.000 26 T左右，并且其差值穩(wěn)定在0.028 88 T左右。通過(guò)對(duì)該仿真分析，可以判斷不同形狀裂紋缺陷對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)影響較小。

2.4 組合型缺陷對(duì)弱磁檢測(cè)的影響

建立圓形腐蝕穿孔缺陷及槽型裂紋缺陷組合模型，其中腐蝕穿孔設(shè)置為直徑為6 mm圓孔，槽型裂紋尺寸與圖8a相同，腐蝕及裂紋區(qū)域填充物質(zhì)為空氣，求解得磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，如圖10所示。

圖10 組合缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

在圖10缺陷長(zhǎng)度方向(z方向)取相同路徑長(zhǎng)度，提取數(shù)據(jù)點(diǎn)，分析磁異常信號(hào)，如圖11所示，橫坐標(biāo)為管道模型沿z方向提取路徑距離，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。

由圖11可知，管道未腐蝕區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，但在右端圓孔處和左端槽型裂紋處呈現(xiàn)出磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，兩種缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律與單個(gè)缺陷的變化規(guī)律相同。

圖11 組合型缺陷模型磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

通過(guò)提取組合型下磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值和最小值，如表4所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值產(chǎn)生于裂紋處，為0.028 993 T，最小值產(chǎn)生于圓孔處為0.000 26 T，判斷組合型缺陷對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)影響較小。

表4 組合型缺陷模型磁感應(yīng)強(qiáng)度值

3 結(jié)論

1) 根據(jù)雙金屬?gòu)?fù)合管特性，以及弱磁檢測(cè)技術(shù)原理，使用ANSYS有限元軟件對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管弱磁檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管缺陷檢測(cè)的可行性。

2) 分析了不同缺陷對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)的影響，當(dāng)管道腐蝕面積發(fā)生變化時(shí)，各模型磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律及變化范圍基本相同，腐蝕區(qū)域面積的改變對(duì)弱磁檢測(cè)影響較??；當(dāng)管道腐蝕深度發(fā)生變化時(shí)，由于雙金屬?gòu)?fù)合管道結(jié)構(gòu)特殊性，各模型磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律及變化范圍相差較大，腐蝕深度的改變對(duì)弱磁檢測(cè)有較大影響，在實(shí)際檢測(cè)中，可通過(guò)檢測(cè)值對(duì)管道腐蝕深度程度進(jìn)行判斷；當(dāng)管道裂紋形狀發(fā)生改變，各模型磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律及變化范圍基本相同，裂紋形狀的改變對(duì)弱磁檢測(cè)有一定影響。通過(guò)設(shè)置組合型腐蝕缺陷，組合缺陷中各缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律互不影響，復(fù)合缺陷對(duì)弱磁檢測(cè)技術(shù)影響較小。

3) 通過(guò)分析不同缺陷變化對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管弱磁檢測(cè)技術(shù)的影響，有助于弱磁檢測(cè)技術(shù)在雙金屬?gòu)?fù)合管腐蝕檢測(cè)領(lǐng)域的使用和實(shí)施。在下一步工作中，還需要對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管道弱磁檢測(cè)技術(shù)的多種影響因素進(jìn)行分析。