基于飽和低頻渦流檢測技術的管道內外缺陷識別方法仿真

孫 宇，葛玖浩

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000;2.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心， 青島 266580)

基于飽和低頻渦流檢測技術的管道內外缺陷識別方法仿真

孫 宇1，葛玖浩2

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000;2.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心， 青島 266580)

管道檢測中，由于集膚效應的限制，常規渦流檢測技術很難對深層缺陷進行檢測。通過外加直流磁化場,使用飽和低頻渦流技術(SLFEC)將被測工件磁化至飽和狀態，可降低其相對磁導率進而增加集膚層厚度，提高檢測深度。基于飽和低頻渦流檢測技術原理，采用有限元方法構建飽和低頻渦流檢測技術仿真模型。仿真表明，SLFEC技術對壁厚30 mm管道不同埋深裂紋和管道內外腐蝕缺陷均具有較好的檢測效果，同時采用阻抗分析法可較好地區分管道不同埋深裂紋和內外腐蝕。

飽和低頻渦流技術；不同埋深裂紋；內外腐蝕；仿真研究

石油天然氣管道是石油工業的血管，截至2012年上半年,我國油氣管道總長度已達9.3萬km。伴隨我國油氣管道的快速發展，許多在役管道已進入事故多發期，管道內外表面易出現腐蝕、裂紋、應力腐蝕開裂、穿孔等缺陷，威脅石油工業的生產安全，因此開展管道內外缺陷檢測對保證石油化工行業平穩發展和安全生產有著重要意義[1]。

渦流檢測技術(ECT)是石油天然氣管道檢測中常用的電磁檢測技術，其基于電磁感應原理，交流激勵下渦流線圈在被測工件表面會感應出渦電流；當被測工件表面出現缺陷時，感應渦流場會產生畸變，從而導致線圈阻抗變化；通過分析線圈阻抗變化分析可對缺陷進行識別。該技術具有非接觸測量、無需耦合劑的特點[2-3]。

渦流檢測法由于集膚效應的存在，對導電工件表面或近表面缺陷具有較高的檢測靈敏度。但正因為存在集膚效應的限制，常規渦流檢測法很難對亞表面和深層缺陷具有較好的檢測效果，在工業應用中易造成漏檢，甚至導致安全事故的產生[4]。

飽和低頻渦流檢測技術(Saturated low frequency eddy current，SLFEC)是近年由英國Innospection公司開發的一項電磁檢測新技術[3-4]。該技術在原有渦流檢測技術的基礎上引入直流磁化磁場，利用疊加磁場來降低被測工件的相對磁導率，增大渦電流的集膚深度，從而實現對深層缺陷的檢測[5]。在現場應用中該技術能夠對33 mm厚度材料深層缺陷進行良好檢測，同時可穿透10 mm包覆層對工件進行檢測，具有良好的應用前景。

筆者基于飽和低頻渦流技術原理，采用三維有限元技術構建飽和低頻渦流技術有限元檢測模型，分析缺陷埋藏深度和類型引起的線圈阻抗變化，最終構建缺陷深度和類型識別方法，為管道內外缺陷檢測和識別提供技術支持。

1 飽和低頻渦流檢測技術原理與仿真

1.1 技術原理

圖1 飽和低頻渦流檢測技術原理示意

圖2 外加磁場強度與相對磁導率的關系曲線

如圖1所示為飽和渦流檢測技術原理示意，當在試件表面施加直流磁化場時，工件沿壁厚方向被磁化，導致相對磁導率降低。如圖2所示為外加磁場強度與相對磁導率的關系曲線。假設磁化后工件除相對磁導率外其余參數沒有改變，由集膚效應公式可知，相對磁導率的減小會導致集膚深度增加，進而增大檢測深度。

式中：μ0為真空磁導率;μr為相對磁導率;σ為電導率;ω為激勵頻率。

1.2 有限元模型

采用有限元軟件COMSOL MULTIPHYSICS構建如圖3所示的飽和低頻渦流檢測技術有限元模型，該模型由直流磁化器、渦流線圈、差分線圈和管道構成。為模擬工件相對磁導率隨磁場的變化情況，將如圖4所示的低碳鋼磁化曲線輸入有限元模型中，模型中其余材料參數如表1所示。圖5為模型中不同磁化強度對應得到的工件相對磁導率。

圖3 SLFEC模型示意

圖4 低碳鋼BH曲線

由于飽和低頻渦流技術中存在直流磁化場和交流電磁場，因此若采用瞬態分析將會有龐大的計算量。因此為了更好地模擬飽和低頻渦流技術，提出“靜磁場穩態分析加交流場頻域分析”兩段式復合分析方法。首先采用COMSOL“磁場無電流物理場”進行靜磁場穩態分析，獲得工件被磁化飽和后的相對磁導率。然后將第一步中獲得的材料參數變化值作為第二步分析的材料參數，采用COMSOL“磁場物理場”進行頻域分析，同時頻域分析時保證渦流磁場不會導致直流磁化場變化，最終通過分析渦流線圈阻抗變化識別深度缺陷。

表1 有限元模型參數

圖5 仿真模型中相對磁導率與外界磁場的變化關系

2 不同深度和類型缺陷檢測

為了更好地表征SLFEC技術的檢測能力，筆者采用SLFEC技術分別對不同埋藏深度和類型的缺陷進行檢測，分析不同埋藏深度和類型的缺陷導致的線圈阻抗變化，進而構建缺陷埋深和類型的識別方法。

2.1 不同埋藏深度缺陷檢測

圖6為被測試件的結構示意，試件中含有5個亞表面缺陷和1個表面缺陷。仿真中采用探頭不動，工件移動的方法來模擬探頭對不動缺陷的檢測，其中工件沿水平方向左并以1 mm步距移動。檢測得到前5個非表面檢測結果如圖7(a)所示，同時為了對比，采用激勵電流1 A，激勵頻率10 kHz，提離高度與SLFEC相同的渦流探頭得到如圖7(b)所示結果。

圖6 缺陷結構示意

圖7 SLFEC技術和ECT技術檢測非表面缺陷的對比

由結果可知，SLFEC技術可清晰地對不同埋深缺陷進行檢測，而ECT技術對埋深10 mm以下的缺陷較難分辨。將表面缺陷檢測結果與埋深10 mm缺陷的結果對比，得到如圖8所示的結果，由結果可知采用SLFEC技術可以很好地區分表面缺陷和非表面缺陷。由阻抗圖可知非表面缺陷信號位于一、三象限，表面缺陷位于二、四象限。通過分析“8字圖”所在象限可有效區分缺陷位置。

圖8 表面缺陷與埋深10 mm缺陷的檢測結果對比

2.2 不同類型缺陷檢測

由于管道經常輸送天然氣、原油等含腐蝕成分的介質，管道內部容易產生腐蝕缺陷;同時管道埋藏在土壤中，易發生電化學腐蝕，故外部同樣會產生腐蝕缺陷。為進一步驗證SLFEC技術的檢測能力，采用SLFEC技術分別對表面和內部凹坑進行檢測，以模擬管道內外腐蝕的檢測。圖9為管道內外腐蝕缺陷外觀示意。圖10為其檢測結果。

圖9 表面腐蝕坑和內部腐蝕坑外觀示意

圖10 表面和內部腐蝕坑的SLFEC檢測結果

由檢測結果可知：SLFEC技術對管道內外腐蝕均具有較好的檢測效果，同時與判斷裂紋不同埋深一樣，表面腐蝕坑“8字圖”位于二、四象限，非表面腐蝕坑“8字圖”位于一、三象限。表明SLFEC技術對腐蝕缺陷具有較好的檢測和識別能力，同時可判別表面腐蝕和內部腐蝕不同位置。

由SLFEC技術對不同埋深裂紋和內外腐蝕坑的檢測仿真結果可知，SLFEC技術對不同埋深裂紋和內外腐蝕坑均具有較好的檢測效果，較傳統渦流技術可有效提高檢測深度；同時采用阻抗平面分析法，可有效區分內外缺陷。

3 結論

(1) SLFEC技術可有效改變被測管道的相對磁導率，增大渦流集膚效應滲透距離，提高檢測深度。

(2) SLFEC技術對管道內外裂紋、腐蝕坑均具有較好的檢測能力，采用阻抗分析法，表面缺陷阻抗圖出現在二、四象限，非表面缺陷阻抗圖出現在一、三象限。故，SLFEC具有較好的內外缺陷識別能力。

[1] 董紹華, 費凡, 安宇,等. 管道腐蝕評估技術與其檢測方法對比[J]. 無損檢測, 2016,38(3):34-40.

[2] 林俊明, 賴傳理, 任吉林. 鋼管渦流探傷中缺陷信號的相位分辨[J]. 無損檢測, 2011,33(1):2-4.

[3] JARVIS R, CAWLEY P, NAGY P B. Current deflection NDE for the inspection and monitoring of pipes[J]. Ndt & E International, 2016, 81:46-59.

[4] 康宜華, 宋凱, 楊建桂,等. 幾種電磁無損檢測方法的工作特征[J]. 無損檢測, 2008,30(12):928-930.

[5] SUKHIKH A V, SAGALOV S S. Application of the magnetic saturation method for eddy-current inspection of spent fuel elements from fast reactors[J]. Atomic Energy, 2007, 102(2):139-145.

Simulation of Pipeline Inner and Outer Defect Recognition Based on Saturated Low Frequency Eddy Current Technique

SUN Yu1, GE Jiu-hao2

(1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Langfang 065000, China;2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Eddy current testing (ECT) is a normally used nondestructive testing method. However, because of the skin effect, it is difficult to detect the deeper defects by ECT. Using saturated low frequency eddy current technique (SLFECT), the structure is magnetized to saturation by adding a direct magnetizing field; in addition, the relative permeability is decreased and the skin effect is reduced. In this paper, based on the thesis of SLFECT, the model of SLFECT is built by finite element method. The simulation results indicate that the crack in different depth, inner and outer corrosions can be detected obviously; moreover, using the impedance analysis method, the depth of crack and position of corrosion can be recognized.

Saturated low frequency eddy current technique; Cracks in different depth; Inner and outer corrosion; Simulation study

2016-07-28

基金名稱：山東省自然科學基金資助項目(ZR2015EM009);青島市科技發展計劃資助項目(14-2-4-49-jch)。

孫 宇(1978-)，男，本科，工程師，主要從事油氣管道工程項目管理工作。

葛玖浩，E-mail:gejiuhao@163.com。

10.11973/wsjc201702003

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0009-04