管道動態(tài)磁化漏磁內(nèi)檢測信號的影響因素

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(1.北京華航無線電測量研究所, 北京 100013；2.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

管道動態(tài)磁化漏磁內(nèi)檢測信號的影響因素

鄭莉1,呼婧1,許振豐1,馮搏2,康宜華2

(1.北京華航無線電測量研究所,北京100013；2.華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074)

在管道內(nèi)檢測中，檢測裝置和管道之間的相對運動會引起渦流，而渦流強度會受到檢測速度、管道電導(dǎo)率、磁鐵矯頑力、磁化器長度等因素的影響，進而影響到漏磁檢測信號。對影響漏磁檢測中渦流強度的幾個關(guān)鍵因素進行了分析，通過有限元仿真得到了各個因素對管壁內(nèi)渦流強度和管壁磁場狀態(tài)的影響關(guān)系，并建立內(nèi)、外壁缺陷模型，得到了各個因素對檢測信號的具體影響。

漏磁；內(nèi)檢測；速度效應(yīng)；渦流

石油、天然氣在現(xiàn)代工業(yè)中具有不可或缺的地位，其用量也在逐年提高。油氣管道是石油、天然氣傳輸?shù)闹匾ǖ?，近年來，我國對油氣管道進行了大面積的建設(shè)。由于在使用過程中會受到內(nèi)部輸送物質(zhì)及外界環(huán)境的腐蝕作用，油氣管道易發(fā)生破裂，嚴(yán)重時會引發(fā)油氣泄漏甚至爆炸事故。因此，對油氣管道進行定期檢測，及時找到腐蝕部位進行修補和更換，是保證人身及財產(chǎn)安全的重要措施[1]。

目前，對油氣管道的在役檢測主要采用漏磁的方法，漏磁檢測設(shè)備包括磁化器、傳感器和信號處理單元。檢測時，磁化器對管道進行磁化，傳感器拾取缺陷處的漏磁場轉(zhuǎn)換成電信號，最終由信號處理單元進行放大、濾波處理，并最終在計算機中顯示出來。檢測設(shè)備在管道中受傳輸物質(zhì)的推力而運動，對整個管道完成掃查。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，磁化器和管壁之間的相對運動將導(dǎo)致渦流的產(chǎn)生，管壁內(nèi)的渦流形成的一個二次磁場會對管道磁化產(chǎn)生影響。許多學(xué)者對漏磁檢測中的渦流效應(yīng)進行了分析：YOUNG-Kil[2]通過有限元仿真發(fā)現(xiàn)渦流效應(yīng)使得檢測信號基線漂移并影響信號幅值;李勇等[3]通過ANSOFT仿真得到了不同深度的裂紋在不同檢測速度下的檢測信號；沈陽工業(yè)大學(xué)的楊理踐[4-6]也發(fā)現(xiàn)了高速檢測信號的畸變;杜志葉[7]通過ANSOFT仿真分析，發(fā)現(xiàn)了動生渦流的集膚效應(yīng)，且速度越大，渦流擴散的范圍越大。但目前已有的研究都只分析了檢測速度對渦流效應(yīng)以及檢測信號的影響，而在實際檢測時，還有其他因素也會影響渦流強度，從而影響漏磁檢測信號。對此，筆者分析了影響漏磁檢測中渦流效應(yīng)的因素，得到了各個因素對漏磁檢測信號的影響。

圖2 磁化器運行速度對渦流分布的影響

1 漏磁檢測中渦流產(chǎn)生原理

在一定提離距離下，傳感器對一定尺寸的缺陷進行掃查時，漏磁場大小主要受管壁磁化強度的影響。在檢測過程中，磁化器和管道之間的相對運動將使管壁內(nèi)產(chǎn)生渦流，管壁內(nèi)渦流強度可如下式表示。

式中：J為電流密度；σ為電導(dǎo)率；v為檢測速度；B為磁感應(yīng)強度。

根據(jù)畢奧薩伐爾定律，渦流會產(chǎn)生一個二次磁場。

式中：BEC為渦流產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強度；J為渦流密度；μ0為真空中磁導(dǎo)率；r為渦流元到測量點的距離。

該磁場與原磁化器產(chǎn)生的磁場疊加，會影響管壁的磁化狀態(tài)。由于管道自身具有一定的自感，渦流的變化將產(chǎn)生一定的滯后，渦流分布示意如圖1所示。

圖1 磁化器運動時渦流分布示意

在漏磁檢測時，傳感器都位于兩磁極正中間的位置，在圖1中，渦流在磁極S下方的鋼管內(nèi)產(chǎn)生并擴散至兩磁極中間的檢測區(qū)域處。根據(jù)式(1)可知渦流產(chǎn)生磁場的方向，在檢測區(qū)域，渦流產(chǎn)生的磁場在管道外表面處與原磁場反向，而在內(nèi)表面處與原磁場同向，因此渦流的作用是使管道內(nèi)壁磁場增大，而使外壁磁場減小。由于漏磁場和管道磁化強度呈正相關(guān)，因此渦流使得內(nèi)壁缺陷信號增大,而使外壁缺陷信號減小。

由式(1)可見，渦流強度主要受管壁電導(dǎo)率σ、檢測速度v和磁感應(yīng)強度B的影響，因此下面的仿真分析中主要對這幾個參數(shù)進行分析。另外，渦流在磁極下方產(chǎn)生后擴散至兩磁極中間的檢測區(qū)域，因此兩磁極之間的間距也會影響渦流擴散至檢測區(qū)域時的強度，磁極間距越大則渦流越難擴散到檢測區(qū)域，相應(yīng)的影響也就越小，對此，在下文的仿真中也將進行分析。

2 漏磁信號影響因素的有限元仿真結(jié)果

在ANSYS中建立仿真模型，模型分為運動模型和靜止模型兩部分，鋼管位于靜止模型中，磁化器位于運動模型中，通過瞬態(tài)求解進行計算，在初始求解之后將動態(tài)模型移動一個步長再次進行求解，重復(fù)此步驟即可得到動態(tài)仿真結(jié)果。

2.1磁化器運行速度的影響

圖2給出了磁化器運行速度分別為0.2，0.5，1，2，5 m·s-1時的渦流(圖中數(shù)據(jù)為渦流密度J，單位A·m-2,下同)分布情況。從圖2中可以看出，渦流主要集中在磁極正下方，同時由于集膚效應(yīng)，靠近磁化器的管道內(nèi)壁處的渦流值比遠離磁化器的管道外壁處的渦流值更大。

對比磁化器在不同運行速度時的渦流分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度的提高，渦流密度的值不斷增大，呈現(xiàn)近似正比例線性變化關(guān)系，該結(jié)果也和之前理論分析結(jié)果一致。另外可以注意到，隨著運行速度的增大，渦流的擴散范圍也逐漸增大，在低速時渦流分布主要集中在磁極正下方，而在磁化器運行速度為5 m·s-1時，渦流分布“拖”得很長，這是由管道自身的電感引起的，感應(yīng)渦流相對感應(yīng)電動勢存在一定的滯后。由于實際檢測中，傳感器主要布置在兩磁極中間的區(qū)域，低速時渦流在磁極周圍的分布對檢測區(qū)域內(nèi)管道的磁化效果影響很小，因此對漏磁場的影響也小；而高速檢測時，渦流分布延長到傳感器正下方的被檢測區(qū)域，此時對檢測區(qū)域的磁化以及檢測信號都有較大影響。

類似地，可以計算出0.2，0.5，1，2，5 m·s-1時管壁內(nèi)磁場(圖中數(shù)據(jù)為磁感應(yīng)強度，單位T，下同)分布的情況，結(jié)果如圖3所示。對比不同速度下的磁場分布，可以很明顯地看出，在低速下管壁內(nèi)的磁場基本呈對稱分布，并且磁場在管道徑向分布均勻，即內(nèi)外壁的磁場值相等。隨著速度的增大，磁場分布受到渦流磁場的影響越來越大，磁場關(guān)于磁極中心的對稱性也越來越差，和渦流分布類似，也出現(xiàn)了磁場“拖”在后面的情況。在徑向方向，磁場也不再均勻分布，同樣由于集膚效應(yīng)，磁場集中在靠近磁化器的內(nèi)壁處。另外，對比不同速度時內(nèi)壁和外壁磁場可以發(fā)現(xiàn)，對于內(nèi)壁磁場，高速時的磁場值比低速時的磁場值大；而對于外壁磁場，高速時的磁場值要小于低速時的磁場值。

圖3 磁化器運行速度對管壁磁場分布的影響

在原模型的基礎(chǔ)上分別建立內(nèi)壁和外壁缺陷，同樣進行瞬態(tài)仿真，提取兩磁極中間位置磁場的磁感應(yīng)強度即可得到漏磁場信號，結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，內(nèi)壁缺陷信號波形的峰谷值隨速度的增大而逐漸增大。如圖4(a)所示，隨著速度的增大，峰谷值從右往左依次增大;而外壁缺陷信號波形的峰谷值則隨速度的增大而減小;如圖4(b)所示，隨著速度的增大，波形峰谷值從右往左呈現(xiàn)減小趨勢，這與內(nèi)、外壁磁感應(yīng)強度的變化規(guī)律一致。

2.2管道材料的影響

管道材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率都會影響動態(tài)磁化時磁場的分布，材料電導(dǎo)率越大渦流效應(yīng)越明顯，渦流的強度隨磁導(dǎo)率的增大而增大，并且集膚效應(yīng)也更明顯，磁導(dǎo)率的增大同樣使集膚效應(yīng)變得明顯，同時也會增大管道整體的磁場值。圖5給出了電導(dǎo)率為2×105,2×106，1×107，2×107，1×108S·m-1時渦流的分布情況。從圖5可看出，從圖5(a)到圖5(e)電導(dǎo)率逐步增加，渦流強度基本與電導(dǎo)率成正比，另外可看到低電導(dǎo)率時渦流擴散的范圍較大，而高電導(dǎo)率時渦流基本集中在內(nèi)壁。

電導(dǎo)率對磁場分布的影響如圖6所示，可見隨著電導(dǎo)率的增大，內(nèi)外壁磁場的不均勻性變得更加明顯，低電導(dǎo)率時渦流效應(yīng)不是很明顯，內(nèi)外壁磁場值基本相等；高電導(dǎo)率時集膚效應(yīng)更加明顯，磁場主要集中在靠近磁化器的方向，導(dǎo)致內(nèi)壁磁場值增大、外壁磁場值減小。

圖4 內(nèi)、外壁缺陷信號隨速度變化的曲線

圖5 電導(dǎo)率對渦流分布的影響

圖6 電導(dǎo)率對磁場分布影響

在管道內(nèi)、外壁分別建立缺陷，得到漏磁場信號，結(jié)果如圖7所示?？梢姡S著電導(dǎo)率的增大渦流效應(yīng)更加顯著，導(dǎo)致磁場更多地集中在接近管道內(nèi)壁靠近磁化器的區(qū)域，使得內(nèi)傷信號峰谷值增大。如圖7(a)所示，由下至上隨著電導(dǎo)率增加，內(nèi)缺陷信號峰谷值同樣增加；而由于渦流的作用會使外壁磁場減弱，因此隨著電導(dǎo)率的增大，外壁磁場越來越弱，相應(yīng)的漏磁場也越小，如圖7(b)所示，由下至上隨著電導(dǎo)率增加，內(nèi)缺陷信號峰谷值減小。

圖7 內(nèi)、外壁缺陷信號隨電導(dǎo)率變化的曲線

2.3磁鐵矯頑力影響

管道內(nèi)檢測磁化器一般使用釹鐵硼永磁鐵作為磁源，釹鐵硼磁鐵的磁化能力由磁鐵牌號區(qū)分，常用的幾種磁鐵牌號為N33,N35,N38,N40，對應(yīng)的剩磁分別為1.13,1.17,1.22,1.25 T，矯頑力分別為8.9×105,9.3×105,9.7×105,9.9×105A·m-1。圖8給出了牌號為N33,N35，N38，N40的磁鐵進行磁化時得到的渦流分布情況。由圖8可見，隨著磁鐵矯頑力的增大，管壁內(nèi)的渦流強度也隨之增大。

圖8 不同牌號磁鐵對渦流分布的影響

磁鐵牌號對管壁內(nèi)磁場分布的影響更加明顯，管壁內(nèi)的磁場隨著磁鐵磁化能力的增強而增大。雖然從式(1)看，渦流強度與管壁磁場成正比，即磁鐵矯頑力的增大會增大渦流強度，其對管壁磁化的影響應(yīng)該與速度和管壁電導(dǎo)率的影響類似。但磁鐵矯頑力不僅影響渦流的強度，更直接的影響是增大了管壁的磁化強度，其對外壁磁場的增大幅度要大于由渦流造成的外壁磁場值的減小，因此當(dāng)磁鐵矯頑力增大時，管道內(nèi)、外壁磁場值都有所增大。

磁鐵矯頑力對漏磁信號的影響如圖10所示，由于磁鐵矯頑力增大時管道內(nèi)、外壁磁場都有所增大，因此對應(yīng)地，內(nèi)壁、外壁缺陷漏磁場都有所增大。

圖9 不同牌號磁鐵對磁場分布的影響

圖10 內(nèi)、外壁缺陷信號隨磁鐵矯頑力變化的曲線

2.4磁極間距影響

從前面的仿真和分析中發(fā)現(xiàn)，渦流主要集中在磁化器的磁極所對的管道區(qū)域，而傳感器所放置的區(qū)域是兩磁極正中間的位置，磁極附近產(chǎn)生的渦流影響檢測區(qū)域的磁化從而影響漏磁檢測信號。因此磁極間距(即磁化器長度)對檢測有較大影響，當(dāng)磁化器較短時，磁極與檢測區(qū)域靠得近，產(chǎn)生的渦流容易影響到檢測區(qū)域的磁化；而當(dāng)磁化器較長時，渦流離檢測區(qū)域較遠，其影響也較小。改變磁化器的長度參數(shù)，分別得到磁化器長度為75，100，125，150 mm時的渦流分布結(jié)果，如圖11所示。從圖11可以看出，無論磁化器長度怎么樣，渦流都集中在磁極所對的管壁處，而且渦流強度差不多。

圖12給出的是不同磁化器長度下的磁場分布結(jié)果，可以看出，當(dāng)磁化器長度較小時，磁極中間的檢測區(qū)域的磁場分布很不均勻，靠近磁極的內(nèi)壁處的磁場值較大而外壁處的磁場值較小；隨著磁化器長度的增大，內(nèi)外壁磁場變得更加均勻；當(dāng)磁化器長度達到125 mm和150 mm時，由于渦流離檢測區(qū)域太遠，此時內(nèi)外壁處磁場值已基本相等。

通過仿真計算得到不同磁化器長度時的漏磁信號，如圖13所示。由圖13可見，磁極間距越小時，渦流越容易擴散到檢測區(qū)域，檢測信號受渦流的影響更大。因此當(dāng)磁極減小時，渦流逐漸增大，內(nèi)壁缺陷信號逐漸增大而外壁缺陷信號逐漸減小。

3 結(jié)論

在管道漏磁內(nèi)檢測中，渦流影響管壁磁化狀態(tài)，使得內(nèi)壁磁場增強而外壁磁場減弱，因此使得內(nèi)壁缺陷信號增大而外壁信號減小。檢測速度、鋼管電

圖11 磁化器長度對渦流分布影響

圖12 磁化器長度對磁場分布的影響

圖13 磁化器長度對內(nèi)、外壁缺陷信號的影響導(dǎo)率、磁鐵矯頑力和磁極間距都將影響渦流強度和管道磁化狀態(tài)，從而影響檢測信號，具體如下：

(1) 檢測速度的增大導(dǎo)致渦流的增強，從而使內(nèi)壁缺陷信號增大而外壁缺陷信號減小。

(2) 鋼管電導(dǎo)率的增大導(dǎo)致渦流的增強，從而使內(nèi)壁缺陷信號增大而外壁缺陷信號減小。

(3) 磁鐵矯頑力的增大導(dǎo)致渦流的增強，但更顯著的效果是直接增強內(nèi)、外壁的磁場強度，從而使內(nèi)、外壁缺陷信號均增大。

(4) 磁極間距的增大導(dǎo)致渦流擴散到檢測區(qū)域的距離增大，檢測區(qū)域受渦流的影響減弱，從而使內(nèi)壁缺陷信號減小而外壁缺陷信號增大。

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TheFactorsInfluencingDynamicMFLTestingSignalintheInternalInspectionofPipes

ZHENGLi1,HUJing1,XUZhenfeng1,FENGBo2,KANGYihua2

(1.BeijingHuahangRadioMeasurementInstitute,Beijing100013,China;2.SchoolofMechanicalSienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

In the internal inspection of pipes, the relative movement between detection device and pipe will cause eddy current. Some factors such as inspection speed, electrical conductivity of pipe, coercivity of magnet and length of magnetizer will influence the intensity of eddy current, and hence affect the MFL testing signal. This paper analyzes the key factors which influence the intensity of eddy current using finite element methods. Afterwards, finite element models with internal and external defects are built up, and the influence of these factors on MFL signal is obtained.

magnetic flux leakage; internal inspection; velocity effect; eddy current

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0001-07

2017-03-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(61401415)

鄭 莉(1984-)，女，高級工程師，主要從事管道無損檢測的研發(fā)工作

呼 婧，284839080@qq.com

10.11973/wsjc201710001