基于陣列感應(yīng)的石油管道無損檢測研究

仵 杰，李 野

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

石油管道在服役期內(nèi)受載荷變異、介質(zhì)侵蝕和環(huán)境變化等因素影響[1]，可形成不同形式的損傷，對管道安全運行造成極大危害。利用無損檢測技術(shù)最大程度地發(fā)現(xiàn)管道中的安全隱患是減少管道安全事故發(fā)生、維護管道安全運行的有效途徑[2-5]。現(xiàn)有的管道無損檢測方式主要包括射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測和漏磁法檢測等。射線檢測可直觀、準(zhǔn)確地顯示管道中全面參數(shù)，可探測最小缺陷深度為0.04 cm，但檢測過程中產(chǎn)生的輻射會對操作、施工人員及周邊居民身體健康帶來不良影響[6-8]；超聲檢測結(jié)果精確、速度快，可探測最小缺陷深度為0.02 cm[9]，但對檢測環(huán)境要求高，成本高昂；磁粉檢測操作簡便，成本較低，可探測最小缺陷深度為0.035 cm[10]，但其無法檢測非磁性材料；滲透檢測可檢測不同材質(zhì)的管道，操作較方便，可探測最小缺陷深度為0.04 cm，但僅能檢測管道外表面裂縫[11-13]；漏磁檢測速度較高，對裂紋以及銹蝕等檢測效果較好，探頭裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、成本低且操作簡便，可實現(xiàn)全自動化檢測，可探測最小缺陷深度為0.03 cm，但僅適用于檢測小型的管道裂痕及物體表面，對厚壁管道檢測尚未成熟，且抗干擾能力較差[14-18]?？梢?，以上方法均存在一定弊端，不適用于實際的石油管道無損檢測。本文利用COMSOL軟件，應(yīng)用石油測井方法中的陣列感應(yīng)測井三線圈系(一發(fā)兩收：發(fā)射線圈、主接收線圈和屏蔽線圈)原理設(shè)計了石油管道基體金屬缺陷無損檢測探頭，該探頭可穿透涂層直接在基體金屬中激發(fā)渦流場[19-20]，而屏蔽線圈有效抵消直接耦合信號，增強來自于基體金屬的信號，更適合石油管道基體金屬缺陷的識別。

1 仿真模型及參數(shù)選擇

目前大多數(shù)油氣田的長距離輸油管線都是由鋼管焊接而成，管外涂有絕緣層物質(zhì)以防止土壤中的腐蝕性化學(xué)成分對管線本體造成侵蝕，管內(nèi)涂有防腐材料以減少輸送的油品本身對管線的腐蝕和提高管線的光滑度以加大運輸量。本文使用的石油管道涂層系統(tǒng)，由厚0.04 cm涂層和0.51 cm的基體金屬構(gòu)成。圖1為石油管道涂層模型網(wǎng)格剖分。

圖1 石油管道涂層模型網(wǎng)格剖分Fig.1 Mesh generation of coating model for oil pipeline

利用COMSOL軟件設(shè)計探測基體金屬缺陷的探頭， 涂層電導(dǎo)率為10-5S/m， 基體金屬電導(dǎo)率為107S/m，缺陷電導(dǎo)率為10-5～107S/m，缺陷大小0.5～5 cm，缺陷厚度0.01 cm，由于缺陷大小及材料變化對視電導(dǎo)率虛部影響數(shù)值變化不明顯，無法利用此數(shù)據(jù)進行參數(shù)選擇及缺陷判斷，因此本文均采用視電導(dǎo)率實部進行參數(shù)選取及缺陷定位，缺陷大小及材料變化對視電導(dǎo)率實部影響如圖2所示。又由于數(shù)據(jù)量過大，取缺陷大小1 cm和5 cm，缺陷電導(dǎo)率10-5、105和106S/m進行對比分析可知，不同間距線圈系的視電導(dǎo)率實部隨缺陷尺寸的增加而增大，而受缺陷電導(dǎo)率變化影響很小，本文選用缺陷電導(dǎo)率為106S/m。

圖2 缺陷大小及材料變化對視電導(dǎo)率實部的影響Fig.2 Influence of defect size and material on the real part of apparent conductivity

2 基體金屬缺陷響應(yīng)特性

本文對比研究雙線圈系和三線圈系探測基體金屬缺陷響應(yīng)特性，以驗證三線圈系探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。雙線圈系探頭參數(shù)見表1。

表1 雙線圈系探頭參數(shù)設(shè)計Tab.1 Parameter design of double-coil system probe

2.1 雙線圈系單缺陷

為直觀描述缺陷位置，繪制了雙線圈系中單缺陷與探測儀器相對位置示意圖(圖3)。本文研究缺陷大小0.5～5 cm時響應(yīng)規(guī)律，為清楚分析特征，繪制了單缺陷大小變化(0.5 cm和5 cm)對雙線圈系測量的影響，如圖4所示(圖4中給出陣列1響應(yīng))。雙線圈系中單缺陷大小變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷相對位置之間的關(guān)系見表2。

圖3 雙線圈系中單缺陷與探測儀器相對位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of relative position between single defect and detector in double-coil system

圖4 單缺陷大小變化對雙線圈系測量的影響Fig.4 Influence of single defect size on measurement of double-coil system

表2 雙線圈系中單缺陷大小變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對位置之間的關(guān)系Tab.2 Relationship between response characteristics of single defect size change and structure of coil system and relative position of defects in double-coil system

2.2 雙線圈系雙缺陷

探頭設(shè)計不僅要滿足探測單缺陷的需求，還要能同時探測多個缺陷。為清楚描述缺陷位置，繪制雙線圈系中雙缺陷位置與探測儀器相對位置示意圖(圖5)。本文研究雙缺陷大小1 cm，缺陷間距分別為0.1、0.2、0.5、1、2和3 cm時的響應(yīng)規(guī)律。為清楚分析特征，繪制了雙缺陷間距變化(0.1 cm和3 cm)對雙線圈系測量的影響，如圖6所示(圖6中給出陣列1響應(yīng))。雙線圈系中雙缺陷間距變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對位置之間的關(guān)系見表3。

表3 雙線圈系中雙缺陷間距變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對位置之間的關(guān)系Tab.3 Relationship between response characteristics of double defect spacing variation and structure of coil system and relative position of defects in double-coil system

圖5 雙線圈系中雙缺陷與探測儀器相對位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of relative position between double defects and detector in double-coil system

圖6 雙缺陷間距變化對雙線圈系測量的影響Fig.6 Influence of double defect spacing variation on measurement of double-coil system

2.3 三線圈系單缺陷

從上述分析結(jié)果可知，雙線圈系探頭無法探測小間距雙缺陷，且視電導(dǎo)率實部幅值較小，易受噪聲等因素影響產(chǎn)生誤差。為解決上述問題，筆者結(jié)合多年研究成果與經(jīng)驗，利用陣列感應(yīng)三線圈系原理設(shè)計探測基體缺陷探頭，相比于雙線圈系，三線圈系中加入的屏蔽線圈可有效抵消直接耦合信號，增強來自于基體金屬的信號，更適合石油管道基體金屬缺陷識別。

三線圈系探頭參數(shù)見表4。三線圈系中缺陷與探測儀器相對位置相較于雙線圈系(圖3、圖5)，僅在收發(fā)線圈中間加入屏蔽線圈，其他結(jié)構(gòu)與圖3、圖5相同。單缺陷大小變化對三線圈系測量的影響如圖7所示(圖7中給出陣列1響應(yīng))。三線圈系中單缺陷大小變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對位置之間的關(guān)系見表5。

表4 三線圈系探頭參數(shù)設(shè)計Tab.4 Parameter design of three-coil system probe

圖7 單缺陷大小變化對三線圈系測量的影響Fig.7 Influence of single defect size on measurement of three-coil system

表5 三線圈系中單缺陷大小變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對位置之間的關(guān)系Tab.5 Relationship between response characteristics of single defect size change and structure of coil system and relative position of defects in three-coil system

2.4 三線圈系雙缺陷

利用上述探頭探測間距變化的雙缺陷，雙缺陷間距變化對三線圈系測量的影響如圖8所示(圖8中給出陣列1響應(yīng))。三線圈系中雙缺陷間距變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對位置之間的關(guān)系見表6。

圖8 雙缺陷間距變化對三線圈系測量的影響Fig.8 Influence of double defect spacing on measurement of three-coil system

表6 三線圈系中雙缺陷間距變化響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對位置之間的關(guān)系Tab.6 Relationship between response characteristics of double defect spacing variation and structure of coil system and relative position of defects in three-coil system

經(jīng)過總結(jié)歸納，可得缺陷大小、中心位置和間距計算公式，見表7。雙線圈系與三線圈系可探測缺陷陣列及視電導(dǎo)率實部幅值變化對比見表8。

表7 線圈系缺陷大小、中心位置和間距計算公式Tab.7 Calculation formula of size,center position and spacing of defects

表8 雙線圈系與三線圈系可探測缺陷陣列 及視電導(dǎo)率實部幅值變化對比Tab.8 Comparison of detectable defect array and amplitude of the real part of apparent conductivity between double-coil system and three-coil system

3 雙線圈系及三線圈系探測缺陷機理分析

為了揭示雙線圈系及三線圈系探測缺陷機理，繪制了雙線圈系和三線圈系歸一化后渦流圖(圖9和圖10)，箭頭表示電流方向。

圖9 雙線圈系歸一化渦流圖Fig.9 Normalized eddy current diagram of double-coil system

圖10 三線圈系歸一化渦流圖Fig.10 Normalized eddy current diagram of three-coil system

以1 cm單缺陷為例，進行機理分析：

基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通有交流電流的發(fā)射線圈T靠近導(dǎo)體時，會在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。

在雙線圈系中，區(qū)域2的渦流圍住接收線圈R，在接收線圈R產(chǎn)生的磁場定義為正信號；區(qū)域1的渦流在接收線圈R產(chǎn)生的磁場與區(qū)域2信號相反，定義為負信號；正、負信號之和為總信號。接收線圈R逐漸接近缺陷，缺陷電導(dǎo)率小于金屬電導(dǎo)率，負信號減小，總信號增強；剛到達缺陷，總信號出現(xiàn)最大值；接收線圈R逐漸離開缺陷，缺陷導(dǎo)致正信號減小，總信號減小；剛離開缺陷，總信號出現(xiàn)最小值。

在三線圈系中，區(qū)域3的渦流圍住接收線圈R，在接收線圈R產(chǎn)生的磁場定義為正信號；區(qū)域1的渦流在接收線圈R產(chǎn)生的磁場與區(qū)域3信號相反，定義為負信號；區(qū)域2的渦流在接收線圈R產(chǎn)生的磁場幾乎被抵消，可視為零。正、負信號之和為總信號。無缺陷時，總信號為零。屏蔽線圈B逐漸接近缺陷，缺陷電導(dǎo)率小于金屬電導(dǎo)率，結(jié)合三線圈系聚焦原理，相比于雙線圈系，三線圈系負信號減小幅度更大，總信號增強更多；剛到達缺陷，總信號出現(xiàn)最大值，相比于雙線圈系，最大值更大；屏蔽線圈B逐漸離開缺陷，結(jié)合三線圈系聚焦原理，相較于雙線圈系，缺陷導(dǎo)致正信號減小幅度更大，總信號下降更多；剛離開缺陷，總信號出現(xiàn)最小值，相比于雙線圈系，最小值更小。

4 結(jié) 論

(1)利用COMSOL軟件進行建模，實現(xiàn)了基于石油感應(yīng)測井線圈系探測石油管道金屬缺陷的新方法的數(shù)值模擬，研究了缺陷大小及材料變化對視電導(dǎo)率實部的影響，結(jié)果表明不同間距線圈系的視電導(dǎo)率實部隨缺陷尺寸的增加而增大，而受缺陷電導(dǎo)率變化影響很?。?/p>

(2)基于石油感應(yīng)測井線圈系原理，設(shè)計了用于探測石油管道金屬缺陷的探頭，研究了單缺陷大小變化及雙缺陷間距變化對線圈系測量的影響，分析歸納了線圈系響應(yīng)特征與線圈系結(jié)構(gòu)和缺陷的相對位置之間的關(guān)系，總結(jié)出探測缺陷大小、位置和間距的計算公式。并對雙線圈系和三線圈系進行視電導(dǎo)率實部幅值比較，顯示三線圈系幅值變化是雙線圈系的2.5倍，表明三線圈系探測新方法明顯優(yōu)于雙線圈系。三線圈系探測新方法可探測缺陷深度0.01 cm，優(yōu)于現(xiàn)有的石油管道缺陷探測方法；

(3)通過計算繪制雙線圈系及三線圈系歸一化渦流圖，分析響應(yīng)特征與渦流和缺陷之間的相互關(guān)系，揭示了特征出現(xiàn)的機理。