基于周向勵磁的管道缺陷漏磁信號仿真分析

蘇 林，馬雪莉，崔德榮，王天鷹，饒連濤，郝大洋，徐 杰

1.管網(wǎng)集團（徐州）管道檢驗檢測有限公司，江蘇 徐州 221008 2.中國礦業(yè)大學 材料與物理學院，江蘇 徐州 221116

0 前言

長距離輸送管道在我國應(yīng)用廣泛，解決了大量石油、天然氣的運輸問題。但此類管道深埋地下，受到損傷不易及時察覺，一旦泄露可能發(fā)生爆炸等危險事故，不但影響管道的整體運輸，還會對周圍環(huán)境及人身安全造成嚴重危害［1］。因此，為避免管道缺陷的潛在危險，需要對其進行定期檢查和及時維護。管道無損檢測中漏磁檢測具有對管道內(nèi)環(huán)境要求不高、無需耦合、適用范圍廣、價格低廉且在不影響長輸管道運輸?shù)那闆r下實施在線檢測等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最為廣泛的無損檢測方法［2-3］。根據(jù)勵磁方向的不同，管道漏磁檢測技術(shù)主要分為軸向勵磁漏磁檢測技術(shù)和周向勵磁漏磁檢測技術(shù)。軸向勵磁漏磁檢測技術(shù)對于管道周向缺陷更敏感，而對于與磁力線平行的軸向缺陷尤其是狹長的軸向缺陷很不敏感?；谥芟騽畲诺穆┐艃?nèi)檢測技術(shù)由于磁力線沿周向分布，對軸向缺陷更為敏感，可彌補軸向勵磁對軸向缺陷不敏感的檢測盲點，對于識別和評價軸向?qū)虻娜毕?，如狹長裂紋、焊縫、機械損傷和腐蝕凹坑等具有潛在優(yōu)勢［4-7］。張國光［4］研究指出，管道周向勵磁漏磁檢測可以檢測軸向分布缺陷（狹窄裂紋），可識別缺陷的最小深度為10%壁厚，最小周向?qū)挾葹? mm。賈海東［5］等建立了周向勵磁檢測模型，周向勵磁方式產(chǎn)生的非均磁場可以有效地檢測出管道軸向?qū)虻莫M窄裂紋，但發(fā)現(xiàn)磁極附近的背景磁場對裂紋檢測精度影響很大。楊輝［6］從勵磁方式、磁場分布狀態(tài)、檢測適用性和技術(shù)成熟度四個方面對比分析了周向勵磁與軸向勵磁漏磁檢測技術(shù)，兩者的本質(zhì)區(qū)別在于勵磁方式和磁場分布狀態(tài)不同，且分別對軸向?qū)蛉毕莺铜h(huán)向?qū)蛉毕菝舾?。楊理踐［7］指出合適的磁化水平直接影響周向勵磁檢測的精度，合適的磁化器磁路設(shè)計是漏磁檢測需要解決的首要問題。

本文基于周向勵磁內(nèi)檢測技術(shù)，探究管壁凹坑及類裂紋缺陷對漏磁信號的影響，分析凹坑及裂紋的長度、寬度、深度，以及裂紋開口方向、所處位置和角度等參量與漏磁信號之間的關(guān)系，為周向勵磁的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和一定的參考。

1 周向漏磁檢測原理

與傳統(tǒng)軸向勵磁漏磁檢測不同，周向勵磁漏磁檢測技術(shù)采用周向勵磁方式產(chǎn)生沿管道周向分布的磁場進而實現(xiàn)檢測。某實際應(yīng)用的周向勵磁漏磁檢測裝置如圖1所示，其基本組成包括鋼刷、永磁體、銜鐵、磁敏傳感器等。通過鋼刷將檢測器自身攜帶的永磁體產(chǎn)生的磁力線耦合進入管壁，從而在磁極、管壁和軛鐵中形成一個沿周向分布的磁場回路，并使磁極間的管壁達到局部磁飽和狀態(tài)，若管壁存在缺陷，管壁橫截面減小，則缺陷處磁通路變窄；另外，由于缺陷處磁導(dǎo)率遠比鐵磁性材料本身小，則缺陷處的磁阻增大，導(dǎo)致磁力線發(fā)生畸變，部分磁力線漏出管壁產(chǎn)生漏磁場，被傳感器探頭捕獲，根據(jù)對漏磁信號的位置、形狀、幅值等特征信息的分析可識別、判定和量化缺陷［6］。

圖1 周向勵磁漏磁檢測原理示意圖和檢測裝置Fig.1 Schematic diagram of circumferential excitation flux leakage detection principal and detection device

由漏磁檢測原理可知，這些基本元件和管道使磁感線形成一個閉合回路［5-7］。從圖1可以看出，一個完整的周向勵磁漏磁內(nèi)檢測裝置一般分為前后兩組，且這兩組裝置前后交錯分布。這是由于周向勵磁永磁體正對區(qū)域會產(chǎn)生較大的背景磁場，對缺陷漏磁信號造成一定的干擾。因此，需要同時采用兩組位置互補的周向勵磁裝置［8］。利用基于麥克斯韋方程的有限元法和計算機輔助工程軟件可以求解漏磁場分布問題［9-11］。

2 有限元模型

采用COMSOL有限元軟件對周向勵磁漏場分布進行仿真分析，為簡化模型，提高計算效率，本文僅取檢測裝置的1/4建立三維有限元模型，如圖2a所示，取管道內(nèi)徑500 mm，壁厚10 mm，管壁材料為1008鋼。模型中設(shè)管道徑向為坐標x方向，周向為z方向，即Bx為磁通密度徑向分量，Bz為磁通密度周向分量。在管道內(nèi)壁磁極中間（距離磁極相對最遠處）預(yù)置缺陷，這里分別考慮了球形凹坑和矩形裂紋。圖2b為模型的網(wǎng)格劃分，圖3為仿真模擬得到的磁感線分布。

圖2 周向勵磁有限元模型Fig.2 Finite element model of circumferential excitation

圖3 周向勵磁磁感線分布Fig.3 Distribution of circumferential excitation magnetic induction line

由圖3可以看出，周向勵磁的磁感線在兩磁極間基本呈對稱分布。在管壁達到磁飽和狀態(tài)時，管壁上凹坑缺陷位置可檢測到漏磁通，通過改變?nèi)毕莩叽绾臀恢?，可對周向勵磁條件下不同缺陷的漏磁場特征進行分析。

3 管壁凹坑及類裂紋缺陷的周向勵磁信號分析

3.1 凹坑周向勵磁漏磁信號特征分析

工程實際中，腐蝕和外力等原因會造成管壁的金屬損失型缺陷，形成大小不一的凹坑，這里為便于建模，假設(shè)凹坑為半球形，通過改變球形凹坑的半徑和深度參量進行比較分析。

3.1.1 凹坑半徑對漏磁信號的影響

取凹坑深度為5 mm，半徑分別取1 mm、3 mm、5 mm、7 mm和9 mm進行建模計算，得到磁通密度徑向分量和周向分量分布曲線，如圖4所示。

圖4 漏磁信號隨凹坑半徑的變化Fig.4 Variation of magnetic flux leakage signal with pit radius

由圖4可知，隨著凹坑半徑的增加，漏磁信號逐漸增強，磁通密度徑向分量Bx的峰值不斷增大，峰峰間距逐漸增大，并且與凹坑半徑相對應(yīng)，這與文獻［12］中的結(jié)論是一致的。對于磁通密度周向分量Bz，隨著凹坑半徑的增大，其峰值逐漸增加，且峰寬與凹坑直徑相對應(yīng)。磁通密度周向分量峰寬和徑向分量峰峰間距（見圖4）與凹坑半徑的關(guān)系曲線如圖5所示，可以看出，峰寬和峰峰間距均隨凹坑半徑增大呈近線性增大趨勢。

圖5 凹坑半徑與磁通密度周向分量峰寬和徑向分量峰峰間距的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between pit radius and peak width of circumferential component and peak to peak spacing of radial component of magnetic flux density

3.1.2 凹坑深度對漏磁信號的影響

取半徑5 mm的凹坑，深度分別為10%t、30%t、50%t、70%t和90%t（t為管道壁厚，單位：mm），計算得到磁通密度徑向分量和周向分量分布曲線隨凹坑深度的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 磁通密度隨凹坑深度的變化Fig.6 Variation of magnetic flux density with pit depth

由圖6可知，隨凹坑深度的增加，漏磁信號顯著增強。為了進一步分析凹坑尺寸對漏磁信號的影響，提取了磁通密度徑向分量峰峰值Bx-x和周向分量峰值Bz-z隨凹坑直徑和深度的變化關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。可以看出，磁通密度徑向分量峰峰值和周向分量峰值均隨凹坑半徑增大呈非線性增加，且周向分量峰值變化范圍較小，在凹坑半徑大于3 mm后趨于穩(wěn)定。另外，Bx-x和Bz-z隨凹坑深度增加呈線性增大，因此，實際檢測時可由信號峰值預(yù)測凹坑深度。

圖7 凹坑尺寸與磁通密度峰值的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between pit size and peak magnetic flux density

3.1.3 不同位置凹坑對漏磁信號的影響

取深度和半徑均為5 mm的3個凹坑，分別置于檢測區(qū)域中心和向周向兩側(cè)各偏移15°的位置進行模擬計算，得到磁通密度徑向分量和周向分量分布曲線，如圖8所示。

圖8 三個不同位置凹坑對磁通密度影響Fig.8 Effect of pits at three different positions on magnetic flux density

由周向勵磁裝置可知，越靠近磁極位置，背景磁場越大，甚至可能覆蓋附近缺陷處的漏磁信號。由圖8可知，3個不同位置缺陷對應(yīng)的漏磁信號的形狀基本一致，但靠近磁極位置缺陷的漏磁信號明顯強于磁極中心即相對遠離磁極缺陷的漏磁信號。實際檢測時還需多組檢測裝置交錯排列，以消除背景磁場的影響［13-14］。

3.2 類裂紋缺陷周向勵磁漏磁信號特征分析

管道服役過程中會受到來自管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)的壓力、第三方外力或腐蝕等作用，在這些因素的共同作用下，管道內(nèi)壁可能產(chǎn)生類裂紋缺陷［15］。

在磁極中心預(yù)置矩形裂紋（見圖9），通過改變其長度（沿管子軸向方向）、寬度（沿管子周向方向）、深度（沿管子徑向即壁厚方向）和開口方向，進一步探究各參數(shù)對漏磁信號的影響規(guī)律。

圖9 類裂紋缺陷有限元模型Fig.9 Finite element model of crack defects

3.2.1 裂紋長度對漏磁信號的影響

取軸向裂紋，裂紋寬為0.2 mm、深度5 mm（即50%t）不變，裂紋長度分別取5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm，計算得到其相應(yīng)的磁通密度徑向分量和周向分量分布曲線，如圖10所示。由圖10可知，隨著裂紋軸向長度的增加，磁通密度徑向分量和周向分量均逐漸增大。而對于周向分量Bz，增加裂紋長度會使峰寬略有增加。

圖10 不同裂紋長度的磁通密度徑向分量和周向分量分布Fig.10 Distribution curves of radial and circumferential components of magnetic flux density with different crack lengths

提取徑向分量的峰峰值和周向分量的峰值作為特征參量，得到兩者隨裂紋長度的變化關(guān)系曲線，如圖11所示?？梢钥闯?，隨裂紋長度的增加，徑向分量的峰峰值和周向分量的峰值均呈非線性增大，且兩者的變化趨勢相似。

圖11 裂紋長度與磁通密度的關(guān)系曲線Fig.11 Relation curve between crack length and magnetic flux density

3.2.2 裂紋寬度對漏磁信號的影響

保持裂紋長度10 mm、深度5 mm不變，裂紋沿管子環(huán)向的表面開口寬度分別取0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm和1 mm，計算其對應(yīng)的磁通密度徑向分量和周向分量分布曲線，結(jié)果如圖12所示。可以看出，隨著裂紋寬度的增加，磁通密度隨之增大。磁通密度徑向分量的峰峰間距Bx-x和周向分量的峰寬Bz-z隨著裂紋寬度的增加幾乎不發(fā)生明顯改變，即峰峰間距和峰寬均對裂紋寬度變化不敏感。

圖12 不同裂紋寬的磁通密度徑向分量和周向分量分布Fig.12 Distribution curves of radial and circumferential components of magnetic flux density with different crack widths

磁通密度徑向分量峰峰值和周向分量峰值與裂紋寬度的關(guān)系曲線如圖13所示。

圖13 磁通密度與裂紋寬度的關(guān)系曲線Fig.13 Relation curve between magnetic flux density and crack width

可以看出，裂紋寬度的增加會使得漏磁信號整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當裂紋寬度小于0.8 mm時，其值越大，漏磁信號越強；但當裂紋寬度增至1 mm時，漏磁信號略有降低。進一步分析可知，裂紋寬度增加，金屬損失體積增大，更多的磁感線泄露到空氣中，使漏磁信號增大；但寬度增加的同時也會使磁感線在空氣中經(jīng)過的路徑變長，從而發(fā)生一定的衰減，故而造成信號在一定程度上的減弱。當裂紋寬度較小時，金屬體積損失對漏磁信號的貢獻要大于衰減效應(yīng)對漏磁信號的貢獻，信號整體呈現(xiàn)增加趨勢；但當寬度進一步增加時，衰減效應(yīng)愈加明顯，從而使得漏磁信號降低。

3.2.3 裂紋深度對漏磁信號的影響

保持裂紋長度10 mm、寬度0.2 mm不變，裂紋深度（即其埋藏在鋼管壁厚中距離內(nèi)壁的高度）分別取1 mm、3 mm、5 mm、7 mm和9 mm，計算其對應(yīng)的磁通密度徑向分量和周向分量分布曲線，結(jié)果如圖14所示。由圖可知，隨裂紋深度的增大，漏磁信號明顯增強。另外，由圖14a可知，峰峰間距不隨裂紋深度改變，而磁通密度周向分量的峰寬略有增加（見圖14b）。

圖14 不同裂紋深度的磁通密度徑向分量和周向分量的分布Fig.14 Distribution curves of radial and circumferential components of magnetic flux density at different crack depths

磁通密度徑向分量峰峰值和周向分量峰值隨裂紋深度的變化關(guān)系如圖15所示?？梢钥闯?，磁通密度徑向分量峰峰值和周向分量峰值均隨裂紋深度增加呈非線性增大，且兩者變化趨勢相似。

圖15 磁通密度與裂紋深度的關(guān)系曲線Fig.15 Relation curve between magnetic flux density and crack depth

3.2.4 裂紋角度對漏磁信號的影響

取與管道軸向呈一定夾角的裂紋，保持裂紋長度10 mm、寬度0.2 mm、深度5 mm不變，分別取裂紋角度為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，計算其相應(yīng)的磁通密度徑向分量和周向分量分布曲線，結(jié)果如圖16所示。由圖可知，裂紋與管道軸向之間的夾角越?。戳鸭y取向越趨向于沿管子軸向方向），漏磁信號越明顯。當裂紋角度為90°時（即裂紋沿管子周向方向），漏磁信號非常小，幾乎與無缺陷時重合，說明此時幾乎探測不到漏磁信號，實際檢測時就會發(fā)生漏檢，因此需要結(jié)合軸向勵磁方法進行綜合分析。

圖16 不同裂紋角度下的磁通密度徑向分量和周向分量分布Fig.16 Distribution curves of radial and circumferential components of magnetic flux density at different crack angles

4 結(jié)論及展望

基于漏磁檢測技術(shù)原理，采用COMSOL軟件，對周向勵磁條件下的管道凹坑和裂紋缺陷漏磁場進行了仿真分析，結(jié)果表明：

（1）管道凹坑缺陷的半徑和深度增加均使漏磁信號明顯增大，且漏磁信號隨凹坑深度增加呈線性增大，隨凹坑半徑增加呈凸函數(shù)非線性增大。

（2）距離磁極不同位置凹坑缺陷的漏磁信號形狀基本一致，但缺陷離磁極越近，受背景磁場影響其信號越明顯，畸變程度也越大。

（3）管道裂紋寬度和深度增加均使漏磁信號非線性增大，其中裂紋深度對漏磁信號的影響最明顯，寬度對漏磁信號的影響相對較小。

（4）隨著裂紋與管道軸向夾角的增大，漏磁信號逐漸減弱，當裂紋角度大于一定值后，無法有效檢測漏磁信號。

（5）周向勵磁漏磁檢測技術(shù)對于檢測和評定軸向?qū)蛉毕菥哂袧撛诘膬?yōu)勢。作為傳統(tǒng)軸向勵磁漏磁檢測技術(shù)的補充，該技術(shù)的運用可有效提高缺陷檢出率。國內(nèi)關(guān)于周向勵磁檢測技術(shù)的研究相較于國外起步較晚，還有很多問題有待研究和解決，檢測器的全面推廣和應(yīng)用還有一定距離。