管道漏磁內(nèi)檢測(cè)裂紋缺陷仿真與實(shí)驗(yàn)研究

楊理踐，梁成壯，高松巍，劉 斌

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110870）

漏磁內(nèi)檢測(cè)是油氣管道安全檢測(cè)的主要技術(shù)，國內(nèi)高校、科研院所等對(duì)檢測(cè)裝置的研發(fā)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。裂紋缺陷是對(duì)各種長輸油氣管道機(jī)械性能影響較大的一種缺陷[1-3]，漏磁檢測(cè)原理說明了鐵磁性管道裂紋缺陷的可檢性與磁化方向的關(guān)系，以及裂紋缺陷可檢性與磁化強(qiáng)度的關(guān)系，漏磁檢測(cè)技術(shù)先進(jìn)裝置采用不同磁化方向解決裂紋缺陷識(shí)別問題[4-5]。H.M.Kim 等[6]、吳德會(huì)等[7]利用實(shí)測(cè)缺陷信號(hào)對(duì)軸裂紋進(jìn)行估算和整形，通過周向勵(lì)磁，對(duì)軸向定向裂紋進(jìn)行了三維有限元分析，估算了缺陷形狀。廖昌榮等[8]、J.Haueisen 等[9]建立了V型裂紋漏磁場(chǎng)解析模型，得出了平板鐵磁構(gòu)件表面指定探測(cè)點(diǎn)的漏磁場(chǎng)理論表達(dá)式，經(jīng)理論分析得出了裂紋漏磁場(chǎng)分布曲線特征以及漏磁場(chǎng)空間形態(tài)規(guī)律，為缺陷的幾何參數(shù)評(píng)估建立了一定的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)外對(duì)裂紋漏磁場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究，裂紋方向性對(duì)漏磁場(chǎng)的影響仍是管道漏磁內(nèi)檢測(cè)中需要研究的重要問題[9]。

本文基于管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理，研究了裂紋漏磁信號(hào)分布規(guī)律，對(duì)管道裂紋不同分布角度的檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析；搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)用高速霍爾傳感器采集裂紋與磁化方向不同角度時(shí)的漏磁信號(hào)，采用直流電磁鐵軸向勵(lì)磁，針對(duì)最小角度可識(shí)別的裂紋缺陷以及管道漏磁內(nèi)檢測(cè)裂紋缺陷對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 管道漏磁檢測(cè)基本理論

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)具有精準(zhǔn)、便捷等優(yōu)點(diǎn)，為目前最有效的管道安全檢測(cè)方法之一。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)漏磁檢測(cè)技術(shù)研究較為深入，從理論到工程應(yīng)用建立了較為完善的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)。

1.1 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理

鐵磁性材料管道被磁化后，管道內(nèi)部不存在缺陷時(shí)，磁感線管道內(nèi)部平行均勻通過，理想情況下泄漏的磁通基本為0[10]。管道與空氣磁導(dǎo)率不同，管道存在裂紋時(shí)，磁感應(yīng)線會(huì)優(yōu)先通過磁導(dǎo)率較高的管道部分，迫使相當(dāng)一部分磁感應(yīng)線形成壓縮，管道可以容納的磁感應(yīng)線數(shù)量有限，同性的磁感應(yīng)線之間會(huì)相互排斥，一定數(shù)量的磁感應(yīng)線從裂紋缺陷位置穿出，進(jìn)入空氣形成漏磁通，在繞過缺陷位置后大部分的磁感應(yīng)線又會(huì)回到管道內(nèi)部，形成漏磁場(chǎng)，通過磁敏元件采集漏磁場(chǎng)信號(hào)的變化來確定裂紋等缺陷程度，利用麥克斯韋方程有限元法和計(jì)算機(jī)輔助來求解漏磁場(chǎng)分布[11-12]，管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)與管道組成近似閉合的磁路。管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

檢測(cè)器經(jīng)過垂直于磁化方向?qū)挾葹長 mm 的裂紋時(shí)，檢測(cè)的等效裂紋寬度最小。假設(shè)實(shí)際裂紋寬度為L mm，當(dāng)裂紋與磁化方向成角度a 時(shí)，檢測(cè)器移動(dòng)方向和磁化方向都不變，此時(shí)檢測(cè)的等效裂紋寬度為L/sina mm；當(dāng)裂紋等缺陷與在磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度和裂紋的深度都不變時(shí)，如果裂紋與磁化方向角度逐漸增加即檢測(cè)等效長度逐漸增加，則對(duì)漏磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，檢測(cè)到的漏磁場(chǎng)信號(hào)逐漸變得不明顯。工程中裂紋取向不定，對(duì)裂紋缺陷的識(shí)別尤為重要。

實(shí)驗(yàn)中采用直流電磁鐵，通過改變電流控制磁場(chǎng)大小（磁化強(qiáng)度），利用特斯拉計(jì)測(cè)得與永磁場(chǎng)相同大小的磁化場(chǎng)，模擬工程環(huán)境，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 裂紋漏磁場(chǎng)理論

有限元分析漏磁場(chǎng)形成原理。對(duì)于等效電流密度J 在磁導(dǎo)率為μ 的介質(zhì)中形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，根據(jù)麥克斯韋方程組及磁通連續(xù)性原理與全電流定律可得[10]：

式中，H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，A/m；B 為磁通密度矢量，Wb/m2；J 為等效電流密度，A/m2；μ 為 材 料 的磁導(dǎo)率，H/m；?為哈密算子。

根據(jù)磁介質(zhì)邊界條件可知，法線方向上的磁通密度和切線方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)：

式中，B1n、B2n分別為介質(zhì)交界處分界面兩端法向磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；H1t、H2t分別為介質(zhì)分界面兩端切向磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

加入邊界條件：磁感應(yīng)強(qiáng)度法向連續(xù)，磁場(chǎng)強(qiáng)度切向連續(xù)，引入矢量磁位A：

由式（1）、（2）、（3）、（5）可得到控制方程：

管道是關(guān)于軸對(duì)稱的幾何結(jié)構(gòu)，矢量磁位A 只有一個(gè)分量，庫倫規(guī)范為：

由恒等式?×?×A=?(?·A)-?2×A，式（6）可改寫為：

在管道結(jié)構(gòu)對(duì)稱的幾何條件下，選用圓柱坐標(biāo)系（r，θ，z），A=A（r，z）e0，其中，e0為θ 方向的單位矢量，則方程（8）可以表示為：

可以求得磁通密度的兩個(gè)分量為：

式中，Br為磁通密度的徑向分量，Wb/m2；Bz為磁通密度軸向分量，Wb/m2。

2 管道裂紋不同角度仿真分析

磁化方向與裂紋取向之間的角度對(duì)裂紋缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)識(shí)別影響較大，采用有限元仿真方式對(duì)不同裂紋角度漏磁信號(hào)進(jìn)行分析，得到裂紋漏磁場(chǎng)信號(hào)分布情況，對(duì)裂紋漏磁中信號(hào)分布規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 管道不同角度裂紋仿真結(jié)構(gòu)

運(yùn)用Comsol 仿真軟件，對(duì)永磁勵(lì)磁管道外不同角度裂紋檢測(cè)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行仿真分析，對(duì)永磁軸向勵(lì)磁不同角度裂紋三維結(jié)構(gòu)裝置進(jìn)行直流電磁勵(lì)磁等效分析，建立直流電磁鐵仿真結(jié)構(gòu)模型。在電磁等效永磁勵(lì)磁管道檢測(cè)結(jié)構(gòu)中，管道的長度為600 mm，厚度為15 mm，裂紋寬度為0.2 mm，裂紋深度為壁厚的10%，裂紋缺陷位于磁化器的中心位置且裂紋與磁化方向的角度分別為90°、60°、45°、30°、25°、0°，磁敏元件（高速霍爾傳感器）置于管道內(nèi)壁表面1 mm 處，構(gòu)成檢測(cè)裝置。管道直流電磁勵(lì)磁結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖2 中，磁化場(chǎng)大小可通過線圈電流大小控制，磁化方向?yàn)檩S向，磁極性由電流方向決定。

2.2 管道不同角度裂紋對(duì)漏磁信號(hào)的影響

仿真分析管道裂紋角度的漏磁場(chǎng)分布規(guī)律。工程檢測(cè)中磁飽和狀態(tài)下無缺陷管道表面磁通密度約為10 mT，對(duì)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，利用有限元軟件選擇電磁勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，采用2 000 匝線圈通直流電2.5 A 產(chǎn)生的恒定電磁場(chǎng)進(jìn)行磁化，軸向勵(lì)磁方式，對(duì)管道10%深度不同角度0.2 mm 裂紋進(jìn)行仿真分析。管道不同角度裂紋結(jié)構(gòu)圖及三維磁通能量圖如圖3 所示。

由于線圈磁化器將管道均勻磁化至飽和，在圖3 中可以看出磁化方向與裂紋的角度（裂紋角度，下同）在磁化區(qū)域的能量分布關(guān)系。其中，z 軸為管道的軸向方向，x 軸為管道的徑向方向，y 軸為管道的周向方向，圖例磁化器磁化管道強(qiáng)度為1.5 T。

由圖3 可以看出，當(dāng)裂紋角度為90°時(shí)，傳感器經(jīng)過裂紋的有效寬度最小，產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，漏磁場(chǎng)顏色最深；當(dāng)裂紋角度為30°～60°時(shí)，傳感器經(jīng)過的有效距離變長（與裂紋角度為90°的情況相比），相當(dāng)于裂紋的寬度變大，漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度變小，漏磁場(chǎng)顏色較淺但仍比較明顯，仍處于可檢測(cè)狀態(tài)；當(dāng)裂紋角度為25°時(shí)，漏磁場(chǎng)顏色更淺，其漏磁場(chǎng)很弱；當(dāng)裂紋角度為0°時(shí)，磁通密度幾乎無變化，在此情況下無漏磁場(chǎng)，檢測(cè)器檢測(cè)不到有效信號(hào)。

管道裂紋處由于管壁變薄，磁通密度變大，顏色相對(duì)比無缺陷處要深，最大處達(dá)1.6 T 左右；隨著裂紋角度的變小，磁通密度顏色逐漸變淺，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱。

2.3 管道不同裂紋角度仿真結(jié)果分析

不同取向裂紋漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。表中，Bxm為裂紋漏磁信號(hào)的軸向分量峰值；Bym為裂紋漏磁信號(hào)的徑向分量峰值與谷值差；θ 為鋼板裂紋與磁化方向的角度即裂紋角度，（°）；L 為漏磁檢測(cè)信號(hào)的變化寬度，mm。

表1 不同取向裂紋漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)

由 表1 可 以 看 出，當(dāng)裂紋角度為90°時(shí)，Bxm為69.953 mT，Bym為70.535 mT，檢測(cè)效果最佳；裂紋角度為45°時(shí)，Bxm和Bym相對(duì)于90°時(shí)減小且信號(hào)寬度增加1.3 mm，這是由于所檢測(cè)裂紋的有效寬度變大，且檢測(cè)信號(hào)有效寬度與裂紋實(shí)際寬度呈比例關(guān)系；裂紋角度為30°時(shí)，Bxm相對(duì)于90°時(shí)相差近40 mT，Bym相差近25 mT，裂紋角度為25°時(shí)裂紋漏磁場(chǎng)強(qiáng)度極其微弱，與噪聲信號(hào)相差5 mT 左右，幾乎檢測(cè)不到有效的漏磁信號(hào)；裂紋缺陷與軸向磁化方向平行時(shí)檢測(cè)信號(hào)小于噪聲信號(hào)，可視為沒有漏磁信號(hào)產(chǎn)生。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，搭建了漏磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在鋼板試件上對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用線切割技術(shù)，在鋼板上依次刻上不同角度的0.2 mm 裂紋缺陷，模擬工程裂紋，進(jìn)行拖拉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)能力。試件鋼板通過檢測(cè)器直流電磁鐵磁化至飽和，利用漏磁檢測(cè)傳感器（霍爾傳感器）采集漏磁信號(hào)，經(jīng)過A/D 信號(hào)轉(zhuǎn)換處理，由計(jì)算機(jī)分析并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在上位機(jī)顯示檢測(cè)結(jié)果。不同角度裂紋漏磁檢測(cè)拖拉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型如圖4 所示。圖中使用頻率為1 kHz 的探頭采集漏磁信號(hào)。

3.2 結(jié)果分析

鋼板厚度為15 mm；鋼板上裂紋長度為70 mm，寬度為0.2 mm，深度為管壁的10%；磁化方向?yàn)檩S向磁化。傳感器在管道內(nèi)壁上方的提離距離為1 mm 時(shí)平穩(wěn)移動(dòng)長度為60 mm，采樣頻率為1 kHz，步長約為1 mm。裂紋角度分別為90°、60°、45°、30°、25°、0°時(shí)，裂紋的漏磁信號(hào)軸向分量Bx和漏磁信號(hào)徑向分量By與裂紋角度的關(guān)系如圖5 所示。

由圖5（a）可見，Bx的極性為正且變化較為平緩；磁敏元件檢測(cè)時(shí)θ 發(fā)生了變化，隨著裂紋角度的減小，有效路徑變大，裂紋寬度變大；裂紋角度為30°時(shí)Bx的峰值約為35 mT；裂紋角度為90°時(shí)Bx的峰值約為60 mT；裂紋角度為25°時(shí)Bx約為18 mT，與噪聲信號(hào)相差5 mT 以內(nèi)，突變情況與檢測(cè)噪聲無法區(qū)分；當(dāng)裂紋角度減小時(shí)Bx的跨度變大，背景噪聲信號(hào)增加。

由圖5（b）可以看出，By的峰值與谷值差隨著裂紋角度的減小而減小，兩者存在一定的比例關(guān)系；當(dāng)裂紋角度為90°時(shí)，By的峰值與谷值差為60 mT左右，且By的極性為先負(fù)后正；當(dāng)裂紋角度為60°時(shí)，By的峰值與谷值差為40 mT 左右；當(dāng)裂紋角度為25°時(shí)，信號(hào)很微弱，大約只有5 mT，是裂紋角度為90°時(shí)的1/12；當(dāng)裂紋角度為0°時(shí)，By在裂紋處趨于平緩，幾乎無幅值突變情況產(chǎn)生，管道裂紋的漏磁信號(hào)極弱，無法檢測(cè)缺陷。在工程中檢測(cè)信號(hào)噪聲不可避免，對(duì)于單一軸向勵(lì)磁條件，裂紋檢測(cè)對(duì)寬度≥0.2 mm、深度≥10%的裂紋只能識(shí)別裂紋角度大于25°的裂紋缺陷，裂紋角度小于25°的裂紋缺陷無法準(zhǔn)確識(shí)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。

4 結(jié) 論

通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，研究了管道漏磁內(nèi)檢測(cè)中裂紋角度對(duì)漏磁信號(hào)的影響。結(jié)果表明，勵(lì)磁強(qiáng)度為2.5 A 電流提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以有效檢測(cè)漏磁場(chǎng)；裂紋角度為90°時(shí)漏磁信號(hào)最大；可檢最小裂紋角度為25°，當(dāng)裂紋角度小于25°時(shí)，裂紋的漏磁場(chǎng)極其微弱，以至檢測(cè)不到有效信號(hào)；在裂紋角度為25°～90°時(shí)，裂紋角度越小漏磁信號(hào)跨度越大，噪聲信號(hào)越大。