劉覺非 成文峰 蘇林 馬夢(mèng)想 饒連濤 毛瑞麒 徐杰

摘要：基于漏磁檢測(cè)技術(shù)基本原理，采用有限元方法，運(yùn)用COMSOL軟件對(duì)管道復(fù)合缺陷裂紋群和凹坑群的漏磁信號(hào)進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明：對(duì)于裂紋群，隨著裂紋條數(shù)的增加，磁通密度徑向分量Bx峰值和軸向分量By幅值顯著增大，且Bx峰值間距向兩側(cè)偏移，By波形寬度略有增大;當(dāng)金屬損失體積相同時(shí)，磁通密度徑向分量和軸向分量峰值不僅與缺陷尺寸有關(guān)，還與缺陷分布形式相關(guān)。對(duì)于沿軸向和周向分布的復(fù)合凹坑，當(dāng)凹坑相互疊加時(shí)，在凹坑重疊部分發(fā)生漏磁信號(hào)的變化;當(dāng)凹坑相互分離，兩凹坑的漏磁信號(hào)相互獨(dú)立，且信號(hào)強(qiáng)度不隨凹坑距離的繼續(xù)增加發(fā)生明顯變化。

關(guān)鍵詞：漏磁檢測(cè);管道復(fù)合缺陷;裂紋群;凹坑群;有限元模擬

中圖分類號(hào)：TG115.28? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0006-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.02

0? ? 前言

漏磁檢測(cè)相較于其他無損檢測(cè)方法，如渦流檢測(cè)、射線照相檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等，具有對(duì)管道內(nèi)環(huán)境要求不高、無需耦合、受外界干擾小，檢測(cè)速度快且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，適用于大面積、長距離管道的快速檢測(cè)，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)[1-5]。

以往研究多針對(duì)單一缺陷，如單一的裂紋和凹坑，通過改變?nèi)毕莸膸缀螀⒘浚ㄈ缟疃?、軸向長度、周向?qū)挾鹊龋﹣矸治銎鋵?duì)漏磁信號(hào)的影響。實(shí)際管道往往存在多個(gè)缺陷，并以缺陷群的形式集中分布在管壁或焊縫某一局部區(qū)域。目前，對(duì)于缺陷群漏磁信號(hào)的研究尚少，文中基于管道漏磁檢測(cè)技術(shù)基本原理，采用有限元方法對(duì)缺陷群漏磁場(chǎng)分布進(jìn)行模擬仿真，分別考慮裂紋群和凹坑群，通過三維建模與計(jì)算，為缺陷群漏磁信號(hào)特征分析提供理論依據(jù)和參考。

1 漏磁檢測(cè)信號(hào)分析

1.1 漏磁檢測(cè)技術(shù)基本原理

漏磁檢測(cè)技術(shù)是基于鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特性，利用永磁體將鐵磁性材料磁化到近飽和狀態(tài)，當(dāng)管道材料連續(xù)（即無缺陷）時(shí)，磁感線被均勻地約束在管壁內(nèi);當(dāng)管壁材料不連續(xù)，即存在缺陷時(shí)，由于缺陷處的磁阻遠(yuǎn)大于管材，會(huì)使部分磁感線從管壁漏出，進(jìn)而在缺陷處形成漏磁場(chǎng)（見圖1）。利用磁敏元件可對(duì)缺陷處的漏磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)采集，通過數(shù)據(jù)處理與分析，可對(duì)缺陷的位置及幾何特征進(jìn)行判別。利用基于麥克斯韋方程的有限元法和計(jì)算機(jī)輔助工程軟件可以求解漏磁場(chǎng)分布問題[6-12]。

1.2 漏磁檢測(cè)有限元模型

采用COMSOL軟件建立管道漏磁檢測(cè)三維有限元模型，如圖2所示（以復(fù)合凹坑為例，此處采用平板代替管道進(jìn)行幾何模型的簡(jiǎn)化分析）。模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：取壁厚10 mm，在管道中心預(yù)置復(fù)合凹坑缺陷，管道外側(cè)設(shè)置空氣層。設(shè)模型中x方向?yàn)楣艿缽较颍幢诤穹较颍?，y方向?yàn)檩S向（管道長度方向），即Bx為磁通密度徑向分量，By為磁通密度軸向分量。采用永磁體作為勵(lì)磁源，其矯頑磁場(chǎng)Hc為850 kA/m，管材為1008鋼，設(shè)置銜鐵和極靴相對(duì)磁導(dǎo)率為7 000，管道外側(cè)介質(zhì)為空氣，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0。

1.3 漏磁信號(hào)分析

通過有限元計(jì)算得到的20 mm （軸向長度）×10 mm（周向?qū)挾龋? mm（深度）的單一橢球型缺陷的磁通密度分布曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在軸向勵(lì)磁方式下，磁通密度徑向分量Bx分布曲線為以原點(diǎn)為中心先負(fù)后正的兩個(gè)中心對(duì)稱峰（見圖3a）;By分布曲線呈現(xiàn)一個(gè)明顯的凹峰（見圖3b），極性為負(fù)。

實(shí)際管道檢測(cè)過程中某凹坑處的漏磁信號(hào)如圖4所示?？梢钥闯觯毕萏幋磐芏葟较蚍至砍实湫偷囊回?fù)一正兩個(gè)中心對(duì)稱峰，軸向分量呈現(xiàn)明顯的凹峰，與仿真模擬得到的結(jié)果一致。因此，采用有限元模擬方法研究軸向勵(lì)磁條件下的缺陷漏磁通分布特征是可靠的。

2 管道復(fù)合缺陷漏磁信號(hào)特征分析

實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，除了單一缺陷，管道往往存在多個(gè)缺陷集中在某一區(qū)域的情況，且缺陷形狀和大小各異。為研究該情況下的缺陷漏磁信號(hào)，同時(shí)，為便于建模與計(jì)算分析，分別設(shè)計(jì)了裂紋群和凹坑群缺陷模型。

2.1 裂紋群的漏磁信號(hào)分析

單裂紋和多裂紋的模型示意如圖5所示。設(shè)裂紋缺陷參數(shù)為軸向長度0.2 mm，周向長度10 mm，深度為40%t（t為壁厚，10 mm）。多裂紋間距0.2 mm。通過模擬計(jì)算，得到單裂紋與不同多裂紋的磁通密度分布曲線，如圖6所示。

由圖6可知，對(duì)于磁通密度徑向分量Bx（見圖6a），當(dāng)裂紋深度相同時(shí)，缺陷漏磁信號(hào)的峰值隨著裂紋條數(shù)的增加而顯著增大，且峰值間距向兩側(cè)偏移;磁通密度軸向分量By的幅值隨著裂紋條數(shù)的增加而增大，且波形寬度略有增大。

為了進(jìn)一步研究單一缺陷與缺陷群之間漏磁信號(hào)的關(guān)系，同時(shí)構(gòu)建了軸向長度等于裂紋群缺陷軸向長度之和的等效裂紋缺陷模型（即矩形缺陷），如三條裂紋的軸向長度之和為0.2 mm×3，則設(shè)置等效裂紋缺陷軸向長度為0.6 mm），其余尺寸相同，來模擬金屬損失總體積相同的裂紋群缺陷，進(jìn)一步比較漏磁信號(hào)的差異，結(jié)果如圖7所示，三裂紋群與其等效裂紋缺陷的漏磁場(chǎng)分布云圖如圖8所示。

由圖7可知，當(dāng)金屬損失總體積相同時(shí)，裂紋群與其相應(yīng)的等效裂紋缺陷的漏磁信號(hào)相似，且兩者磁通密度徑向分量Bx的峰值間距與軸向分量By的波形寬度基本相同，但等效缺陷的信號(hào)峰值明顯高于裂紋群缺陷的峰值。此外，由圖8可知，三裂紋與其等效裂紋的磁通密度分布云圖相似，但等效裂紋的磁通密度極值大于三裂紋，與圖7結(jié)果一致?？梢?，通過對(duì)比缺陷群與其等效缺陷的漏磁信號(hào)，可以得到體積損失相同時(shí)缺陷群與單缺陷的漏磁信號(hào)差異，從而對(duì)缺陷分布形式進(jìn)行初步判斷。

2.2 復(fù)合凹坑的漏磁信號(hào)分析

2.2.1 軸向分布復(fù)合凹坑的漏磁信號(hào)

沿管子軸向方向建立了兩個(gè)橢球形凹坑的三維有限元模型，設(shè)凹坑軸向長20 mm，周向?qū)挒?0 mm，深度為50%t，通過改變兩凹坑中心距離（見圖9），得到漏磁信號(hào)分布曲線如圖10所示。

由圖10可知，當(dāng)兩凹坑距離小于100% L時(shí)（50%L、75%L），其漏磁信號(hào)分布曲線和單一凹坑（0%L）磁通密度分布曲線類似，這時(shí)復(fù)合凹坑Bx呈現(xiàn)一負(fù)一正兩個(gè)明顯的特征峰，75%L時(shí)由于兩凹坑缺陷的相互影響，在兩特征峰之間還存在兩個(gè)對(duì)稱分布極性相反的小峰;By除了兩凹坑中心呈現(xiàn)一顯著的凹峰趨勢(shì)外，還有個(gè)小的凸峰。而當(dāng)凹坑距離大于等于100% L時(shí)，可明顯看出兩個(gè)獨(dú)立凹坑的磁場(chǎng)信號(hào)特征。此外，當(dāng)兩凹坑距離為100% L時(shí)（即兩凹坑相切），相切處的Bx和By峰值均變小，分析認(rèn)為，這是由于凹坑的Bx曲線先負(fù)后正的特性，在相切處，左邊凹坑的正峰與右邊凹坑的負(fù)峰發(fā)生部分抵消，故使峰值下降。綜上分析可知，兩個(gè)凹坑缺陷同時(shí)存在時(shí)，缺陷之間的距離對(duì)漏磁場(chǎng)分布產(chǎn)生明顯影響。

2.2.2 周向分布凹坑群的漏磁信號(hào)

將2.2.1中軸向分布的凹坑群旋轉(zhuǎn)90°，得到沿周向分布的橢球形復(fù)合凹坑，如圖11所示。為便于分析，給出了距管壁表面1 mm處不同凹坑距離下的磁通密度分布云圖，如圖12所示，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)樨?fù)值，紅色區(qū)域?yàn)檎怠?/p>

由圖11可知，周向復(fù)合凹坑與軸向分布的結(jié)果類似。對(duì)于磁通密度徑向分量，其整體分布呈現(xiàn)極性相反的對(duì)稱峰，且當(dāng)兩凹坑距離達(dá)到100%L時(shí)，基本分裂出兩個(gè)較明顯且獨(dú)立的漏磁信號(hào)特征。

3 結(jié)論

文中運(yùn)用COMSOL有限元軟件對(duì)復(fù)合裂紋群和凹坑群缺陷的漏磁場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果如下：

（1）對(duì)于裂紋群缺陷，隨著裂紋條數(shù)的增加，磁通密度徑向分量Bx峰值顯著增大，峰值間距向兩側(cè)偏移;軸向分量By幅值隨著裂紋條數(shù)的增加而增大，且波形寬度略有增加。

（2）當(dāng)裂紋群和等效裂紋的金屬損失總體積相同時(shí)，磁通密度徑向分量和軸向分量分布曲線相似，但等效裂紋的Bx和By峰值明顯高于裂紋群的峰值。

（3）對(duì)于沿軸向和周向分布的復(fù)合凹坑，當(dāng)凹坑距離達(dá)到100%L時(shí)，兩凹坑的漏磁信號(hào)相互獨(dú)立，且信號(hào)強(qiáng)度不隨凹坑距離的繼續(xù)增加發(fā)現(xiàn)明顯變化;當(dāng)凹坑距離小于100%L時(shí)，在兩凹坑重疊部位相互影響，使中心位置漏磁信號(hào)發(fā)生變化。

參考文獻(xiàn)：

黃松嶺.油氣管道缺陷漏磁內(nèi)檢測(cè)理論與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

楊理踐，耿浩，高松巍.長輸油氣管道漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2016，37（8）：1736-1746.

程世奇.架空管道漏磁外檢測(cè)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用[D].湖北：華中科技大學(xué)，2015.

蘇林，成文峰，許志軍，等.油氣管道缺陷漏磁檢測(cè)有限元模擬[J]. 焊管，2020，43（4）：8-13，22.

毛瑞麒，馬夢(mèng)想，饒連濤，等.管道環(huán)焊縫缺陷漏磁檢測(cè)仿真模擬[J]. 電焊機(jī)，2020，50（11）：28-36.

李久春.基于有限元的管道裂紋漏磁檢測(cè)仿真分析[J]. 無損檢測(cè)，2008（9）：590-593，607.

張周，沈立偉，高欣媛，等.基于ANSYS的城市金屬輸水管道內(nèi)缺陷漏磁模擬[J]. 鋼管，2017，46（1）：64-67.

楊理踐，郭天昊，高松巍，等.油氣管道特殊部件的漏磁檢測(cè)信號(hào)特征分析[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（1）：43-47.

劉博，劉斌，楊理踐，等. 管道弱磁檢測(cè)技術(shù)的有限元仿真[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2015，34（7）：719-722.

方學(xué)鋒，于永亮，業(yè)成，等.基于有限元的油氣管道漏磁檢測(cè)器勵(lì)磁結(jié)構(gòu)影響分析[J]. 石油化工自動(dòng)化，2020，56（4）：62-65.

林漢陽. 檢測(cè)管道內(nèi)外壁缺陷漏磁信號(hào)所產(chǎn)生漏磁場(chǎng)的仿真與分析[J]. 能源與環(huán)境，2019（1）：40-41，44.

高鵬飛，楊理踐，高松巍.基于漏磁檢測(cè)的金屬材料缺陷特征分布規(guī)律[A]. 第十七屆沈陽科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].沈陽，2020.