基于電磁技術的油氣管道應力檢測方法研究

鄭福印，楊理踐，白 石，高松巍

(沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

管道在交變應力的作用下發(fā)生的破壞現(xiàn)象稱為應力疲勞，造成應力疲勞最主要的因素是應力集中[1]。鐵磁性材料的內部都不可避免存在位錯或微細裂紋，當材料長時間受交變應力作用時發(fā)生的疲勞損傷可以積累，可以使材料內部原有的微細裂紋擴張，最終發(fā)生疲勞斷裂。長輸油氣埋地管道在運行過程中通常受內壓、土壤和自身重力等載荷共同作用[2]，應力集中會導致管道局部區(qū)域發(fā)生屈服失效、產生疲勞裂紋[3]以及應力腐蝕裂紋[4]。因此，管道應力的檢測尤為重要。近年來，磁測應力方法被廣泛應用到鐵磁性材料應力檢測中，常見的磁測應力方法包括金屬磁記憶法[5]、磁巴克豪森法[6]、矯頑力法[7]和磁各向異性法[8]等。

逆磁致伸縮效應是鐵磁性材料在機械應力(應變)的作用下，材料的磁性也會隨之改變的現(xiàn)象[9]。應力導致鐵磁性材料內部發(fā)生位錯，改變磁疇結構，對材料的局部磁導率造成影響，導致材料表面磁感應強度變化。在實際工程應用中，可以將管壁表面磁信號轉換為電信號后進行采集，電磁技術[10]是一種較為成熟的無損檢測方式，通過對被檢材料施加一定頻率的電磁信號，并利用感應式磁傳感器將材料表面的漏磁場轉換為電信號進行采集分析，可判斷材料內部是否存在損傷，其主要優(yōu)勢為操作簡單、檢測速度快等。

本文在磁機械效應的J-A模型理論的基礎上，建立了外磁場作用下應力與磁導率之間的力-磁耦合關系，分析了材料磁導率與應力、線圈匝數(shù)、激勵頻率和激勵電流等參數(shù)之間的數(shù)學關系，設計了基于電磁技術的管道應力檢測系統(tǒng)。搭建管道打壓實驗平臺，對不同內壓下的管壁切向應力與表面切向磁場進行采集分析，驗證了管壁表面切向磁場與管道內壓存在一定函數(shù)關系，為管道應力的檢測提供了可靠的理論基礎。

1 電磁技術檢測基本原理

基于電磁技術的應力檢測技術主要結合逆磁致伸縮效應對被檢材料表面磁場信號進行分析，通過對磁信號特征點的獲取和變化趨勢的對比來實現(xiàn)識別被檢材料應力集中位置和大小的目的?；陔姶偶夹g的應力檢測系統(tǒng)由勵磁線圈、U型硅鋼片磁芯、磁傳感器組成，具體示意圖如圖1所示。

圖1 電磁技術檢測系統(tǒng)示意圖

圖1中，磁傳感器置于管壁表面，對激勵線圈施加電流磁化被檢材料，當被檢材料局部區(qū)域存在損傷(缺陷、應力及腐蝕等)時，材料內部磁導率會發(fā)生改變，導致?lián)p傷處漏磁信號改變，通過對磁信號的采集可實現(xiàn)材料損傷的檢測與分析。

2 基于電磁技術的管道應力檢測相關理論研究

2.1 鐵磁性材料力磁模型分析

沿著鐵磁性材料應力方向施加外磁場時，磁化強度變化主要受外磁場能和應力能的影響。系統(tǒng)沿著可逆的非滯后磁化曲線的能量E為

(1)

式中：EH為外磁場能；Eσ為應力能；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7，H/m；H為外加磁場強度，A/m；M為無應力時磁化強度，A/m；σ為應力，MPa；λ為磁致伸縮系數(shù)。

由J-A模型理論[11]可知，鐵磁性材料的磁致伸縮系數(shù)可表示為

λ=γ1M2+γ2M4

(2)

式中：γ1和γ2為材料相關系數(shù)。

有效磁場He可表示成能量E對磁化強度M的導數(shù)，表達式為

(3)

由式(3)可知，有效磁場與外磁場強度、磁化強度及應力呈正相關關系。在外磁場恒定時，應力決定有效磁場的增強或減弱。

多晶材料中，無磁滯磁化曲線可用郎之萬(Langevin)函數(shù)[12]表示為

(4)

式中：M(H，σ)為磁場和應力共同作用時磁化強度；Ms為飽和磁化強度；a為材料相關系數(shù)，a=kBT/μ0M；kB為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度，℃。

鐵磁性材料的磁化強度可表示為

M=(μr-1)H

(5)

式中μr為相對磁導率。

聯(lián)立式(3)、式(4)和式(5)，可得磁場強度與應力作用下相對磁導率為

(6)

由式(6)可知，對管道進行應力分析時，磁場和應力共同作用下，當外磁場和材料相關參數(shù)不變時，材料的相對磁導率與應力呈正相關關系。

2.2 電磁感應交變漏磁理論分析

電磁檢測技術可方便、快捷地對管道進行全面有效檢測，且不需要永磁體和耦合劑，其主要基于電磁感應的原理，由激勵線圈和感應式磁傳感器組成，通過磁傳感器獲取管道應力集中處漏磁場信號。激勵線圈在正弦信號激發(fā)下產生交變電磁場，透過被檢材料，在應力集中處會產生漏磁信號。感應式磁傳感器在外加電磁場的作用下產生感應電動勢，應力集中處感應電動勢幅值和相位都會發(fā)生變化，假設交變電磁場為

H=H0sin(ωt)

(7)

式中：H0為正弦交變電磁場峰值；ω為外加磁場交變角頻率，rad/s；t為時間，s。

感應式磁傳感器磁通量為

φ=NSμiH

(8)

式中：φ為磁通量，Wb；N為磁傳感器線圈匝數(shù)；S為磁芯面積，m2；μi為有效磁導率，H/m。

磁傳感器線圈兩端的感應電動勢為

(9)

根據集膚效應定理[13]可知，隨著激勵頻率的增大，檢測深度也會增加，集膚效應表達式為

(10)

式中：δ為檢測深度，m；μ為材料磁導率；ξ為材料電導率，S/m；f為交流激勵頻率，Hz。

2.3 管道應力檢測系統(tǒng)等效磁路分析

磁路設計是管道應力檢測需要解決的首要問題。將管道應力檢測系統(tǒng)進行磁路等效，得到等效磁路模型如圖2所示。

圖2 管道應力檢測系統(tǒng)等效磁路模型圖

圖2中，Ne為激勵線圈匝數(shù)，Ie為激勵電流，Rm為U型磁芯的磁阻，Ra為空氣氣隙的磁阻，Rp為管壁正常區(qū)域的磁阻，Rs為管道應力集中處的磁阻，Rd為感應式磁傳感器的磁阻。根據磁路計算公式，磁阻可表示為

(11)

式中：R為對應區(qū)域的磁阻；l為對應區(qū)域的磁路長度，m；S為對應區(qū)域垂直與磁場傳輸方向的面積，m2。

由磁路歐姆定律可知：

F=∑NI=∑φRm

(12)

式中F為磁動勢。

通過各網孔的磁通量及方向如圖2所示，依據磁路基爾霍夫定律，得到磁路網孔方程為

(13)

通過應力集中處St區(qū)域(檢測區(qū)域)內平均漏磁通磁感應強度為

B=(φ1-φ2)/St

(14)

式中B為漏磁通磁感應強度，T。

聯(lián)立式(12)和式(13)可得，漏磁通磁感應強度與管道磁導率之間關系式為

(15)

將式(6)、式(11)和式(15)進行聯(lián)立，可以確定漏磁通磁感應強度與應力之間的函數(shù)關系，二者之間成正相關關系。隨著管道應力的增大，磁感應強度變化量呈增加趨勢。

3 管道應力檢測系統(tǒng)電路設計

基于電磁技術的管道應力檢測系統(tǒng)主要由功率放大電路、感應信號調理電路、通訊傳輸電路、檢測探頭和上位機組成。原理圖如圖3所示。

圖3 管道應力檢測系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)激勵部分由微控制器、可編程數(shù)字頻率合成器和功率放大電路組成，對探頭進行激勵及磁化，在探頭與被測管道之間產生磁場和閉合磁回路。系統(tǒng)檢測部分由感應式磁傳感器和信號調理電路組成，通過對磁傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波和檢波等處理過程，利用串口傳輸給上位機進行顯示和存儲。

3.1 激勵電路模塊

基于電磁技術的管道應力檢測系統(tǒng)施加交變磁場，交變勵磁信號由傳統(tǒng)的數(shù)字頻率合成技術(DDS)產生。采用STM32控制器控制可編程數(shù)字頻率合成器AD9833生成固定頻率的標準正弦信號，再將正弦信號輸入至數(shù)字電位器MCP41010(電阻式數(shù)/模轉換)后放大輸入至功率放大電路，為激勵線圈提供交變勵磁源。正弦信號發(fā)生電路和功率放大電路分別如圖4和圖5所示。

圖4 交變正弦信號發(fā)生電路

圖5 交變勵磁信號功率放大電路

由圖4，通過對STM32微控制器編程，利用其I/O口對AD9833芯片(輸出頻率范圍：0～12.5 MHz，輸出波類型：方波、三角波和正弦波，完全滿足設計要求)進行設置，使AD9833芯片輸出穩(wěn)定的正弦信號，并通過數(shù)字電位器MCP41010的引腳輸出模擬正弦信號至SineWave端口作為功率放大器輸入信號。

圖5給出檢測系統(tǒng)的功率放大電路，在該部分采用AD8051運算放大調節(jié)和D類功率放大器MAX9768(當負載阻值為8 Ω、供電電壓為14 V時，芯片功率輸出為10 W)功率放大芯片，MAX9768BE功放芯片內部包含過熱保護、短路保護等。顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 信號采樣電路模塊

根據法拉第電磁感應定律可得，空間直流磁場對檢測線圈基本無影響，但檢測信號中會疊加一部分噪聲(空間雜散的交流磁場)，準確捕捉檢測信號是管道應力檢測系統(tǒng)檢測能力的重要保證。如圖6所示，電磁檢測線圈感應信號帶載能力較弱，選擇高精度斬波穩(wěn)零運算放大器TLC2652，其具有很好的直流特性，失調電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲對放大器影響很小，因此適合用于微信號的放大處理。電路采用兩級可調放大運算器，對微弱檢測信號進行放大。經過兩級放大處理后，通過8階低通濾波器LTC1069-6對檢測信號進行濾波，LTC1069-6的截止頻率是時鐘可調的，可通過STM32微控制器進行編程調節(jié)，最高可達20 kHz(5 V供電)。

圖6 電磁檢測線圈信號采樣電路

電磁檢測線圈接收的微弱漏磁信號經信號采用電路，均值檢波電路后，通過AD芯片(LTC1864)和串口將檢測線圈接收的數(shù)據發(fā)送至上位機LABVIEW進行顯示與存儲。

3.3 上位機模塊

基于LabVIEW環(huán)境開發(fā)的管道應力檢測系統(tǒng)人機界面，上位機包括：串口選擇、顯示波形模塊、控制模塊和存儲模塊等，前面板如圖7所示。

圖7 LabVIEW上位機顯示界面

4 實驗研究與分析

4.1 管道應力檢測系統(tǒng)樣機

外加交變電磁場穿過管壁，從其中一側傳導至另一側，在應力集中處磁感應線發(fā)生彎曲，產生漏磁場，隨著應力的大小、方向和深度等參數(shù)的變化，漏磁場的能量和波及范圍也會改變。具體檢測原理示意圖如圖8所示。

圖8 管道應力檢測系統(tǒng)檢測原理示意圖

由圖8可知，感應式磁傳感器放置于管壁表面，U型磁芯與磁感應線傳輸方向平行。當管道局部區(qū)域存在應力集中時，磁感應線會發(fā)生泄漏，感應式磁傳感器采集的漏磁信號幅值和相位會改變。檢測信號幅值隨激勵線圈匝數(shù)、激勵電流大小和激勵頻率的增大而增加。整合電磁技術管道應力檢測系統(tǒng)所有組成電路模塊，形成管道應力檢測系統(tǒng)樣機，如圖9所示。

圖9 電磁技術管道應力檢測系統(tǒng)樣機

圖9中，上位機中展示了管道應力檢測系統(tǒng)磁傳感器實時的檢測數(shù)據，便于檢測中實時監(jiān)測材料應力的變化。

4.2 管道應力檢測實驗

管道應力檢測實驗中，令應變測試儀與管道應力檢測系統(tǒng)分別對管壁應力與漏磁場進行檢測，并對比分析。打壓實驗示意圖及實物圖如圖10所示。

(a)示意圖

圖10中，基于電磁技術的管道應力檢測系統(tǒng)(應力檢測系統(tǒng))采用U型硅鋼片作為磁芯，激勵線圈為線徑0.21 mm的漆包線，激勵頻率為200 Hz(考慮集膚效應影響下的檢測深度與檢測幅值)，匝數(shù)300匝，激勵電流為100 mA，磁路長度為80 mm。實驗試件為Q235材質的管道，管道長為6 000 mm，直徑為273 mm，壁厚為7.5 mm。將管道兩端密封，對管道進行打壓。由于管壁各區(qū)域所受內壓均勻且相同，因此，管壁任意位置應力狀態(tài)一致。將應變片粘合在打磨好的管道表面，利用DH3816應變儀對管道打壓過程中的管壁應力值進行實時采集；同時，將應力檢測系統(tǒng)的磁芯沿管道切向方向放置，利用磁傳感器對管壁表面切向磁場信號進行采集。實驗過程中，使管道內壓經歷0～6 MPa對封閉管道打壓，對管壁切向應力值與應力檢測系統(tǒng)檢測信號進行實時采集，管壁切向應力值與檢測信號量化值變化量的分布情況如圖11所示。

(a)0～6 MPa時應力信號曲線圖

由圖11可知，通過打壓實驗，管道切向應力與管壁表面切向漏磁信號變化趨勢基本一致，且重復性較好。隨著管道內壓的增加，管壁切向應力值與應力系統(tǒng)檢測信號量化值變化量逐漸增大至最大值后逐漸減小至穩(wěn)定，這是由于材料內部其他能量的影響，內壓穩(wěn)定一段時間后，材料晶體結構才會達到新的平衡狀態(tài)。

在檢測過程中，記錄不同內壓下，管壁切向應力值與應力檢測系統(tǒng)檢測信號量化值可知，當管道內壓分別為0、1、2、3、4、5、6 MPa時，管壁切向應力信號值為：16、24、32、45、55、63、72 MPa；應力檢測系統(tǒng)檢測信號量化值變化量為：281、571、733、949、1 107、1 200、1 244 LSB，其中LSB為最低有效位。相關系數(shù)是用以反映變量之間相關關系密切程度的統(tǒng)計指標，管壁切向應力值與檢測系統(tǒng)切向信號的相關系數(shù)R2=0.953 55，說明二者之間有高度的線性正相關關系。

不同管壁切向應力值下，應力檢測系統(tǒng)檢測信號量化值變化量如圖12所示。

圖12 不同管壁切向應力下檢測信號量化值變化量

由圖12可知，管道切向應力值與應力檢測系統(tǒng)檢測信號量化值變化量之間大致成線性關系，因此，通過大量實驗數(shù)據，即可得到二者之間明確的函數(shù)關系。在實際工程應用中，可通過大量實驗數(shù)據得到不同檢測信號對應的管道應力大小，從而實現(xiàn)管道應力定量分析的檢測目的。上述理論分析和實驗研究為長輸油氣管道應力定量研究提供了科學依據，采用基于電磁技術的管道應力檢測方法可對管道應力進行檢測和定量分析。

5 結束語

通過對油氣管道力磁耦合模型的推導分析及管道應力檢測實驗，主要得出以下結論：保持外磁場強度不變，材料磁導率隨著拉應力的增加而增長；保持管道應力檢測系統(tǒng)探頭激勵電流、線圈匝數(shù)和激勵頻率等參數(shù)不變，管道表面漏磁感應強度與管道應力呈正相關關系；搭建實驗平臺對理論模型進行驗證，基于電磁技術的管道應力檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，管壁表面漏磁感應強度變化量隨管壁應力增長呈線性增加趨勢，可準確對管道應力值進行描述，為管道應力檢測方法的發(fā)展提供了明確的理論基礎和應用導向。