油氣管道劃痕非飽和漏磁檢測與識別*

張雪偉 陳金忠 康小偉 宋 凱

(1.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室 2.中國特種設(shè)備檢測研究院)

0 引 言

油氣管道長期暴露在野外或埋于地下，受各種氣候條件或人為等因素影響，管道事故時常發(fā)生，對油氣輸送和人員安全構(gòu)成嚴重威脅[1-6]。在管道失效諸多原因中，機械損傷和腐蝕最常見。機械損傷可分為凹痕和劃痕，主要由外力、地面擾動、第三方挖掘或建筑設(shè)備造成[7-8]。一般來說，凹陷可通過高精度幾何變形檢測器來進行在線檢測[9]，而劃痕通常發(fā)生在管壁與外部力量的接觸點，造成金屬損失或擠壓使管壁變薄，同時出現(xiàn)應(yīng)力集中和冷作，在外觀上與腐蝕缺陷極其形似[10]。當(dāng)前，大多數(shù)管道在線檢測工具通過軸向磁化至近磁飽和狀態(tài)來檢測和量化腐蝕等金屬損失缺陷[11-13]。在強磁場下，漏磁信號受殘余應(yīng)力和冷作的影響極小，導(dǎo)致無法準確判別缺陷的類型。機械損傷一般不會導(dǎo)致管道立即失效，形成后多為“死”缺陷，而腐蝕為“活”缺陷，其腐蝕程度隨時間延長逐漸加深。因此，提出一個不僅能夠檢測到腐蝕和劃痕，還能夠?qū)Χ哌M行有效識別區(qū)分的方法，可為管道公司制定科學(xué)有效的維修計劃提供技術(shù)支撐。

在高磁場強度下，缺陷幾何形狀對漏磁信號產(chǎn)生不同程度的影響，機械損傷中劃痕引起的殘余應(yīng)力顯著改變管道微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，但對漏磁信號的影響微乎其微[14]。國外學(xué)者F.FOSTER[15]提出在低磁場強度下，漏磁信號隨外加磁場的增大而逐漸增大，但隨著管壁磁化強度接近飽和值時，應(yīng)力對漏磁信號的影響幾乎消失。為進一步研究低磁化強度下應(yīng)力對漏磁信號的影響，B.KVASNICA等[16]和D.C.JLIES等[17]提出彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變都會對碳素鋼的磁導(dǎo)率發(fā)生顯著變化，在低磁場強度下，垂直于磁場大小為120 MPa的應(yīng)力使漏磁通量下降到原來的。T.A.BUBENIK等[18]設(shè)計了一種雙磁化場在線檢測工具，發(fā)現(xiàn)最終的解耦信號主要受殘余應(yīng)力和磁性特性變化的影響。但上述研究關(guān)于磁力機理以及管道缺陷類型與檢測信號關(guān)系的研究仍然不夠全面，對管道腐蝕和劃痕的檢測識別缺乏可靠性。

本文通過建立管道機械損傷劃痕瞬態(tài)力學(xué)仿真模型，分析劃痕產(chǎn)生過程中的幾何變形及殘余應(yīng)力分布?；诼┐艡z測原理搭建了非飽和漏磁檢測試驗裝置，并開展了非飽和磁化下油氣管道劃痕和腐蝕兩種缺陷類型對比試驗，并實現(xiàn)了對二者的有效檢測和識別區(qū)分。

1 理論計算

1.1 漏磁理論模型

管壁經(jīng)磁化后，鐵芯、軛鐵和管道之間構(gòu)成了完整的磁回路，在遇到幾何不連續(xù)時，由于空氣磁導(dǎo)率遠小于管道的磁導(dǎo)率，磁力線不再平行于管道內(nèi)表面，內(nèi)部磁場會發(fā)生變形，從而造成磁力線在缺陷處泄漏，通過磁敏元件拾取漏磁場信號并對缺陷進行定位及量化。漏磁檢測原理如圖1所示。

圖1 漏磁檢測原理

在漏磁檢測中，管道磁化強度的選擇是漏磁檢測技術(shù)中最重要的步驟。磁化強度大小影響缺陷漏磁信號的特征和檢測裝置的結(jié)構(gòu)，并決定了機械損傷劃痕的信號是否能有效檢測并識別。

在材料的B-H曲線中，磁導(dǎo)率隨磁場強度變化，如圖2所示。在a→b階段，磁導(dǎo)率隨磁化強度增加而迅速增加，該區(qū)間不利于漏磁檢測；在b→c階段，磁導(dǎo)率先上升至最高點然后逐漸下降。在實際情況中需要考慮其他因素，如信噪比和檢測設(shè)備的設(shè)計。

圖2 相對磁導(dǎo)率、磁感應(yīng)強度與磁化強度的關(guān)系

影響漏磁信號的重要因素包括漏磁檢測工具設(shè)計、缺陷幾何形狀、磁性和運行條件(如速度和應(yīng)力)。為研究機械損傷劃痕的漏磁信號特征，了解在應(yīng)力作用下管壁磁性尤為重要。大多數(shù)管線鋼為磁各向異性，其易磁化軸是應(yīng)力和磁疇取向相互作用的結(jié)果，通常沿管道軸線方向排列。對于具有正磁致伸縮的材料，如管線鋼，當(dāng)施加載荷時，易磁化軸傾向于偏轉(zhuǎn)到所施加力的方向上[19]。

將磁性與外加應(yīng)力耦合起來首先確定材料初始磁導(dǎo)率和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。這種關(guān)系基于磁場和材料殘余應(yīng)力總能量的最小化，此時達到最穩(wěn)定的狀態(tài)。

基于殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力，系統(tǒng)的能量密度Eσ計算式為：

(1)

式中：±表示應(yīng)力的方向(垂直于磁化方向為+)；λs為飽和磁致伸縮常數(shù)；σo為施加應(yīng)力，Pa；σr為殘余應(yīng)力，Pa；θ為殘余應(yīng)力從初始位置旋轉(zhuǎn)至磁化矢量的角度，(°)。

與磁場相關(guān)的能量密度EH為：

EH=-HMscos(θ0-θ)

(2)

式中：H為磁場強度，A/m；θ0為施加磁化場與殘余應(yīng)力σr之間的夾角；Ms為磁化矢量，A/m。

當(dāng)總能量最小時，出現(xiàn)平衡位置，系統(tǒng)的總能量ETotal為：

ETotal=Eσ+EH

(3)

當(dāng)滿足以下條件時：

Kλs(σr+σo)sinθcosθ=HMssin(θ0-θ)

(4)

式中：K為常數(shù)，當(dāng)殘余應(yīng)力平行于磁化場時，K=3，當(dāng)殘余應(yīng)力垂直于磁化場時，K=3/2。

平行于磁化場的磁化矢量分量M為：

M=Mscos(θ0-θ)

(5)

初始磁導(dǎo)率μi近似為：

(6)

進一步得到：

(7)

式(6)和式(7)表明，管道的初始磁導(dǎo)率與應(yīng)力成反比，相對于無應(yīng)力時的初始磁導(dǎo)率，磁導(dǎo)率為：

(8)

由式(8)可知，在管道中，垂直于外加磁場(+)的壓縮殘余應(yīng)力(σr<0)和平行于(-)外部磁場的拉伸殘余應(yīng)力(σr>0)增加磁導(dǎo)率，更多的磁通量被容納在管壁中，這會導(dǎo)致軸向漏磁信號幅度減?。幌喾?，平行于磁場的壓縮殘余應(yīng)力和垂直于磁場的拉伸殘余應(yīng)力降低磁導(dǎo)率。

1.2 磁化方式

磁化方式可根據(jù)激勵源的種類分為直流磁化、交流磁化和永磁體磁化等方式[20-21]。交流磁化易產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，因此該方法多用于檢測表面或近表面缺陷。永磁磁化不需要激勵源，但只能通過磁路設(shè)計來保證磁化強度，磁化強度不易調(diào)整。直流磁化可通過對電磁鐵施加磁化被測管道，通過改變電流大小來調(diào)節(jié)磁場強度，也可通過切斷電流來消除磁場，方便安裝和拆卸。在直流磁化方式中，由于磁路結(jié)構(gòu)特點的不同會直接影響檢測靈敏度，磁路結(jié)構(gòu)通常分為開路磁化和閉路磁化。為方便對管壁進行漏磁檢測試驗及提高檢測靈敏度，采用閉路磁化(磁軛法)方式對管壁進行局部軸向磁化。

采用閉合磁化方式，磁場在一個閉合回路內(nèi)，由磁路定理得：

∮IHdl=NI

(9)

式中：l為鐵芯長度，m；I為激勵電流，A；N為線圈圈數(shù)。

顯然整個磁化的磁力線沿整個閉合回路閉合，因此該磁化方式可有效提高檢測靈敏度。

2 仿真模擬

2.1 應(yīng)力分析模型

2.1.1 仿真三維模型建立

由于漏磁信號不僅受到劃痕幾何變形的影響，而且還受到存在于劃痕區(qū)域中殘余應(yīng)力的影響，所以，利用有限元軟件ANSYS建立非線性結(jié)構(gòu)有限元模型，以便獲得劃痕產(chǎn)生的應(yīng)力分布。

假設(shè)管壁為分段線性彈塑性材料模型，采用尺寸為40 mm×40 mm×8 mm的鋼板作為管壁的一部分，壓頭直徑為20 mm。載荷施加在壓頭中心的圓形截面上，通過在垂直鋼板上表面施加壓力，并對鋼板下表面施加固定約束邊界條件，防止鋼板下表面發(fā)生形變，最終建立了產(chǎn)生劃痕的簡單彈塑性模型。出于模型對稱性考慮，圖3為整體模型的。該模型極大程度地減少了網(wǎng)格數(shù)量，從而縮短了模型的計算時間。

圖3 應(yīng)力仿真模型

2.1.2 模型參數(shù)設(shè)置

鋼板材質(zhì)為20#鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為245 MPa，切向模量為0.113 GPa。材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為由雙線性總應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述，該曲線從原點開始，具有正的應(yīng)力和應(yīng)變值。

根據(jù)庫倫摩擦定律，設(shè)置接觸面的摩擦因數(shù)為0.15，鋼板與壓頭之間的界面采用自動面-面接觸算法來建模，該算法使用兩個接觸表面的材料屬性來計算接觸元件的剛度。

2.2 仿真結(jié)果分析

在劃痕形成過程中，通過在壓頭上表面施加瞬時壓力，模擬加載條件，負載壓力從0線性增加到120 MPa，然后線性降低為0。當(dāng)載荷被除時，鋼板的殘余應(yīng)力分布是表征劃痕的殘余應(yīng)力的近似值。圖4為卸載后的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。由圖4可以看出，在有劃痕的情況下，載荷垂直于外表面，劃痕區(qū)域發(fā)生幾何形變(壁減薄)，而應(yīng)力在管壁的整個厚度上不均勻，且隨著劃痕深度的增加，殘余應(yīng)力逐漸變大，隨后減小。

圖4 應(yīng)力仿真結(jié)果

圖5為劃痕區(qū)域應(yīng)力分布曲線。由圖5可以看出，在劃痕起始位置應(yīng)力開始增大，在劃痕中心處應(yīng)力達到最大值，隨后急劇減小。

圖5 應(yīng)力分布曲線

通常，在進行漏磁在線檢測時，外部磁化方向沿管道軸向，且垂直于應(yīng)力矢量的最大分量。因此，垂直磁化的壓縮殘余應(yīng)力會導(dǎo)致磁導(dǎo)率增加。

3 試驗條件與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

3.1.1 管道試樣

漏磁檢測試驗采用長1 000 mm、外徑323 mm、壁厚8 mm的半圓形管道，管道材質(zhì)為20#鋼。材料的B-H曲線如圖6所示。

圖6 20#鋼B-H曲線

為保證非飽和漏磁檢測技術(shù)的適用性，分析不同類型缺陷的漏磁信號是否在某些特征值上存在明顯差別，驗證所提取特征值能否對不同類型缺陷進行有效檢測識別顯得尤為重要。為此，分別制作了尺寸相同的腐蝕和劃痕缺陷。

在制作劃痕時，通過給壓頭施加壓力載荷，同時管壁另一側(cè)放置在支撐板上，防止管內(nèi)壁產(chǎn)生徑向位移，移除載荷后，產(chǎn)生的劃痕缺陷僅包含殘余應(yīng)力應(yīng)變和管壁減薄，無金屬損失。劃痕最大深度為3.0 mm，最大外徑為19.1 mm。

制作與劃痕尺寸相近的管道腐蝕缺陷試樣，腐蝕在管壁局部使用化學(xué)試劑浸潤40 d后形成。該方法優(yōu)于機械鉆孔，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并且模擬了真實的腐蝕產(chǎn)生過程。最終得到的腐蝕坑最大深度為3.3 mm，最大直徑為20.7 mm。

由于劃痕和腐蝕缺陷的形成機理不同，以及受其他不可控因素的影響，最終得到的缺陷在尺寸上存在一定的誤差，二者最大外徑相差1.6 mm，最大深度相差0.3 mm。

3.1.2 檢測裝置

檢測裝置分為磁化掃查部分、檢測探頭和計算信號處理顯示部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 裝置結(jié)構(gòu)框圖

磁化方式采用直流磁軛式磁化，磁軛材料為電工純鐵(DT4),該材料具有低矯頑力、高磁導(dǎo)率和高穩(wěn)定性等優(yōu)點。設(shè)置磁化線圈為1 200匝，線徑為1.2 mm，通過調(diào)節(jié)直流電大小可提供0～25 kA/m的管壁磁化強度。探頭部分由3個相互垂直放置的霍耳元件組成，可檢測空間三維漏磁場，霍耳元件型號為SS49E。該型號霍耳元件的檢測靈敏度為2.5 mV/mT，測量磁感應(yīng)強度范圍為-1 000～1 000 mT。數(shù)據(jù)采集卡型號為ZTIC-EM9118B，該采集卡支持以太網(wǎng)接口和USB 接口，它是高速并行、高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，帶有模擬輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、計數(shù)、測頻及離線采集等功能。同時，該采集卡的采集通道數(shù)最大為18路，電壓輸出范圍為-10.0～10.0 V，最高采樣頻率每通道都可達到450 kHz ,最高吞吐量3.6 Mbit/s，且最高可實現(xiàn)4路450 kHz采樣頻率，采集后信號輸入到計算機完成進一步的處理和顯示。

檢測流程如下：

(1)通過恒流源電流大小控制磁化強度，同時探頭緊貼管壁內(nèi)表面。

(2)采用步進電機控制掃查臂沿X方向進行二維掃查檢測，并以20 kHz/s的采樣率采集。

(3)回到初始位置，通過調(diào)節(jié)Y方向步進電機來偏移探頭，重復(fù)進行步驟(2)。

試驗過程中磁敏元件檢測得到的漏磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的采集、放大濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機顯示。

需要說明的是，掃查臂上的檢測探頭與管道內(nèi)壁始終保持貼合，同時配備減振裝置保證檢測探頭與被檢測管道保持適度的貼緊壓力，使檢測探頭對被測管道的壓緊力在合適的范圍內(nèi)，避免壓力過大損壞檢測探頭或壓力過小影響耦合性能，提高探頭工作的可靠性。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 最佳磁化強度

為確定在測殘余應(yīng)力對鋼磁性的影響，在垂直于磁化方向的壓應(yīng)力形成的劃痕區(qū)域內(nèi)，將磁化強度從1 000 A/m提高到25 000 A/m，同時測量管壁的磁感應(yīng)強度，將得到的B-H曲線與材料初始B-H曲線對比，如圖8所示。由圖8可以看出，在曲線拐點區(qū)域中，殘余應(yīng)力對鋼磁性的影響最為明顯。當(dāng)磁化強度為2 400 A/m時，兩曲線中的磁感應(yīng)強度B差值最大。因此，為了保證足夠的磁化強度，同時要有效檢測出機械損傷劃痕，磁化強度必須等于或低于磁化曲線的拐點，選擇2 400 A/m作為此次試驗的最優(yōu)磁化強度。

圖8 B-H曲線對比圖

3.2.2 試驗結(jié)果分析

在測試前需對樣品進行退磁，退磁處理后，用高斯計測量試樣的表面磁場強度，以確保表面磁場強度低于80 A/m。

為使漏磁檢測定性檢出劃痕及劃痕區(qū)域的應(yīng)力信號，將磁化強度水平調(diào)節(jié)至2 400 A/m，接近磁化曲線的拐點，并設(shè)置探頭提離值為1 mm，掃查速度為0.25 m/s，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后如圖9所示。

圖9 劃痕試驗結(jié)果

將應(yīng)力模擬結(jié)果與漏磁檢測試驗結(jié)果進行比較。由圖9不難看出，漏磁信號整體由劃痕的幾何形狀和應(yīng)力效應(yīng)共同作用引起。兩側(cè)肩峰值位置區(qū)間為11.1～29.8 mm，對應(yīng)劃痕缺陷的外徑尺寸。中心區(qū)域的負峰值發(fā)生畸變，在整個負峰值中約占40%，這主要由應(yīng)力效應(yīng)引起，壓應(yīng)力增加了管壁磁導(dǎo)率，更多的磁通量被容納在管壁中，導(dǎo)致漏磁信號幅度減小。這反映了該區(qū)域有較高的壓應(yīng)力，與劃痕有限元模型計算的應(yīng)力分布結(jié)果相對應(yīng)。此外，圖9實際測得的漏磁信號的兩個肩部峰值并不相等，這是加工工具的偏差造成缺陷形狀稍微不對稱造成的。

為進一步對比腐蝕缺陷與劃痕漏磁信號的差別，對腐蝕進行了漏磁檢測試驗。最終得到的漏磁檢測試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 腐蝕試驗結(jié)果

從圖10可以看出，漏磁信號整體幅值呈現(xiàn)出中間低、兩側(cè)高的形狀，由幾何形狀的引起的負峰值達到了43 mT。由于在試驗過程中劃痕與腐蝕的深度及外徑不完全一致，腐蝕漏磁信號的正峰值達到了58 mT，肩峰位置區(qū)間為9.4～30.3 mm，所以腐蝕漏磁信號的峰值以及兩側(cè)的肩峰值間距都略大于劃痕漏磁信號。此外，腐蝕缺陷不存在殘余應(yīng)力以及冷作，因此不存在額外的應(yīng)力峰特征，與劃痕漏磁信號產(chǎn)生了鮮明的對比，達到有效判別缺陷類型的目的。

在管道實際檢測器檢測時，確定被測管道B-H曲線的拐點區(qū)域，在該磁化區(qū)域進行漏磁檢測時，應(yīng)力對材料磁性的影響最為敏感，同時也能保證有效檢出腐蝕缺陷。

4 結(jié) 論

(1)針對管道漏磁在線檢測對機械損傷劃痕和腐蝕識別區(qū)分能力有限的問題，分析了應(yīng)力對管道磁特性的影響。通過建立三維有限元模型模擬了機械損傷劃痕的形成，并得到了劃痕幾何形狀以及劃痕區(qū)域中殘余應(yīng)力的分布。

(2)基于漏磁檢測原理設(shè)計并搭建了非飽和漏磁內(nèi)檢測試驗裝置，通過調(diào)節(jié)激勵源電流使管壁磁化至最優(yōu)磁化強度下，為2 400 A/m，對劃痕和腐蝕開展了漏磁檢測試驗。試驗結(jié)果表明，信號區(qū)域中間畸變的峰值主要由應(yīng)力效應(yīng)引起，且在整個負峰值中約占40%，與腐蝕缺陷的漏磁場信號存在非常明顯的區(qū)別。

(3)試驗檢測結(jié)果符合漏磁場理論，有較高的可靠性和信噪比，證實了非飽和漏磁檢測技術(shù)檢測與識別機械損傷劃痕及腐蝕可行。