基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)的油氣集輸管道缺陷檢測(cè)研究

石明江 文 浩

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500)

1 引言

油氣在集輸過(guò)程中常常含有大量可對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕的成分，日積月累，集輸管道內(nèi)外壁就會(huì)被大量腐蝕出現(xiàn)缺陷，嚴(yán)重影響著整個(gè)油田的正常作業(yè)運(yùn)行。定期對(duì)油田集輸管道開(kāi)展腐蝕缺陷檢測(cè)能夠有效避免因?yàn)楣艿榔茡p出現(xiàn)的油田安全事故。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)具有較小的提離效應(yīng)、對(duì)管道內(nèi)外壁缺陷檢測(cè)靈敏度具有一致性、檢測(cè)結(jié)果與探頭移動(dòng)位置關(guān)系較小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于熱交換器管等小管徑的缺陷檢測(cè)，對(duì)于油氣集輸管道而言，由于管徑與壁厚較大，導(dǎo)致靈敏度較低應(yīng)用受到限制[1]。本文在常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將檢測(cè)線圈設(shè)計(jì)成多個(gè)小檢測(cè)線圈，并采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)以減小干擾，通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了方案的可行性。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)采用內(nèi)置探頭檢測(cè)管道的管壁缺損信息，是一種能穿透金屬管壁的低頻渦流檢測(cè)技術(shù)[2]。檢測(cè)原理如圖1所示，主要包括處于管道同軸位置的激勵(lì)線圈、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的檢測(cè)線圈。

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭結(jié)構(gòu)示意圖ig.1 Remote-field eddy current probe structure diagram

給激勵(lì)線圈通入低頻的正弦交流電后，在管內(nèi)就會(huì)形成近場(chǎng)區(qū)、過(guò)渡區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)三個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象的典型區(qū)域，同時(shí)在管內(nèi)出現(xiàn)能量直接流動(dòng)路徑，管壁外附近出現(xiàn)能量間接流動(dòng)路徑[3]。在1.8倍管內(nèi)徑以內(nèi)的近場(chǎng)區(qū)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)最強(qiáng)，但隨著與激勵(lì)線圈軸向距離的增大，由于激勵(lì)線圈附近管壁中感生渦流的屏蔽作用，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)急劇衰減至極小值，該區(qū)域的磁場(chǎng)分布情況不能對(duì)缺陷檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生貢獻(xiàn)[4，5]；對(duì)缺陷識(shí)別有意義的是在 3倍管內(nèi)徑左右遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，激勵(lì)線圈與其附近管壁構(gòu)成變壓器結(jié)構(gòu)，在管壁內(nèi)會(huì)產(chǎn)生周向渦流，其中一部分渦流迅速擴(kuò)散到管外表面，這些周向渦流進(jìn)而產(chǎn)生出交變磁場(chǎng)擴(kuò)散到管壁外附近空氣中并沿著管體傳導(dǎo)至遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)間接能量遠(yuǎn)大于直接能量，所以管外的磁場(chǎng)再次穿越管壁進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，穿越兩次管壁的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)磁場(chǎng)包含了管壁缺陷信息，能夠被檢測(cè)線圈識(shí)別并發(fā)現(xiàn)缺陷[6]。

2 管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流仿真分析

2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流仿真模型建立

由于油氣集輸管道和全周向缺陷在仿真模型中為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在建立仿真模型時(shí)，可以建立二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析，建立仿真模型如圖2所示。

模型中橫向?yàn)閞軸，縱向?yàn)閦軸。根據(jù)實(shí)際油氣集輸管道的結(jié)構(gòu)，在仿真模型中設(shè)置激勵(lì)線圈外徑為94mm，內(nèi)徑64mm，長(zhǎng)15mm，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為3.33×107S/m，線圈匝數(shù)350；鐵磁性管壁厚度為 5mm，內(nèi)徑 98mm，外徑 108mm，長(zhǎng)度1600mm，相對(duì)磁導(dǎo)率129.5，電導(dǎo)率5.9×106S/m；外層空氣域與內(nèi)層空氣域之間的分界線設(shè)在r=150mm處，并施加網(wǎng)格控制邊虛擬操作。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流仿真模型Fig.2 Remote-field eddy current simulation model

2.2 無(wú)缺陷遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象仿真

給激勵(lì)線圈施加電流密度6.2×106A/m2，頻率為70Hz的激勵(lì)條件，磁力線分布如圖3所示。

圖3 磁力線分布圖 Fig.3 Magnetic field distribution figure

圖4 磁位谷局部放大圖Fig.4 Magnification valley partial enlargement

從圖3可見(jiàn)，在管內(nèi)磁力線主要分布在一倍管徑左右的區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域磁場(chǎng)最強(qiáng)。在管壁內(nèi)，在距離激勵(lì)線圈較遠(yuǎn)處，少量磁力線基本平行于管壁進(jìn)入到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。對(duì)圖3中的磁位谷局部放大后得到圖4，可見(jiàn)磁位谷的存在，磁力線出現(xiàn)了迂回。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的磁場(chǎng)主要以軸向?yàn)橹?，設(shè)定Bz為磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量。在距離激勵(lì)線圈3倍管徑處遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量Bz的幅值與相位沿管徑方向的變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 Bz幅度隨管徑方向變化曲線Fig.5 Bz amplitude changes with pipe diameter direction

圖6 Bz相位隨管徑方向變化曲線Fig.6 Bz phase with pipe diameter change curve

從圖5、圖6可見(jiàn)，在管內(nèi)(0～49mm)磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量Bz的幅度與相位基本不變。所以，檢測(cè)線圈內(nèi)部某點(diǎn)的Bz完全可以代表整個(gè)線圈截面積S上Bz的平均值。

以外徑108mm鐵磁性鋼管作為仿真和實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。采用多個(gè)小線圈陣列形式檢測(cè)缺陷信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)線圈與管道軸向平行放置時(shí)，線圈感應(yīng)電壓U與線圈內(nèi)部某點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量Bz有如下關(guān)系式

當(dāng)檢測(cè)線圈截面積S和匝數(shù)ω確定時(shí)，其輸出檢測(cè)電壓信號(hào)U與Bz具有相同的變化趨勢(shì)，所以可以用檢測(cè)線圈內(nèi)部某點(diǎn)Bz的幅度和相位變化來(lái)表征檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓U的幅度和相位變化。由于在檢測(cè)線圈內(nèi)部各點(diǎn)處Bz的幅值和相位基本一致，取檢測(cè)線圈軸心處Bz幅度和相位變化情況來(lái)代

替分析線圈感應(yīng)電壓U。

2.3 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流缺陷信號(hào)仿真

管壁仿真模型外壁距離激勵(lì)線圈3倍管徑的地方設(shè)置同一寬度不同深度的4個(gè)缺陷，寬度均為5mm，深度分別為1mm，2mm，3mm和4mm。通過(guò)仿真得出不同深度缺陷下磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量Bz幅值相位與到激勵(lì)線圈距離的變化曲線，如圖7、圖8所示?？梢?jiàn)當(dāng)缺陷存在時(shí)，缺陷附近Bz的幅值和相位都發(fā)生了變化。

圖7 不同深度缺陷Bz幅值變化對(duì)比圖Fig.7 Comparison of Bz amplitude variation of different depth defects curve

圖8 不同深度缺陷Bz相位變化對(duì)比圖Fig.8 Comparison of Bz phase variation of different depth defects curve

為了能定量分析缺陷深度變化，提取出缺陷中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz相位突起的最大值，并與無(wú)缺陷下該處的相位相減可得到對(duì)應(yīng)深度缺陷下相位的改變量，結(jié)果如表1所示。

表1 不同深度缺陷下Bz相位的改變量Tab.1 Amount of change in Bz phase under different depth defects

3 管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中采用與仿真模型尺寸一致(外徑108mm，管壁厚5mm)的鐵磁性鋼管。在管外壁加工了同一寬度不同深度的3個(gè)全周向凹槽缺陷，寬度為5mm，深度分別為1mm、2mm和3mm。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭檢測(cè)線圈部分采用陣列小線圈差動(dòng)形式，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 不同深度缺陷傷信號(hào)幅值/相位Tab.2 Different depth defect signal amplitude/phase

表2表明，隨著缺陷深度的增大，傷信號(hào)電壓幅值增大，傷信號(hào)電壓相位也逐漸增大，缺陷深度與檢測(cè)線圈感應(yīng)輸出電壓相位成正比關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流仿真模型計(jì)算，得到了給定激勵(lì)條件下磁場(chǎng)的分布情況以及遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量Bz幅值和相位在管內(nèi)徑方向上各處基本不變的結(jié)論；通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)缺陷深度不同時(shí)，其傷信號(hào)相位也不同，并且兩者呈現(xiàn)近視的正比關(guān)系，為此可以定量獲得缺陷的深度，方便對(duì)油氣集輸管道腐蝕進(jìn)行評(píng)價(jià)。