管道腐蝕脈沖渦流檢測的三維仿真與試驗(yàn)

黨 娜,王維斌,張 濤,,趙 弘,朱子?xùn)|

(1.中國石油管道公司 沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110000;2.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

管道腐蝕脈沖渦流檢測的三維仿真與試驗(yàn)

黨 娜1,王維斌1,張 濤1,2,趙 弘2,朱子?xùn)|1

(1.中國石油管道公司 沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110000;2.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

脈沖渦流檢測技術(shù)具有非接觸、對(duì)大面積腐蝕檢測靈敏度高等特點(diǎn)，適合通過非開挖外檢測方式對(duì)埋地管道腐蝕狀況作出評(píng)價(jià)。利用ANSYS MAXWELL有限元分析軟件建立脈沖渦流檢測仿真模型，分析不同壁厚管道的信號(hào)變化規(guī)律，結(jié)合仿真結(jié)果制作了試驗(yàn)裝置，并通過該裝置對(duì)管徑為108 mm，壁厚分別為6，10 mm的管道進(jìn)行檢測。結(jié)果表明：不同壁厚的脈沖渦流信號(hào)衰減曲線與仿真曲線基本重合。仿真結(jié)果為實(shí)際非開挖管道腐蝕檢測器的設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)場渦流探頭的優(yōu)化和腐蝕量化評(píng)估提供了有效參考。

脈沖渦流法；仿真；衰減；量化

脈沖渦流法又稱時(shí)域電磁法[1]。其原理是：通過給發(fā)射線圈施加階躍型電流信號(hào),在空間產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場，然后瞬間關(guān)斷電流信號(hào)，在地下管道的表面上形成渦流;由于管體本身和周圍介質(zhì)的歐姆損耗[2]，渦流會(huì)隨著時(shí)間慢慢衰減形成二次磁場，二次磁場信息被地面上的接收線圈接收且以電壓變化的形式表示出來[3]。而二次磁場的變化攜帶著地下管道的狀態(tài)信息，且與管道材料、壁厚、檢測提離高度有著密切關(guān)系[4]，故分析二次磁場信息能得出管道的腐蝕狀態(tài)。

筆者通過ANSYS MAXWELL電磁仿真軟件進(jìn)行三維建模，計(jì)算不同壁厚的金屬管道的渦流響應(yīng)，從理論上驗(yàn)證了脈沖渦流檢測技術(shù)在埋地金屬管道腐蝕上的可行性，并且通過制作試驗(yàn)裝置對(duì)該仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

1 有限元建模與仿真

1.1 有限元仿真建模

根據(jù)脈沖渦流法檢測原理建立仿真模型(見圖1)，模型包括傳感器(發(fā)射線圈和接收線圈)、被測管道及周圍空氣介質(zhì)。整個(gè)模型采用MAXWELL DESIGN 3D磁場單元進(jìn)行參數(shù)化建模，方便修改模型參數(shù)，求解器設(shè)置為Transient瞬態(tài)求解[5-6]。有限元仿真軟件只適用于封閉區(qū)域的磁場計(jì)算，需要設(shè)定計(jì)算區(qū)域?yàn)檎襟w1 m×1 m×1 m，計(jì)算區(qū)域充滿空氣介質(zhì)(x∈[-0.5,0.5]，y∈[-0.5,0.5]，z∈[-0.5,0.5])，采取自由劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格精度設(shè)置為Δx=Δy=Δz=0.1 m。傳感器位于整個(gè)計(jì)算

區(qū)域的正中心(0,0,0)，網(wǎng)格精度為Δx=Δy=Δz=0.05 m;被檢管道中心平行位于傳感器的正下方30 mm處(0,0,-30),網(wǎng)格精度為Δx=Δy=Δz=0.01 m。建立模型所需的具體參數(shù)見表1。

圖1 有限元仿真模型示意

發(fā)射線圈接收線圈Q235鋼管道外徑/mm200內(nèi)徑/mm100外徑/mm108內(nèi)徑/mm210外徑/mm110內(nèi)徑/mm96高度/mm20高度/mm20長度/mm1000匝數(shù)130匝數(shù)400磁導(dǎo)率/(H·m-1)250磁導(dǎo)率/(H·m-1)1磁導(dǎo)率/(H·m-1)1電導(dǎo)率/(S·m-1)7.14×106電導(dǎo)率/(S·m-1)5.8×107電導(dǎo)率/(S·m-1)5.8×107壁厚/mm4/6/8/10

1.2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

脈沖渦流法采用的是階躍型電流信號(hào)，這也是脈沖渦流有限元仿真的設(shè)置關(guān)鍵，采用MAXWELL中的circuit editor電路單元進(jìn)行電磁-電路耦合聯(lián)合仿真，用繞組耦合對(duì)發(fā)射線圈施加激勵(lì)電流并獲取其上的電壓信號(hào)[7-8]。圖2,3為仿真模型中發(fā)射線圈上施加的電路及階躍信號(hào)。圖3中

圖2 發(fā)射線圈電路示意

圖3 發(fā)射線圈中施加的電流波形

T=1 s為周期，t1=1/2T，幅值U=12 V，占空比為50%，信號(hào)上升時(shí)間和下降時(shí)間都為t0=0.2 μs。

圖4 不同壁厚管道的脈沖渦流檢測仿真數(shù)據(jù)曲線(笛卡爾坐標(biāo)系)

1.3 仿真結(jié)果分析

利用ANSYS MAXWELL時(shí)間處理器進(jìn)行求解設(shè)置，在0～0.5 s內(nèi)每隔0.1 ms進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過改變模型中管道參數(shù)，分別采集壁厚為4,6,8,10 mm時(shí)的數(shù)據(jù)。通過ORIGIN數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理作圖(見圖4)。由于二次磁場非常弱，在接收線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓隨之更弱，故在笛卡爾坐標(biāo)系中無法分辨出不同壁厚間的信號(hào)差異。從脈沖渦流原理可知產(chǎn)生的二次磁場信號(hào)是以指數(shù)函數(shù)的形式衰減的[9]，所以對(duì)笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換，變換成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(沒有改變信號(hào)值，只是改變了曲線的顯示方式)，如圖5所示。通過坐標(biāo)變換后可以清楚地看出，各個(gè)曲線在前期數(shù)據(jù)基本重合，后期出現(xiàn)了明顯的分叉。采用ORIGIN數(shù)據(jù)處理工具(get data point)可以獲取曲線上任一點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。從圖5上可知不同壁厚的管道在23 ms以后開始出現(xiàn)分叉。由于每次仿真的試驗(yàn)環(huán)境都不變，唯一變化的只是管道的壁厚，因此通過這一特征可以辨別出埋地管道的腐蝕狀況。

圖5 不同壁厚管道的脈沖渦流檢測仿真數(shù)據(jù)曲線(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系)

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試件

試驗(yàn)所用的裝置如圖6所示，其主要由四部分組成：激勵(lì)部分，傳感器部分，接收部分和管道試件。

圖6 脈沖渦流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為對(duì)上述有限元仿真模型的正確性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，采用脈沖渦流儀在管件上進(jìn)行檢測試驗(yàn)。激勵(lì)部分為脈沖渦流檢測儀，可以產(chǎn)生激發(fā)頻率為1/16～32 Hz的階躍脈沖信號(hào)，輸出的有效電壓幅值可達(dá)±20 V，詳細(xì)參數(shù)為：發(fā)射電壓，5～20 V;激發(fā)頻率,1/16～32 Hz;最小采樣頻率,1 μs;接收機(jī)分辨率,1 μV；通道數(shù),5～20。傳感器部分采用圓形線圈:激勵(lì)線圈直徑為200 mm，采用線徑為1 mm的漆包線在聚四氟乙烯線框上繞制而成，匝數(shù)130匝；接收線圈直徑為100 mm，線徑為0.25 mm，匝數(shù)400匝。試件部分選用材質(zhì)為Q235鋼的管道，尺寸(外徑×壁厚)分別為：φ108 mm×6 mm,φ108 mm×10 mm，位置處于傳感器正下方30 mm，試驗(yàn)現(xiàn)場布置見圖7，試驗(yàn)條件和有限元仿真環(huán)境基本相似。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場布置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

采集設(shè)置激發(fā)頻率為1 Hz，采樣頻率為32 μs，共31個(gè)時(shí)窗，壁厚6 mm管道的各時(shí)窗的信號(hào)見表2。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，表2只列出壁厚6 mm管道的實(shí)測數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理及分析，得到如圖8所示的曲線。從笛卡爾坐標(biāo)系中可明顯看出模擬和試驗(yàn)曲線的變化趨勢是一致的。

表2 φ108 mm×6 mm管道脈沖渦流檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 φ108 mm×6 mm,φ108 mm×10 mm管道渦流檢測兩種坐標(biāo)系下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖9 φ108 mm×6 mm，φ108 mm×10 mm管道渦流檢測仿真曲線和試驗(yàn)曲線對(duì)比

2.3 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證有限元模型仿真的正確性，對(duì)壁厚為6，10 mm的管道仿真曲線和試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，曲線在前期數(shù)據(jù)差異較大，后期數(shù)據(jù)重合性良好。導(dǎo)致這一差異的原因有以下兩個(gè)方面，一是實(shí)際管體的真實(shí)物理參數(shù)(制造工藝)和仿真設(shè)置的管道物理參數(shù)有偏差；二是仿真過程中可實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的瞬間關(guān)斷，而試驗(yàn)設(shè)備由于電路中線圈的自感效應(yīng)和人為控制延遲不能實(shí)現(xiàn)瞬間關(guān)斷。由脈沖渦流法檢測原理可知，由于一次磁場的影響，前期數(shù)據(jù)是無效的，后期數(shù)據(jù)才是正確反映管體的主要信息，因此有限元仿真的模型是正確的。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)比壁厚為6,10 mm管道的脈沖渦流檢測模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，結(jié)果表明，曲線基本重合，說明了有限元仿真模型的正確性。

(2) 仿真結(jié)果表明管道埋深不變時(shí)，不同腐蝕程度的管道信號(hào)值在笛卡爾坐標(biāo)系中看不出差異，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，在23 ms后出現(xiàn)了明顯的分叉且腐蝕程度越嚴(yán)重的信號(hào)值衰減得越快。

(3) 由于實(shí)際管體的真實(shí)物理參數(shù)(制造工藝)和仿真設(shè)置的管道物理參數(shù)有偏差以及試驗(yàn)瞬間關(guān)斷等影響因素，試驗(yàn)檢測值與仿真分析結(jié)果在數(shù)值上存在一定的誤差。但作為一種分析手段，利用仿真模型分析脈沖渦流檢測信號(hào)影響的基本規(guī)律，仍然可為優(yōu)化檢測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、確定遠(yuǎn)場渦流檢測能力、提高油氣管道缺陷評(píng)估提供有效的參考。

[1] 吳莉佳,胡博,于潤橋. 瞬變電磁法檢測埋地金屬管道腐蝕模型的ANSYS仿真[J].失效與分析,2013,8(2)：69-70.

[2] BOWLER J, JOHNSON M. Plused eddy-current resp-onse to a conducting half-space[J].IEEE Transactions on Magnetics,1997,33(3)：2258-2264.

[3] 徐志遠(yuǎn),武新軍,黃琛，等.有限厚鐵磁性試件脈沖渦流響應(yīng)研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,39(6):91-95.

[4] MORRISON H F, PHILLIPS R J, BRIEN O.Quantitative interpretation of transient electromagnetic fields over a layered half-space[J].Geophysical Prospecting,1969, 17(1)：79-80.

[5] 吳莉佳.瞬變電磁法檢測埋地金屬管道腐蝕的ANSYS仿真[D].南昌：南昌航空大學(xué),2013.

[6] 蔣大青,付志紅,侯興哲,等.基于Maxwell 3D脈沖渦流法三維正演研究[J].電測與儀表,2012,49(6)：30-32.

[7] 章飛亮.考慮激電效應(yīng)的脈沖渦流二維正演研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué).2012.

[8] 楊海燕,岳建華,孫懷鳳. 瞬變電磁法中關(guān)斷電流的響應(yīng)計(jì)算與校正方法研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2008,23(6)：1949-1950.

[9] HANS C O. On the approach to electro- and magnetostatic equilibrium[J]. American Journal of Physics,1983,15(3)：1020-1021.

3D Simulation and Experiment of Pulsed Eddy Current Testing for Pipeline Corrosion

DANG Na1, WANG Wei-bin1, ZHANG Tao1,2, ZHAO Hong2, ZHU Zi-dong1

(1.Shenyang Longchang Pipeline Survey Center, Petro China Pipeline Company, Shenyang 110000, China;2.College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

Pulsed eddy current testing technology is of non-contact and high sensitivity to large-area corrosion, and is applicable for the buried pipeline corrosion condition evaluation without the need of the excavation of the pipeline. The finite element analysis software ANSYS MAXWELL was used to establish the simulation model for pulsed eddy current testing technology, and the signal variations of different pipe wall thickness were analyzed. An experimental device was designed based on the simulation results and corresponding testing was carried on the pipeline of diameter of 108 mm and wall thickness of 6 mm and 10 mm, respectively. Experimental results show that the decay curves of pulsed eddy current signals of different thickness basically coincide with the simulation curve, which might provide a valid reference for the corrosion detector design for trenchless pipeline, for the optimization of eddy current probes, and for the quantitative assessment of pipeline corrosion.

Pulsed eddy current testing; Simulation; Attenuation; Quantization

2016-08-02

黨 娜(1981-)，女，碩士，工程師，主要從事電磁、超聲檢測技術(shù)研究與管理工作。

張 濤，E-mail: pawn_zhangtao@sina.com。

10.11973/wsjc201702014

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0057-04