天然氣長(zhǎng)輸管道金屬損失漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究

呂 圓

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210000）

近年來，我國(guó)天然氣運(yùn)輸事業(yè)得到跨越式發(fā)展，管道受到沿途復(fù)雜地理環(huán)境、土壤性質(zhì)、人為因素以及自身材質(zhì)缺陷等影響內(nèi)部金屬損失嚴(yán)重，如穿孔、開裂引起天然氣泄漏，并引起經(jīng)濟(jì)損失、安全隱患、自然環(huán)境破壞、生態(tài)污染等，因此，需將管道安全問題提上日程。定期對(duì)天然氣管道進(jìn)行檢查有利于排除安全隱患、減少經(jīng)濟(jì)損失。金屬管道檢測(cè)方式包括內(nèi)、外檢，當(dāng)下統(tǒng)一認(rèn)為內(nèi)檢更安全、高效便捷。

管道無損性檢測(cè)方法多樣，主要包括漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，也稱MFL技術(shù)。其因具有價(jià)格成本低、操作性強(qiáng)、環(huán)境污染低等優(yōu)勢(shì)，被金屬磁鐵性管道檢測(cè)廣泛運(yùn)用。檢測(cè)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用方法，通過漏磁內(nèi)檢技術(shù)完善了燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線中金屬材料損失與監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足。為了提升對(duì)長(zhǎng)輸管道缺陷檢測(cè)以及維護(hù)能力，在此次研究中，基于使用漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)有限元仿真分析方法，檢測(cè)天然氣長(zhǎng)輸管道金屬損失、缺陷狀況，并研究管道漏磁場(chǎng)強(qiáng)度與金屬損失的關(guān)系。為保證對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)正確測(cè)試并加以研究，在設(shè)計(jì)應(yīng)用方法的基礎(chǔ)上開展實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的有效性與優(yōu)勢(shì)。

1 長(zhǎng)輸管道金屬損失漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)原理

漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)根據(jù)漏磁原理，使用磁傳感器，比如霍爾器件等，對(duì)金屬磁鐵試件進(jìn)行外表局部磁飽和化，使其外表達(dá)到飽和。再將外表的漏磁進(jìn)行磁感，使探頭根據(jù)磁力線進(jìn)行回路運(yùn)動(dòng)，根據(jù)檢測(cè)器由壓力差形成的走向判斷磁場(chǎng)分布，辨別管道金屬是否缺陷漏損、缺陷大小與走向、分布等。

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器由多個(gè)部分與模塊組成，如電池供電模塊、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊、磁化測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、計(jì)算分析模塊、控制速度與運(yùn)行模塊、記錄路線模塊等，形成一個(gè)軟連接的密閉系統(tǒng)。首先要對(duì)被檢測(cè)管道處進(jìn)行磁化，無法被磁化處則產(chǎn)生缺陷處漏磁場(chǎng)[1]。當(dāng)內(nèi)檢測(cè)器通過磁分布均勻的部分管時(shí)，沒有檢測(cè)到磁漏或磁場(chǎng)的變化，則證明部分管無缺陷損壞。反之若檢測(cè)器所經(jīng)管道磁場(chǎng)的分布不均勻，則感受到管道內(nèi)壁泄漏出來的漏磁通，并在向前運(yùn)動(dòng)中將泄漏數(shù)據(jù)與缺陷位置記錄下來。數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)再將漏磁信號(hào)區(qū)域進(jìn)行歸納，對(duì)設(shè)備采集到的缺陷磁場(chǎng)進(jìn)行分析、預(yù)處理。

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)分析方法分為兩種：①運(yùn)用麥克斯維數(shù)值分析法求解。②建立解析分析法磁偶極子模型。數(shù)值分析法有利于對(duì)漏磁信號(hào)數(shù)值分析的細(xì)化，運(yùn)用范圍更廣。數(shù)值分析法分為抽象的有限差分法與更具實(shí)用的有限元分析法，研究使用有限元仿真分析法并建立實(shí)體模型。

2 天然氣長(zhǎng)輸管道金屬損失漏磁內(nèi)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

漏磁場(chǎng)也是電磁場(chǎng)理論的一部分，符合電磁場(chǎng)運(yùn)行理論[2]。在對(duì)漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之后，建立基于數(shù)值分析的金屬管道缺陷實(shí)際結(jié)構(gòu)，即有限元模型實(shí)體。對(duì)磁場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行參數(shù)化分析的過程，也是對(duì)金屬管道缺陷程度與磁場(chǎng)關(guān)系進(jìn)行關(guān)系分析的過程。在此次研究中，將方法設(shè)定為5部分，具體如下。

2.1 建立磁場(chǎng)有限元方程

建立磁場(chǎng)有限元方程過程中，要基于麥克斯韋方程式。得出具體方程式如下：

式（1）是法拉第定律，式中：E為金屬漏磁電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為V/m；B為金屬漏磁磁通量密度，單位為WB/m2。根據(jù)矢量分析公式可知：

式（2）中H為金屬磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為A/m；J為金屬內(nèi)部電流密度，單位為A/m2。根據(jù)法拉第定律，油氣管道等鐵磁性金屬材料在非變磁場(chǎng)狀態(tài)下時(shí)，聯(lián)立式（1）、式（2）可以得到：

式（3）中A為金屬磁場(chǎng)矢量磁矢勢(shì)，根據(jù)金屬磁鐵磁場(chǎng)無源性得出：

天然氣長(zhǎng)輸金屬管道漏磁內(nèi)檢測(cè)在靜態(tài)狀態(tài)下是軸對(duì)稱的，在強(qiáng)加邊界上與齊次邊界上、非齊次邊界上得出能量泛函方程方程式（4），可以清楚了解金屬漏磁內(nèi)檢測(cè)空間磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁力線分布情況。

2.2 選定內(nèi)檢測(cè)設(shè)備

在此技術(shù)的使用過程中，涉及大量的檢測(cè)設(shè)備，為保證此技術(shù)的使用效果，設(shè)定檢測(cè)設(shè)備如下。

在長(zhǎng)輸管道金屬的內(nèi)檢測(cè)中，將檢測(cè)設(shè)備設(shè)定為管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器，內(nèi)部包括橡皮碗、鋼刷、探頭、萬向節(jié)、里程輪、管壁下位機(jī)等主要的設(shè)計(jì)組成部 分[3]。管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器各個(gè)部分都有其具體功能，比如動(dòng)力功能節(jié)、電力功能節(jié)、測(cè)量功能節(jié)、數(shù)據(jù)功能節(jié)等，共同構(gòu)建成檢測(cè)運(yùn)行系統(tǒng)。在此技術(shù)設(shè)計(jì)中，動(dòng)力功能節(jié)作為管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)行基礎(chǔ)，與天然氣運(yùn)動(dòng)一同推進(jìn)測(cè)量器平穩(wěn)運(yùn)行，磁化管道[4]。測(cè)量功能通過霍爾元件構(gòu)成的探頭以及磁化設(shè)施實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，通過電動(dòng)勢(shì)使金屬管道產(chǎn)生漏磁通，測(cè)量磁漏與管道缺陷。數(shù)據(jù)功能節(jié)是機(jī)器運(yùn)行核心部分，記錄檢測(cè)過程與結(jié)果，它的主要設(shè)備是586工控機(jī)，除此設(shè)備外，采用脈沖式碼盤對(duì)運(yùn)行里程與路線進(jìn)行記載[5]。電力功能節(jié)為整個(gè)密閉的工作設(shè)備提供續(xù)航保障，為運(yùn)行、測(cè)量、分析功能提供基本保障。使用上述設(shè)備，完成適用于長(zhǎng)輸金屬管道的漏磁內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的組裝 過程。

采用上述設(shè)備獲取到金屬管道內(nèi)部漏磁通與磁漏數(shù)據(jù)，使用ANSYS進(jìn)行前處理、求解與后處理，采用的處理方式見表1。

表1 ANSYS 單元類型分析

采用以上維數(shù)與自由度，為仿真電磁與管道漏損數(shù)據(jù)提供單元類型，建立二維實(shí)體模型。

2.3 建構(gòu)檢測(cè)有限元仿真模型

由于此次設(shè)計(jì)要立體化圖像分析，就要求對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行劃分，創(chuàng)建文件名與材料名，加載和求解。選擇模型類型，設(shè)置施加載荷選項(xiàng)，處理結(jié)果，使用求解器分析。根據(jù)腐蝕缺陷的程度與形態(tài)特征，在進(jìn)行管道漏磁內(nèi)檢測(cè)有限元仿真分析建立實(shí)體模型時(shí)，將缺陷模型建立在管道的外壁上。以半橢圓形替換圓形或矩形模型，給建立的每一部分模型賦予其特定的屬性，從而達(dá)到建模完成的結(jié)果。

在建模完成基礎(chǔ)上采用智能網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行自由映射網(wǎng)格劃分，使用APDL命令流把網(wǎng)格進(jìn)一步多網(wǎng)格化劃分。

2.4 參數(shù)化分析有限元仿真模型結(jié)果

參數(shù)化分析的過程也是模型構(gòu)建加載與求解、研究?jī)?nèi)檢測(cè)研究數(shù)據(jù)之間關(guān)系的精準(zhǔn)化過程。用磁鐵為仿真材料提供仿真勵(lì)磁源和載荷，將永磁鐵磁特性轉(zhuǎn)化為等效的電流。尋求最合適的解析方法，利用二維實(shí)體模型的構(gòu)建劃分網(wǎng)絡(luò)單元與節(jié)點(diǎn)，利用波前、稀疏矩陣兩個(gè)求解器，創(chuàng)造給定為0的獨(dú)立邊界。

根據(jù)圖1得出：磁力線分布于明顯存在缺陷的管道時(shí)，內(nèi)外壁都存在明顯的磁泄漏，使得缺陷周圍產(chǎn)生同一強(qiáng)度的漏磁場(chǎng)。因?yàn)槁┐艌?chǎng)分為橫向與徑向，所以密度不一，磁感應(yīng)強(qiáng)度也不一致。至此，對(duì)于天然氣長(zhǎng)輸管道金屬漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 完成。

圖1 磁力線分布與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系

3 應(yīng)用測(cè)試

對(duì)使用效果展開驗(yàn)證，以保證漏磁內(nèi)檢技術(shù)安全高效運(yùn)用于實(shí)踐中。在此次驗(yàn)證中，采用與原有外檢測(cè)技術(shù)對(duì)比的形式，通過不同迭代步數(shù)的損失率進(jìn)行對(duì)比，得出漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)比原有技術(shù)在應(yīng)用中使用效果更佳的結(jié)論。

設(shè)定在此次實(shí)驗(yàn)中，采用仿真實(shí)驗(yàn)的形式，隨機(jī)設(shè)置管道缺陷的迭代步數(shù)幾何參數(shù)，采取對(duì)比的方式重構(gòu)實(shí)體模型結(jié)果。設(shè)定兩條具有不同迭代步數(shù)的路徑，生成缺陷處徑向損失率，提取特征值，代入算法方程。

在此實(shí)驗(yàn)中，①將內(nèi)檢測(cè)迭代步數(shù)參數(shù)初始化，即直接設(shè)置為 0，再檢驗(yàn)服從高斯分布的完全隨機(jī)迭代步數(shù)。②將外檢測(cè)初始化參數(shù)設(shè)置為帶尺度約束的迭代步數(shù)隨機(jī)數(shù)。③通過內(nèi)外檢測(cè)同一迭代步數(shù)產(chǎn)生的損失率來進(jìn)行對(duì)比。對(duì)照內(nèi)檢測(cè)與外檢測(cè)技術(shù)手段在同一迭代步數(shù)的損失率高低，得到管道內(nèi)外檢測(cè)技術(shù)對(duì)比整體最優(yōu)解。采用以上檢測(cè)中獲取的數(shù)據(jù)展開對(duì)比，確定文中設(shè)計(jì)方法與原有方法的使用效果以及使用區(qū)別。按照漏磁內(nèi)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的步驟完成仿真實(shí)驗(yàn)，得到兩次實(shí)驗(yàn)迭代步數(shù)算法所得到的損失率重構(gòu)結(jié)果，如圖2、圖3所示。

圖2 首次實(shí)驗(yàn)損失率對(duì)比

圖3 第二次實(shí)驗(yàn)損失率對(duì)比

獲得兩次實(shí)驗(yàn)中內(nèi)檢測(cè)技術(shù)與外檢測(cè)技術(shù)在同一迭代步數(shù)的損失率的數(shù)據(jù)，得出對(duì)比結(jié)果見表2：

表2 兩次實(shí)驗(yàn)損失率檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

通過上述測(cè)試結(jié)果可知，在同一迭代步數(shù)條件下，文中設(shè)計(jì)方法損失率比原有方法損失率低40%左右。原有技術(shù)在兩次實(shí)驗(yàn)中損失率伴隨著迭代步數(shù)的增加居高不下，固定處于50%以上。原有技術(shù)損失率過高不利于天然氣管道維修與保護(hù)。由此可知，在管道漏磁內(nèi)檢測(cè)上，文中方法比原有方法經(jīng)濟(jì)損失率更低，檢測(cè)效率更高，對(duì)管道損失缺陷部位檢測(cè)更精準(zhǔn)。外檢測(cè)技術(shù)損失率伴隨著迭代步數(shù)的增高并未降低，反而增高，且易陷入局部最優(yōu)解。實(shí)驗(yàn)表明文中設(shè)計(jì)方法在兩次測(cè)試下均可獲得優(yōu)秀的檢測(cè)結(jié)果。由此可見，文中設(shè)計(jì)方法的檢測(cè)能力相對(duì)于原有檢測(cè)方法使用效果更佳。

4 結(jié)束語

利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)有限元仿真模型與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化分析，并分析出漏磁場(chǎng)強(qiáng)度與金屬損失的對(duì)應(yīng)關(guān)系，成功得出管道缺陷尺寸量化標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)律。通過研究可知，漏磁管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于管道金屬損失與缺陷程度檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果接近，且檢測(cè)成本低，過程簡(jiǎn)單易操作，安全性高，環(huán)境污染小，能夠普遍應(yīng)用于天然氣管道安全檢測(cè)中。與此同時(shí)，漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)也是評(píng)價(jià)天然氣管道安全狀態(tài)與等級(jí)的重要依據(jù)。目前漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)在理論上尚有完善之處，在日后的研究中，除加強(qiáng)推進(jìn)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)工業(yè)化外，還需完善國(guó)內(nèi)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，以便推進(jìn)我國(guó)管道數(shù)據(jù)管理能力，掌握管道安全技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)天然氣長(zhǎng)輸金屬管道動(dòng)態(tài)安全管理，保護(hù)長(zhǎng)輸管道安全，保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，減少安全隱患與國(guó)家經(jīng)濟(jì)損失隱患。