管道周向勵磁漏磁檢測的ANSYS仿真分析★

高雪松，高松巍

（沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

管道是石油、天然氣等物質(zhì)輸送的主要方式。目前，在我國近70%的原油、100%的天然氣是通過管道運輸?shù)腫1]。然而，石油、天然氣管道隨著服役時間的增長，因管道材質(zhì)問題或施工腐蝕和外力作用造成的損傷 （即：腐蝕、凹陷、溝槽、機械損傷、裂紋、折痕、穿孔、剝落和應力腐蝕裂紋），使管道狀況逐漸惡化，潛在危險很大。目前我國油氣管道70%以上都使用了20年以上，已經(jīng)進入了事故多發(fā)期[2-3]。為了避免災難事故的發(fā)生，必須對長輸管道進行定期的檢查和維護，其中，管道漏磁內(nèi)檢測是國內(nèi)外管道行業(yè)公認的管道安全檢測最為有效的手段。漏磁檢測技術主要有兩種方式：軸向勵磁和周向勵磁。傳統(tǒng)的軸向勵磁檢測技術較為成熟，但是存在一定的局限性，它無法檢測軸向導向的狹窄裂紋、焊縫、機械損傷和腐蝕凹坑等缺陷[4-5]。周向勵磁漏磁檢測方法依靠的是環(huán)繞管道 （周向）分布的磁化場而進行檢測的，管道的軸向缺陷能夠明顯地改變磁場分布，并且更容易被檢測，由此解決了傳統(tǒng)的軸向勵磁檢測不能檢測軸向缺陷的問題。因此，對周向勵磁漏磁檢測技術進行研究，具有重要的實際意義。

1 周向勵磁漏磁檢測原理

周向勵磁漏磁檢測技術是一種新的方法，對于檢測和定量評定軸向導向缺陷具有潛在的優(yōu)勢，已成為國際上的研究熱點[6]。周向勵磁檢測的原理圖如圖1所示。

圖1 周向勵磁檢測原理圖

磁極通過軛鐵連接，并通過鋼刷將磁感應線導入到管壁當中，使管壁達到局部磁飽和，磁極、軛鐵與管壁形成一個閉合磁路。當管壁上存在缺陷時，就會在缺陷處發(fā)生磁力線的泄露，形成缺陷漏磁場。在周向勵磁漏磁的檢測中，磁力線是沿著管道軸向方向分布的，當管壁存在軸向導向的缺陷時，磁力線的方向與缺陷的延伸方向是垂直的，因此，周向勵磁方式的漏磁檢測技術能夠很好地檢測出軸向導向的缺陷。由于周向勵磁檢測裝置的結構復雜，其在管壁產(chǎn)生的磁場是非均勻磁場。若磁化強度太弱，則會導致無漏磁場產(chǎn)生；若磁化強度太強，背景磁場過大，就會掩蓋缺陷漏磁場，導致無法得到正確的結果。缺陷漏磁信號是通過平行安裝在磁極之間的傳感器來獲取的，這就要求傳感器探頭必須具有很小的間距和測量精度。這些因素使得周向勵磁漏磁檢測的實施和分析變得更加困難。

2 仿真實驗分析

2.1 磁路計算方程

在磁路分析中，磁路有兩個基本方程，分別是：

根據(jù)兩個磁路的基本方程，如果磁路當中某部分兩端的磁勢差用F表示，通過磁體或空間的磁通量用 表示，那么就可以計算出這部分磁體的磁阻：

設第i個磁回路的磁通量為i，此回路中永磁體提供的磁動勢為Fmi=HmiLmi，線圈電流提供的磁動勢為NiJi。如果j通過屬于第i個磁回路的總磁阻為Rmij，那么根據(jù)磁路的基本方程可得：

根據(jù)公式 （4）和 （5），可以列寫出磁路計算方程組：

式 （6） 中： R1-R11， R14-R16， R20， Ra和 Rb是磁回路中各個部分的磁阻；

將計算所得的磁阻帶入到公式 （6）當中，即可計算出磁路中各部分磁感應強度的大小，為磁化器結構的合理設計提供了理論依據(jù)。

2.2 磁化器結構設計

周向勵磁檢測的磁化器由永磁體、軛鐵、鋼刷和管壁構成，其結構圖如圖2所示。

圖2 磁化器結構截面圖

磁化器利用永磁體對管壁施加磁場，兩個永磁體通過環(huán)形軛鐵對稱放置，通過鋼刷將磁感線導入到管壁中，形成一個磁路閉合回路。當管壁沒有缺陷時，磁力線基本全部分布在管壁內(nèi)，不產(chǎn)生磁力線的泄露；但當管壁存在缺陷時，在缺陷處就會發(fā)生磁力線的泄露，形成缺陷漏磁場。通過分布在兩個磁極間的霍爾傳感器來拾取缺陷漏磁信號，對漏磁信號進行后續(xù)分析來評價管道缺陷。

2.3 ANSYS三維仿真分析

本次仿真實驗以管徑114 mm、壁厚10 mm的管道作為研究對象。具體的參數(shù)為：空氣相對磁導率為1.0 H/m；鋼管材料為X52號鋼；永磁體設置為線性材料，其相對磁導率為1.05 H/m，矯頑力為896000 A/m；軛鐵和鋼刷設置為線性材料，相對磁導率為2000 H/m。位于兩磁極中部的鋼管內(nèi)壁上存在缺陷，軸向長度為2 mm，周向寬度為2 mm，深度為50%壁厚。

缺陷附近漏磁信號的徑向分量Bx和周向分量By沿軸向距離變化的曲線分別如圖3（a）、 （b）所示。

圖3 磁通密度變化曲線

由圖3知，由于缺陷兩側的極性相反，漏磁信號的徑向分量Bx兩側的磁感應強度符號相反，有正負兩個波峰，在缺陷邊緣處有極大值；漏磁信號的周向分量By關于缺陷中心對稱，并且在缺陷中心處達到最大值，從中心到邊緣周向分量磁感應強度值迅速下降。

圖4（a）、 （b）是周向寬度、深度不變，軸向長度分別為1、2和3 mm缺陷產(chǎn)生的徑向、周向分量磁通密度曲線的對比。從圖中可以看出，當缺陷的周向寬度、深度不變時，軸向長度越大，磁通密度徑向分量的正負峰值越大，正負峰值之差就越大；同時，周向分量的峰值也隨著缺陷軸向長度的增加而增大。

圖4 不同軸向長度缺陷漏磁信號分量比較

圖5（a）、 （b）是軸向長度、深度不變，周向寬度分別為1、2、3和4 mm缺陷產(chǎn)生的徑向、周向分量磁通密度曲線的對比。從圖中可以看出，當缺陷軸向長度、深度不變時，缺陷的周向寬度越大，漏磁信號的徑向分量Bx并沒有隨著缺陷周向寬度的變化而發(fā)生規(guī)律地變化，而周向分量By的峰值隨著缺陷周向寬度的增大而增大。

圖5 不同周向寬度缺陷漏磁信號分量比較

圖6是軸向長度、周向寬度及深度不變，傳感器提離值分別為0、1、2和3 mm時所測得缺陷的徑向、周向漏磁通信號曲線的對比。從圖中可以看出，隨著傳感器提離值的增大，所測得的漏磁信號的徑向分量Bx的正負峰值越來越小，正負峰值之差也越來越小；周向分量By的峰值也隨著傳感器的提離值的增大而規(guī)律地減小，并且當提離值等于3 mm時，測得的磁感應強度的大小幾乎為0，即基本檢測不到漏磁信號。

圖6 不同提離值缺陷漏磁信號的分量比較

3 結束語

研究結果表明，周向勵磁漏磁檢測方法對于缺陷的軸向長度、周向寬度具有較好的可檢出性。其中，漏磁信號的徑向分量對缺陷的軸向長度具有很好的評價效果，但是無法用徑向分量來評價缺陷的周向寬度；漏磁信號的周向分量對于缺陷的軸向長度和周向寬度都可以進行很好的評價，漏磁信號的周向分量對于缺陷的評價要優(yōu)于徑向分量。傳感器提離值對漏磁信號的檢測具有直接的影響，當提離值達到3 mm時，檢測到的磁感應強度幾乎為0，設計檢測裝置時要加以注意。

[1]金虹.漏磁檢測技術在我國管道腐蝕檢測上的應用和發(fā)展 [J].控制與測量：2003， （1）：43-46.

[2]郭新慶.關于石油天然氣管道安全問題 [R].北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局，2006.

[3]張玉良，闕沛文，黃作英，等.漏磁檢測的仿真和實驗研究 [J].傳感器與微系統(tǒng)：2006，25（8）：29-31.

[4]楊理踐.管道漏磁在線檢測技術 [J].沈陽工業(yè)大學學報： 2005， 27 （5）： 522-525.

[5]吳濤，張國光，郭銳.周向勵磁漏磁檢測技術的研究[J].無損探傷： 2009， 33 （6）： 22-23.

[6]IRELAN R C，TORRES C R.Challenges in circumferential magnetization a FEA point of view[C]//Proceedings of IPC 2004.2004：945-955.