利用有限元法分析管道內缺陷尺寸與漏磁場的關系

高慧

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

應用漏磁檢測技術對油氣管道腐蝕缺陷進行內檢測，是目前常用的檢測方法之一[1]。當管壁中存在腐蝕缺陷時，磁通會泄漏到管壁表面，形成漏磁通。傳感器采集到的漏磁場信號的特征與缺陷外形密切相關[2]，由于缺陷的種類、形狀十分復雜，缺陷幾何形狀與尺寸的不同可能會產生不同或相似的磁場分布，因此無法直接從漏磁場信號的外形判斷缺陷的外形參數。本文在現有缺陷漏磁場理論研究的基礎上，建立有限元仿真模型，模擬實際管道漏磁檢測系統結構及其工作狀態下的缺陷漏磁場分布情況，為提高管道缺陷量化分析精度提供理論依據。

1 建立有限元仿真模型

以管道軸向磁化作為研究對象，運用Opera-3D軟件對油氣管道腐蝕缺陷漏磁場進行有限元仿真實驗[3]。實際管道與檢測器的三維模型中，外側圓柱筒為實際測量管道，在管道內部均勻分布有六套檢測模塊，每一套模塊都是由永磁體與背鐵組成。三維管道模型及檢測模塊軸向截面如圖1所示。

圖1 三維管道模型及檢測模塊軸向截面

2 仿真分析

缺陷仿真參數包括：管徑為457 mm，管壁厚度為14.6 mm（下面用P代表管壁厚度）；牽拉速度為1 m/s；傳感器位于管道內表面提離值4 mm處。

2.1 缺陷深度與漏磁場的關系

管道的損壞和腐蝕程度主要與缺陷深度有關，是評價腐蝕管線剩余強度的主要指標。

當缺陷寬度/長度比為1/3，缺陷長度、寬度不變（分別為9P和3P）的情況下，改變缺陷深度（0.2P，0.3P，0.4P，0.5P，0.6P，0.7P，0.8P，0.9P）。觀察漏磁場與缺陷深度的關系，得到漏磁場的原始信號波形，如圖2所示。

圖2 不同深度缺陷的漏磁場信號（寬長比＝1/3）

在缺陷寬度/長度比為1（均為3P）時，步驟同上，觀察漏磁場峰谷值與缺陷深度的關系，如圖3.

圖3 不同深度缺陷的漏磁場信號（寬長比=1）

漏磁場峰谷值與缺陷深度的數據關系曲線，如圖4.

圖4 不同寬長比下缺陷深度與漏磁場的關系曲線

由仿真結果可見，漏磁場峰谷值與缺陷深度之間呈明顯的二次關系，漏磁場的峰谷值越大，表示缺陷深度越深，同時還需要用缺陷的寬度/長度比與寬度等參數進行一定的修正。

2.2 缺陷長度與漏磁場的關系

取缺陷寬度為11.68 mm；深度為2.92 mm（20%壁厚）；缺陷長度分別為 3P、4P、5P、6P、7P、8P、9P 和10P.觀察漏磁場與缺陷長度的關系，得到的漏磁場原始信號波形如圖5所示。

漏磁場跨度與缺陷長度的原始數據曲線和一次擬合曲線如圖6所示。

圖5 不同長度缺陷的漏磁場信號

圖6 原始數據與擬合曲線

由仿真結果可見，在缺陷其他外形尺寸不變、僅改變缺陷長度的情況下，缺陷長度越大，缺陷漏磁場跨度越大，而漏磁場幅值則隨著缺陷長度的增加而變小，漏磁場跨度與缺陷長度呈明顯的線性關系。漏磁場的跨度越大，表示缺陷長度越大。由圖5可看出，由于缺陷長度對漏磁場幅值的影響，如果采取統一的閾值，會出現深度較淺、長度較長的缺陷的漏磁場跨度與深度較深、長度較短的漏磁場跨度相同的情況。

2.3 缺陷寬度與漏磁場的關系

取缺陷長度為43.8 mm、缺陷深度為2.92 mm（20%壁厚），缺陷寬度分別為 3P，4P，5P，6P，7P，8P，9P，10P；傳感器位于管道內表面提離值4 mm處。觀察漏磁場與缺陷寬度的關系，得到漏磁場周向信號的原始波形，如圖7所示。

漏磁場周向寬度與缺陷寬度的原始數據曲線和二次擬合曲線如圖8所示，其中橫軸表示漏磁場周向寬度，縱軸表示缺陷寬度。

圖7 不同寬度缺陷的漏磁場信號

圖8 原始數據與擬合曲線

由圖8中看到，缺陷寬度與漏磁場的周向峰谷值有關。在不改變漏磁場周向峰谷值的情況下（通過保持寬長比不變和調節缺陷深度來實現），缺陷寬度與漏磁場周向信號的關系如圖9所示。

漏磁場周向寬度與缺陷寬度的原始數據曲線和一次擬合曲線，如圖10所示。

圖9 峰谷值不變時不同寬度缺陷的漏磁場周向信號

圖10 原始曲線與擬合曲線

綜合不同漏磁場幅值時的曲線，可以得到圖11.

圖11 缺陷寬度與漏磁場寬度的關系

由圖11可見，在漏磁場峰谷值一定的情況下，缺陷寬度和漏磁場周向寬度基本保持線性關系，但是在缺陷寬度不變的情況下，如果漏磁場峰谷值增大，漏磁場周向寬度會變小。

3 結論

通過仿真分析可知：只根據漏磁感應強度判斷缺陷深度，將會出現較明顯的誤差，還應考慮到缺陷長寬比與寬度等參數的影響；只根據漏磁場幅值評估腐蝕管道的危險程度，往往會忽視較長的缺陷，而這些較長缺陷對管道的威脅明顯高于較短的缺陷；在采用沿管道軸向磁化的檢測方式時，寬度越小、長度越長的缺陷所產生的漏磁場越不明顯，不易被檢出；反之，寬度越大、長度越小的缺陷的漏磁場較為明顯；同時，對于寬度小的缺陷，其所覆蓋的漏磁場的傳感器個數較少，因此會降低檢測精度。

[1]張士華，初新杰，孫永泰，等.海底管線缺陷內檢測技術現狀與發展趨勢研究[J].裝備制造技術，2011（09）：142-144.

[2]蔣 奇.管道缺陷漏磁檢測量化技術及其應用研究[D].天津：天津大學，2003.

[3]孫永泰.管道裂紋缺陷漏磁場的有限元仿真[J].測控技術，2012（09）：96-98.