基于COMSOL對電場指紋技術中典型缺陷識別的仿真研究

樊戶偉 陳健飛 李西彥 叢雪明 王安泉

摘? 要：電場指紋技術作為一種對埋地管道、海底管道、高溫高壓設備等非常有效的監(jiān)測技術手段，越來越得到國內(nèi)外的認可;但該技術在國內(nèi)起步晚、被國外公司所壟斷的現(xiàn)狀大大限制了其在國內(nèi)的推廣發(fā)展，為開展對電場指紋技術的仿真研究，文章以COMSOL為工具，對管道中三種典型缺陷進行仿真研究。

關鍵詞：電場指紋技術;COMSOL;典型缺陷;仿真研究

中圖分類號：TE988? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0006-05

Abstract： As a very effective monitoring technology for buried pipelines， submarine pipelines， high-temperature and high-pressure equipment， electric field fingerprint technology has been increasingly recognized at home and abroad. However， the technology started late in China and was monopolized by foreign companies. The current situation greatly limits its promotion and development in China. In order to carry out simulation research on electric field fingerprint technology， this paper uses COMSOL as a tool to simulate three typical defects in the pipeline.

Keywords： electric field fingerprint technology; COMSOL; typical defects; simulation research

1 電場指紋技術介紹與原理分析

電場指紋技術實現(xiàn)管道內(nèi)壁腐蝕缺陷檢測與監(jiān)測的基本過程，如圖1所示，在管道外表面布置電極探針陣列和電流饋入/饋出電極，通過電流饋入點與饋出點通入恒定的直流源，采集沿著電流方向相鄰電極探針之間的電勢差，將其作為初始特征，當電極探針陣列所在區(qū)域產(chǎn)生腐蝕缺陷（金屬量減少），會對該區(qū)域內(nèi)電流的分布產(chǎn)生影響，從而導致相鄰電極探針之間的電勢差變化將其作為缺陷特征，將初始特征與缺陷特征的對比與處理后，即可對管道內(nèi)壁的腐蝕缺陷進行評價[1]。假設在管道外表面布置行列（M×N）的電極陣列，如圖2所示，可采集得到M×（N-1）的電勢差矩陣U，將上述管道單元推廣至在電極陣列，可得管道內(nèi)壁發(fā)生腐蝕（金屬量減少）后新的電勢差矩陣U'。

根據(jù)上述分析電勢差矩陣U'與U中任一元素應存在如下關系：

u'ij≥uij （1）

2 數(shù)值模擬分析與處理研究

采用有限元法[2]計算技術電場的數(shù)值，需得到管道表面電極陣列中沿電流方向相鄰電極之間的電勢差矩陣U與U'，從而探究內(nèi)壁腐蝕前后的電勢差矩陣U或U'與缺陷（金屬量減少）之間的關系。本文采用COMSOL Multiphysics 5.1軟件[3]模擬仿真研究，分析管道在有無缺陷情況下的電場分布規(guī)律和電勢差矩陣。

2.1 三種缺陷類型的簡化幾何模型

為便于實驗室對含缺陷管道的有限元仿真分析，綜合考慮勻腐蝕、坑蝕和裂紋缺陷3種缺陷類型的常見形態(tài)、機加工可行性，將均勻腐蝕、坑蝕和裂紋三種類型缺陷分別簡化為小厚度長方體、圓柱體和窄長槽，如圖3、圖4和圖5所示。

2.2 無/含缺陷管道的COMSOL數(shù)值模擬分析過程

采用COMSOL Multiphysics軟件中的AC/DC模塊下的電流場（ec）仿真研究有無缺陷狀態(tài)下管道的電場分布，因環(huán)境溫度對電場分布的影響，采用傳熱模塊下的固體傳熱（ht）與AC/DC模塊下的電流場（ec）耦合的方式仿真研究不同溫度狀態(tài)下管道的電場分布，以達到檢測和研究缺陷識別分析的目的。

在COMSOL軟件3D空間中，以外徑400mm、壁厚10mm、長度1000mm管道為例，電極探針選型M3螺柱焊專用螺釘，因采用“點”取代螺柱焊釘，僅需設置管道材料20#鋼和自帶空氣域材料，模擬溫度場中涉及的其他參數(shù)均使用內(nèi)置參數(shù)。在管道外表面布置7行*8列共56個電極探針組成的電極陣列和2個電流饋入/饋出電極，空氣域長1200mm、寬600mm、高600mm等條件建立管道幾何模型，其中螺柱焊焊釘簡化為圓柱體，設置I=50A;對電流饋出電極依次選擇“物理場”-“點”-“接地”，即設置該點電勢為零。選擇“物理場控制網(wǎng)格”自行劃分，對管道整體、焊釘及缺陷區(qū)域的網(wǎng)格化如圖6所示。COMSOL派生值計算測量發(fā)生腐蝕前后電極陣列中各點的電勢，以便獲得電勢差矩陣U或U'。

2.3 管道的平板化處理

考慮在管道內(nèi)壁上使用銑床加工模擬缺陷難度大，將管道沿著母線aa'展開近似成平板，研究管道與平板的電場分布狀態(tài)和電勢差矩陣U是否相同，如圖7所示。模擬條件：管道外徑310mm，內(nèi)徑300mm，壁厚10mm，管道長度1000mm，電極間距30mm，電流饋入/饋出電極相距960mm，外表面布置7行*8列電極陣列;缺陷類型為坑蝕，位置設置在第4行軸線、第4列與第5列中間區(qū)域，缺陷半徑10mm，高度2.5mm，坑蝕缺陷的位置設置如圖8所示。

依次提取無/含坑蝕缺陷管道模型和平板試樣模型的電勢差矩陣如表1和表2所示，然后分別考察管道模型與平板模型的電勢差矩陣各電勢差的誤差，如表3、表4所示，模擬結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)：

（1）根據(jù)無缺陷管道和平板試樣的電勢差矩陣U比較，最大誤差絕對值0.33%，且均出現(xiàn)在電極探針陣列的邊緣區(qū)域，其余電勢差的誤差較小;

（2）根據(jù)含缺陷管道和平板試樣的電勢差矩陣U'比較，最大誤差絕對值0.66%，同樣出現(xiàn)在電極陣列的邊緣區(qū)域;缺陷所處位置周圍電勢差最大誤差絕對值0.33%。

結(jié)果表明：將管道平板化處理具有可行性，在平板試件上加工模擬缺陷、布置電極陣列和電流饋入/饋出電極、采集電極陣列內(nèi)的電勢差矩陣U和U'、研究缺陷與U或U'的關系、研究缺陷類型的識別等。

2.4 電流重分布效應

以坑蝕缺陷為例，根據(jù)上述的仿真模擬結(jié)果，對無和含坑蝕缺陷平板試樣的電勢差矩陣內(nèi)各點電勢差做差，其結(jié)果如表5所示。

推導發(fā)生腐蝕前后電極陣列內(nèi)各點電勢差關系如公式（1）所示，但表5所示結(jié)果：沿電流方向，缺陷位置前后的電勢差u43、u45減小;垂直電流方向，缺陷位置兩側(cè)的電勢差u34、u54增大，該結(jié)果與結(jié)論并不完全一致。

國內(nèi)外研究也發(fā)現(xiàn)，缺陷的產(chǎn)生會導致缺陷位置附近的電流密度發(fā)生變化[4，5]（電流重分布Redistribution，即通過各管道單元的電流i會發(fā)生一定變化）。如圖9所示，COMSOL圖形化給出的電流流線圖結(jié)果，也表明缺陷對電流的重分布影響。總體上缺陷位置的電勢差仍呈增加趨勢;缺陷位置前后及兩側(cè)沒有缺陷產(chǎn)生（管道電阻沒有發(fā)生），但由于缺陷位置前后的電流線（電流密度）減小，缺陷位置兩側(cè)的電流線（電流密度）增加，導致了模擬結(jié)果與推導結(jié)果的不一致。

由于存在電流重分布效應，大大增加了對電場指紋技術電流分布規(guī)律的研究難度，而該問題也成為國內(nèi)外研究該技術難點問題。

3 結(jié)束語

本文對電場指紋技術進行了介紹和原理分析，推導得到電勢差矩陣的分布規(guī)律;并基于三種類型缺陷的幾何模型簡化，介紹有限元模擬分析的過程，為便于進實驗研究，使用有限元仿真的方法分析比較無缺陷管道模型、含坑蝕缺陷的管道模型、無缺陷平板模型和含坑蝕缺陷的平板模型的電勢差矩陣，驗證管道進行平板化處理的可行性;通過有限元仿真對電流重分布效應的結(jié)果及成因進行分析，并指出與理論推導所得結(jié)論的差異，證明了電流重分布效應的存在，為后期對缺陷類型的識別研究奠定基礎。

參考文獻：

[1]李宇庭，甘芳吉，萬正軍，等.場指紋法無損監(jiān)測技術綜述[J].儀器儀表學報，2016，37（8）：1781-1791.

[2]金建銘，王建國.電磁場有限元方法[M].西安電子科技大學出版社，1998.

[3]齊默爾曼.COMSOL Multiphysics有限元法多物理場建模與分析[M].人民交通出版社，2007.

[4]Daaland A. Modelling of Local Corrosion Attacks on a Plate Geometry for Developing the FSM Technology[J]. Insight， 1996， 38（12）：872-875.

[5]龔勝峰.螺柱焊接技術及工藝[J].電焊機，2006，36（1）：11-14.