楊理踐， 郭天昊， 高松巍， 劉 斌

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

信息科學與工程

油氣管道特殊部件的漏磁檢測信號特征分析*

楊理踐， 郭天昊， 高松巍， 劉 斌

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

針對油氣管道特殊部件的結構特點，分析了管道磁化后產生的磁場特征.基于管道漏磁內檢測原理及麥克斯韋方程，采用Comsol有限元仿真軟件對管道特殊部件與缺陷進行仿真，以漏磁信號軸向分量Bx所占的通道個數(shù)、Bx正負峰值出現(xiàn)的先后順序、Bx幅值以及軸向長度作為分析判別管道特殊部件與缺陷的依據(jù)，對管道特殊部件上存在缺陷的整體漏磁信號Bx分量進行特征分析，缺陷信號Bx在補板信號Bx內側且極性相反時視為補板缺陷.結果表明，該方法在判別管道特殊部件存在缺陷方面具有一定的可行性.

永磁體； 管道內檢測； 軸向分量； 特殊部件； 信號特征分析； 麥克斯韋方程； 有限元仿真； 漏磁

在石油天然氣行業(yè)中管道運輸起到關鍵作用，管道在長期的運輸過程中會產生裂紋腐蝕，威脅安全生產，因此需要對管道進行定期檢測.在管道檢測過程中會遇到管道特殊部件[1](管道補板、焊縫、閥門、三通、法蘭等)存在缺陷的情況，因為這些部件的結構特點，在管道被磁化后會產生漏磁場，分析并區(qū)分這些漏磁信號則可以提高管道檢測信號識別效率.

目前國內唐鶯、吳德會等人建立了三維裂紋缺陷有限元仿真模型，通過Bx、By和Bz分量分析該缺陷漏磁信號的幾何性質，如深度、長度等與漏磁信號峰谷值之間的對應關系[2]；吳德會等人將漏磁信號BP神經網絡化后再進行缺陷識別[3]；王少平提出電渦流三軸信號區(qū)分管道內外壁缺陷的方法，并給出了關系曲面圖[4].國外Jens H等基于最大熵法提出反演算法，其中非線性反演算法更加適合對缺陷信號進行分析，以便識別缺陷的具體信息[5]；Muhammad A等提出針對無縫天然氣管道漏磁信號，采用歸一化最小均方自適應濾波器和小波去噪方法對其信號進行處理并分析[6].

本文基于管道漏磁內檢測原理，采用仿真和實驗相結合的方式，以特殊部件與缺陷漏磁信號軸向分量Bx的通道數(shù)目、Bx正負峰值出現(xiàn)的個數(shù)與先后順序、Bx幅值以及曲線軸向長度作為分析判別的依據(jù).

1 管道漏磁檢測基本理論

1.1 漏磁內檢測原理

漏磁檢測(MFL)是指鐵磁性材料(如管道)試件被磁化后，當試件表面或近表面存在缺陷時，缺陷切割磁感線運動會使材料的磁導率發(fā)生變化，由于缺陷磁導率小、磁阻大，使磁通發(fā)生畸變漏出材料表面，通過檢測漏磁場的變化來確定缺陷程度的一種檢測方法.漏磁檢測技術前提條件是磁源要將管道等鐵磁性材料磁化至飽和或近飽和，以達到檢測器檢測效果最佳狀態(tài)，利用麥克斯韋方程有限元法和計算機輔助來求解漏磁場分布[7-8].

管道漏磁檢測器由管道、永磁體、鋼刷、軛鐵及磁敏元件組成.漏磁場形式分為壁厚減薄型漏磁場、壁厚增加型漏磁場和復合型漏磁場，如圖1所示.

管道漏磁內檢測過程中磁敏元件測得的漏磁場可分為磁化器形成的耦合場和特殊部件與缺陷產生的漏磁場.管道無缺陷時漏磁場與耦合場相平衡，磁感線在管道內均勻分布(圖1a所示)；由于缺陷導致管壁變薄，該處磁通密度變大，部分磁感線漏出管道，從而使漏磁場強度高于空氣耦合場強，漏磁場占主要成分(圖1b所示)；當管道有增厚部件時，此處的管壁增厚磁通密度減小，使耦合場強度高于漏磁場的磁場強度，空氣耦合場占主要成分，空氣中的磁感線進入管壁(圖1c所示)；復合型漏磁場綜合了減薄和增厚兩種情況，在部件增厚處磁通密度變小，在相對部件減薄處磁通密度增大(圖1d所示).

圖1 漏磁內檢測圖Fig.1 Schematic magnetic flux leakage inner inspection

1.2 漏磁場有限元模型分析

有限元法廣泛應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續(xù)性問題，可用來建立管道缺陷漏磁場模型，分析電磁場領域等各類問題[9].應用有限元方法求解電磁場偏微分方程的近似解，材料的任意方向、任意點的磁導率都是μ，因為檢測裝置緩慢移動，可以將該問題歸為靜磁場問題.

在管道結構對稱條件下，可選用圓柱坐標系(r，θ，z)，A=A0(r，z)e0，其中，A為電流，e0為θ方向的單位矢量，經過麥克斯韋方程矢量公式推導可以得出

(1)

式中，J為電流密度.

該式滿足泊松方程，屬于控制方程.它與邊界條件結合，構成了邊值問題是待求問題的數(shù)學模型.對幾何結構對稱的管道來說，其矢量磁位的邊界條件可表示為

(2)

應用解析法對式(1)的數(shù)學模型進行求解很繁瑣，需要通過建立一個與式(1)等價的控制函數(shù)，并且在近似函數(shù)區(qū)域內求此控制函數(shù)的極小值.而其對應的邊界條件為式(2)，可以求得該管道漏磁場有限元模型的解和空間中任意點的磁力線分布與磁場強度[10].

2 管道特殊部件及缺陷仿真分析

2.1 特殊部件及缺陷模型

運用Comsol4.4仿真軟件對永磁勵磁管道特殊部件和缺陷的檢測結構進行仿真研究，圖2為管道的特殊部件及缺陷結構圖.永磁勵磁管道內檢測結構中，管道的長度為1 000mm，管壁厚15mm；補板厚度為10mm，寬度140mm；法蘭厚100mm，寬度200mm；螺旋焊縫厚度8mm，寬度15mm；缺陷深度8mm，寬度50mm，長度20mm；三通壁厚15mm，高度350mm.

圖2 管道特殊部件及缺陷結構Fig.2 Special parts and defect structure of pipeline

2.2 特殊部件及缺陷漏磁信號軸向分量分析

仿真中將三維截線布置在內壁上得出仿真數(shù)據(jù)，將補板、螺旋焊縫、法蘭、三通與普通缺陷有限元仿真結果數(shù)據(jù)導出，并應用MATLAB繪制三維漏磁信號軸向分量Bx曲線如圖3所示.

圖3a補板有兩個負峰值且一般補板尺寸比焊縫要大；圖3b螺旋焊縫所產生漏磁場的軸向磁通密度曲線只存在一個峰值；圖3c中法蘭漏磁信號的軸向分量為下凹曲線，法蘭在實際中是兩個管道利用兩個環(huán)形鋼焊接起來的，因此，漏磁信號軸向分量為兩條，只有一個負峰值的信號并列排列；圖3d中，由于三通形狀的特殊性，內側為正極性，屬于復合型漏磁場且為圓形.

圖3f中整個補板漏磁軸向信號中間存在另一個極性相反的缺陷漏磁信號，符合圖3a、e中補板和缺陷所示曲線圖的組合.同理，管道特殊部件存在缺陷時會有兩個極性不同，峰值不同的信號同時出現(xiàn).圖3g為正常管道情況下的Bx曲線圖，可以看出每個通道信號相互平行沒有突變.

3 實驗與結果分析

3.1 實驗裝置

實驗中采用永磁體勵磁方式，管道為x52鋼，壁厚15 mm，檢測通道數(shù)為144，傳感器分布在管道內壁一周且每個通道間隙10 mm.實驗流程圖如圖4所示，在管道不同的地方存在特殊部件及缺陷(圖4僅以缺陷為例)，檢測漏磁信號的軸向分量.

圖3 管道特殊部件與缺陷漏磁信號Bx曲線Fig.3 Bx curves for magnetic flux leakage signal of special parts and defects of pipeline

永磁體磁化管道后產生磁化區(qū)，利用霍爾傳感器采集漏磁信號，經過信號調理電路、數(shù)模轉換模塊，由計算機采集數(shù)據(jù)并顯示結果.

3.2 結果分析

將結果在DetectDataAnsys中顯示可以很直觀地看出，在沒有缺陷的地方信號均勻平穩(wěn)，在有缺陷或者特殊部件的地方信號有明顯變化，具體分析如圖5所示.

圖4 實驗流程Fig.4 Flow chart of experiment

圖5 管道特殊部件與缺陷檢測實驗結果Fig.5 Detection results for special parts and defects of pipeline

圖5a中補板漏磁信號軸向分量上有兩個峰值，其寬度大致為24個通道間隙，長度大致為200 mm.補板上下兩側信號沒有明顯趨于平緩.將每一個通道信號組合在一起形成了管道補板的漏磁信號軸向分量圖，與圖3a中的補板信號軸向分量一致.

圖5b中由于螺旋焊縫為繞管道首尾相連，整體數(shù)據(jù)很多，因此截取1～32通道中漏磁軸向分量信號進行分析.每個通道采集的信號有一個峰值且為負極性，組合起來形成螺旋焊縫的漏磁信號軸向分量圖，與圖3b中螺旋焊縫漏磁信號軸向分量曲線圖相一致.

圖5c中截取0～62通道的漏磁軸向分量信號作為結果顯示分析，每一個通道檢測信號有兩個峰值且為負極性，這是由于實際兩管道焊接需要得到的，組合起來形成了法蘭的漏磁軸向分量圖，與圖3c中法蘭曲線相一致.

圖5d中三通為空心圓柱，通道49～93為三通的軸向寬度，由于三通屬于減薄增厚情況都存在的特殊部件，因此軸向分量信號兩側正峰值、內側負峰值，與仿真相一致.

最常見特殊部件是位于管壁外表面的金屬物，例如管道補板、三通、焊縫及法蘭等.與前者類似，特殊部件漏磁信號的形狀也依于檢測到該金屬部件尺寸，對于每一種部件，峰的數(shù)量和極性也是相同的，而極性與普通缺陷恰恰相反.圖5e與圖3e都是管道缺陷的Bx曲線圖，圖3e相當于只截取圖5e中缺陷處的Bx，因此看上去尺寸不太一致，但是它們都是凸起且極性一致.

圖5f中補板所占通道為18～62，軸向為補板長度，內側24～33通道存在缺陷，與圖3f中補板的缺陷寬度尺寸不同，但是整體上曲線是一致的.圖5g為正常管道Bx曲線圖，與圖3g相一致，沒有變化.

4 結 論

管道漏磁內檢測會遇到特殊部件及缺陷存在的情況，本文以漏磁信號軸向分量Bx所占通道個數(shù)、Bx正負峰值出現(xiàn)的先后順序、Bx幅值以及曲線軸向長度作為分析判別管道特殊部件與缺陷的依據(jù)，通過有限元仿真和實驗相結合的方法得出：法蘭、補板、焊縫三者Bx峰值為負極性，屬于增厚型漏磁場，與缺陷(減薄型漏磁場)極性相反；三通屬于復合型漏磁場且為圓形，Bx兩端峰值為負極性，內凹處峰值為正極性；特殊部件存在缺陷時，外側Bx判斷外部輪廓，確定特殊部件種類、尺寸和位置，內側Bx分析內部輪廓，確定缺陷尺寸和位置.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Feature analysis on magnetic flux leakage detection signal for special parts of oil and gas pipeline

YANG Li-jian, GUO Tian-hao, GAO Song-wei, LIU Bin

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Aiming at the structural characteristics of special parts of oil and gas pipeline, the characteristics of magnetic field generated after the magnetization of pipeline were analyzed. Based on the pipeline magnetic flux leakage inner inspection principle and Maxwell equation, the Comsol finite element simulation software was used to perform the simulation for the special parts and defects of pipeline. In addition, the channel number occupied by the axial componentBxof magnetic flux leakage signal, the appearing sequence of positive and negative peakBxvalues, theBxamplitude and axial length were taken as the basis for analyzing and distinguishing the special parts and defects of pipeline. The feature analysis on theBxcomponent of total magnetic flux leakage signal under the condition of existing the defects in the special parts of pipeline was carried out. When the defect signal was in the inner side of reinforcing plate signal and the polarity was opposite, the defect signal was regarded as a reinforcing plate defect. The results show that the proposed method has certain feasibility in the defect identification of special parts of pipelines.

permanent magnet; pipeline inner inspection; axial component; special part; signal feature analysis; Maxwell equation; finite element simulation; magnetic flux leakage

2015-12-25.

科技部國家重大儀表專項資助項目(2012YQ090175)； 國家863計劃資助項目(2012AA040104)； 國家自然科學基金資助項目(61571308).

楊理踐(1957-)，男，湖南長沙人，教授，博士生導師，主要從事管道檢測及無損檢測技術等方面的研究.

16∶08在中國知網優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.024.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.09

TG 115.28

A

1000-1646(2017)01-0043-05