基于正交電磁原理的PCCP斷絲檢測有限元仿真分析

李潤斌，封 皓，劉 欣

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.承德石油高等?？茖W(xué)校數(shù)理部，河北承德 067000)

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe，PCCP)是由帶鋼筒的混凝土管芯、環(huán)向纏繞的預(yù)應(yīng)力鋼絲和外部的水泥砂漿保護(hù)層組成的高性能復(fù)合型管材，該管道將混凝土抗壓、鋼絲抗拉、鋼筒抗?jié)B等各材料特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合在一起，具有容量較大、承載能力較高、成本較低等特點(diǎn)，是長距離大口徑帶壓輸水工程的首選管材[1-2]。自20世紀(jì)80年代引入我國后，成為國家重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，廣泛應(yīng)用于南水北調(diào)等大型輸水工程[3-4]。

根據(jù)國內(nèi)外的研究，PCCP失效的主要原因是腐蝕或氫脆導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂，并往往造成突發(fā)性爆管等災(zāi)難性的后果，對于安全、經(jīng)濟(jì)、社會、能源等多方面造成嚴(yán)重影響[5-6]。根據(jù)AWWARF 4304報(bào)告文件，1942年至2006年的65年間美國共發(fā)生了399次爆管事件，此外，加拿大、墨西哥、南非、沙特阿拉伯等國也出現(xiàn)了PCCP爆管，國外頻發(fā)的爆管事故給我國的PCCP狀態(tài)評估管理敲響了警鐘[7]。國外對于PCCP安全運(yùn)行的管理方法主要分為2類：一是對管道進(jìn)行狀態(tài)評估，主要方法有超聲波(ultrasonic technology)檢測[8]、電磁(electromagnetic technology)檢測[9-10]和聲學(xué)光纖(acoustic fiber optic monitoring technology)檢測等[11-12]；二是為了避免潛在故障，對管道進(jìn)行性能預(yù)測，主要方法有3種，分別是基于狀態(tài)評估記錄數(shù)據(jù)的預(yù)測、使用統(tǒng)計(jì)模型和高級數(shù)學(xué)分析(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN))進(jìn)行預(yù)測和使用有限元(FE)分析的物理模型進(jìn)行預(yù)測[13]。

目前，我國對于PCCP的制造工藝已基本掌握，但管道狀態(tài)評估方面基本空白，安全監(jiān)測能力嚴(yán)重落后于工程建設(shè)[14]。研究基于正交電磁原理的斷絲檢測方法具有重大意義，但目前國內(nèi)外對于正交電磁感應(yīng)法檢測PCCP斷絲的原理研究鮮有報(bào)道，且在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)過程中需人為破壞大量管道用于模擬斷絲情況，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)成本昂貴且造成了資源的浪費(fèi)[15]。本文針對目前這種情況采用有限元分析工具對正交電磁法檢測PCCP進(jìn)行仿真，分析了正交電磁檢測的原理，并模擬了PCCP出現(xiàn)斷絲的情況，最后通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性，該模型可真實(shí)地模擬實(shí)際情況，為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)提供參考，降低了實(shí)驗(yàn)成本。

1 正交電磁檢測原理

正交電磁檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)包括激發(fā)器、檢測器、磁屏蔽裝置和控制裝置(圖中未畫出)，其中激發(fā)器為線圈，檢測器可以是線圈也可以是磁傳感器且兩者最好正交放置。工作時激發(fā)器由交流信號驅(qū)動，激發(fā)出變化的磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知該磁場會在空間感應(yīng)出相應(yīng)的電場，此變化的電場作用在預(yù)應(yīng)力鋼絲上，導(dǎo)致鋼絲內(nèi)電流密度發(fā)生變化，斷絲的存在會引起感應(yīng)電流的變化，最終引起磁場的變化，測量由該電流在檢測器中引起的電壓或其他效應(yīng)即可判斷鋼絲的狀況。

圖1 正交電磁檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鋼絲中感應(yīng)電流的方向如圖2所示，以激發(fā)線圈中心所在位置為起點(diǎn)，以相反方向指向兩端。

圖2 鋼絲內(nèi)感應(yīng)電流方向示意圖(俯視圖)

感應(yīng)電流密度模值的變化規(guī)律為激發(fā)器正對位置最小，沿管道兩端方向先變大，后由于距離激發(fā)器較遠(yuǎn)而變小，如圖3所示。斷絲的存在對于感應(yīng)電流密度的大小和方向均有影響，斷絲處電流密度的模值會變小，由此可以推出，當(dāng)斷絲位置正對檢測系統(tǒng)時，檢測信號并無明顯變化，因?yàn)榇藭r無論有無斷絲，電流密度模值均為最小，從而引發(fā)的磁場并無多大變化，反而當(dāng)斷絲位于檢測系統(tǒng)前后并在一定距離內(nèi)時，引起的電流密度變化最大，此時檢測信號有明顯變化，具體如圖4所示。

圖3 鋼絲內(nèi)感應(yīng)電流密度模值變化示意圖

圖4 斷絲對感應(yīng)電流密度的影響

最終，有無斷絲導(dǎo)致的磁場變化和檢測線圈電壓變化分別如圖5、圖6所示。

(a)無斷絲磁場信號

(b)有斷絲磁場信號圖5 斷絲的磁場信號特征

(a)無斷絲磁場信號

(b)有斷絲磁場信號圖6 斷絲的檢測線圈電壓信號特征

2 有限元仿真

2.1 仿真設(shè)置

利用有限元方法分析正交電磁檢測系統(tǒng)，需要進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、結(jié)果分析等步驟。其中模型主要結(jié)構(gòu)包含5個部分，分別是預(yù)應(yīng)力鋼絲、薄鋼筒、激發(fā)線圈、檢測線圈和磁屏蔽結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)

幾何模型的具體尺寸和要求按照GB/T 19685—2017[16]標(biāo)準(zhǔn)或CECS 140[17]標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，具體參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

PCCP的預(yù)應(yīng)力鋼絲屬于高長徑比結(jié)構(gòu)，而且需要觀察鋼絲內(nèi)電流密度的變化，因此網(wǎng)格劃分需要進(jìn)行特殊處理，保證網(wǎng)格均勻且鋼絲不發(fā)生形變。通過掃掠等方式和對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行設(shè)置，得到如圖8所示的劃分結(jié)果，此種方式較自動劃分可以獲得較高的網(wǎng)格質(zhì)量和較短的計(jì)算時間。另外一個需要特殊處理的結(jié)構(gòu)是鋼筒，實(shí)際應(yīng)用中鋼筒的厚度只有1.5～2 mm，對于這種薄層結(jié)構(gòu)可以采用增加邊界條件代替實(shí)體的方法，從而減少計(jì)算的內(nèi)存和時間，經(jīng)仿真對比，兩種方式獲得的結(jié)果一致。磁屏蔽裝置通過增加相應(yīng)的邊界條件并設(shè)置合理的參數(shù)即可。線圈的尺寸設(shè)置需要根據(jù)檢測信號的強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真計(jì)算可知，激發(fā)線圈的場強(qiáng)達(dá)到40 Gs左右時，檢測電壓信號可以達(dá)到mV級，此量級已經(jīng)達(dá)到后續(xù)信號處理的要求。

圖8 預(yù)應(yīng)力鋼絲網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 仿真結(jié)果分析

正交電磁檢測系統(tǒng)檢測的信號主要是管道軸向磁場的變化，所以檢測器可以采用巨磁阻等磁傳感器，也可以采用感應(yīng)線圈并通過觀察線圈兩端的電壓來判斷鋼絲的狀況[18]。在仿真中，為了數(shù)據(jù)計(jì)算和獲取的方便，并和實(shí)際檢測信號進(jìn)行對比，本文統(tǒng)一采用感應(yīng)線圈兩端的電壓作為檢測信號進(jìn)行分析。

2.2.1 斷絲軸向位置對檢測信號的影響

由于管道兩端是承插式接頭設(shè)計(jì)，鋼用量增加且此時檢測系統(tǒng)兩端為非對稱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致斷絲識別難度增加，本文稱之為邊緣效應(yīng)。故本文通過把斷絲設(shè)在一端(30 cm處)和中間(90 cm處)來對比邊緣效應(yīng)的影響。仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，可以看出鋼筒會阻礙電磁信號的傳播，導(dǎo)致斷絲信號的峰谷變化特征被邊緣效應(yīng)掩蓋；沒有鋼筒時，信號強(qiáng)度增大，且邊緣效應(yīng)影響可以忽略，可以更好地觀察斷絲信號特征。所以使用電磁正交法難以分辨存在于管道兩端的斷絲，但當(dāng)斷絲出現(xiàn)于管道中間部位時可以明顯看出表征斷絲的信號特征。

(a)斷絲在一端30 cm處

(b)斷絲在中間90 cm處圖9 有鋼筒時軸向位置變化檢測信號對比圖

(a)斷絲在一端30 cm處

(b)斷絲在中間90 cm處圖10 無鋼筒時軸向位置變化檢測信號對比圖

2.2.2 斷絲周向位置對檢測信號的影響

為了測試斷絲存在的周向位置是否會對檢測信號有影響，將斷絲位置正對檢測器與斷絲位置在檢測器周向90°兩種情況進(jìn)行對比，斷絲位置在檢測器周向90°的情況如圖11所示。仿真結(jié)果如圖12所示，通過對比兩種情況的檢測信號可知斷絲信號特征與周向位置無關(guān)，即正交電磁法可以確定管道軸向某一位置存在斷絲，但不能具體確定其周向所在位置。

圖11 斷絲位置在檢測器周向90°

(a)檢測器與斷絲周向相對位置為0°

(b)檢測器與斷絲周向相對位置為90°圖12 周向相對位置變化檢測信號對比圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2019年1月，與河南省富臣管業(yè)有限公司合作，在工廠內(nèi)的空地搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，將3根規(guī)格型號為PCCPDE3 000×5 000的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管首尾相連，如圖13所示。使用手提式切割機(jī)將第二根管道中部(2.5 m處)側(cè)面的砂漿保護(hù)層清理干凈，裸露出內(nèi)層的預(yù)應(yīng)力鋼絲，使用切割機(jī)將每根預(yù)應(yīng)力鋼絲切割掉10 cm來模擬實(shí)際中斷絲現(xiàn)象的發(fā)生，如圖14所示，第一根與第三根管道為無斷絲的完好管道。

圖13 實(shí)驗(yàn)管道

圖14 斷絲部位

搭建如圖15所示的檢測系統(tǒng)，以120 Hz的交流信號作為激勵源激勵激發(fā)線圈，推動檢測系統(tǒng)依次通過3根管道，提取檢測線圈中微弱的檢測信號，檢測信號如圖16所示。由于管道接口處的邊緣效應(yīng)導(dǎo)致檢測信號在管道接口處幅值增大，可以明顯看出檢測系統(tǒng)通過了3根管道，為了更清晰地看到檢測信號在管道內(nèi)的變化情況，排除管道接口處信號的影響，分別截取3根管道的檢測信號并放大，如圖17所示?？梢钥闯龅谝桓艿琅c第三根管道的信號波形具有一致性，而第二根管道的信號波形出現(xiàn)了表征斷絲的信號波動，這與COMSOL仿真的結(jié)果相一致，實(shí)驗(yàn)表明該檢測系統(tǒng)可以有效地識別出預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管中的斷絲。

圖15 檢測系統(tǒng)

圖16 檢測信號

(a)第一根管道

(b)第二根管道

(c)第三根管道圖17 檢測信號的局部放大圖

為驗(yàn)證斷絲軸向位置對檢測信號的影響，在第一根管道前端(0.3 m處)側(cè)面制造斷絲；為驗(yàn)證斷絲周向位置對檢測信號的影響，在第三根管道中部(2.5 m處)頂端制造斷絲，依次對破壞過的管道進(jìn)行檢測，得到如圖18所示的檢測信號。

從圖18(a)可以看出由于邊緣效應(yīng)的影響，從檢測信號中很難辨別出位于管道前端(0.3 m處)的斷絲信號，與仿真結(jié)論相符。從圖18(b)可以看出，雖然斷絲位置沒有正對檢測線圈，但是依然出現(xiàn)了明顯的斷絲信號的特征，與仿真結(jié)論相符。

(a)破壞后的第一根管道

(b)破壞后的第三根管道圖18 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

本文以正交電磁檢測技術(shù)為研究重點(diǎn)，利用有限元仿真工具，建立并優(yōu)化了該檢測系統(tǒng)的模型與邊界條件，對該方法的斷絲效應(yīng)理論進(jìn)行了深入剖析，分析了鋼筒結(jié)構(gòu)、邊緣效應(yīng)對仿真結(jié)果的影響，為計(jì)算效率的提高提供了參考依據(jù)，進(jìn)而分析了斷絲周向位置、軸向位置對斷絲信號特征的影響，為實(shí)際檢測提供了理論指導(dǎo)。最后通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明該方法可有效識別斷絲信號，且斷絲信號特征與仿真結(jié)果具有很好的一致性。實(shí)驗(yàn)表明由于邊緣效應(yīng)的影響，使用正交電磁法較難檢測出位于管道兩端的斷絲；且斷絲信號特征與斷絲的周向位置無關(guān)，即使檢測線圈沒有正對斷絲處依然可以檢測到斷絲的存在。本文提出的仿真模型可為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)提供參考，并為后續(xù)PCCP管外檢測、帶壓通水檢測和雙層預(yù)應(yīng)力鋼絲結(jié)構(gòu)的PCCP管研究提供了新的思路。