軸向漏磁檢測器缺陷信號分析

馬晨亮 丁戰武 高若望

沈陽特種設備檢測研究院 遼寧沈陽 110035

對于長輸管道的檢測國內目前還主要是采用相對傳統的管道外檢測技術來監測腐蝕情況，例如使用PCM等設備，此方法操作相對簡單，但對于公路、鐵路、海洋等區域內的管道并不試用，并且也主要體現于對管道缺陷的預測，并不能準確判讀現有的缺陷。漏磁內檢測技術能夠準確判斷腐蝕缺陷，對于有條件的管道應使用漏磁內檢測在檢驗周期內對管道進行專業性檢驗。目前國外對漏磁檢測技術核心內容的掌握使得內檢測被國外企業所壟斷，其中比較有實力的檢測單位有美國的Tuboscope、TDW、英國的BG、德國的ROSEN等公司，其產品已經達到了系列化和多樣化，在中國的市場占有率非常高，但檢測價格較昂貴，一般的企業難以承受。國內也有一些單位和研究院所對漏磁內檢測技術進行研究，例如沈陽工業大學的楊理踐[1]，華中科技大學的武新軍[2]，清華大學的黃松嶺[3]，天津大學的靳世久、王太勇[4]等。其中沈陽工業大學已經研制出檢測器并投用于工程中。并取得了一定的成果。國內的研究雖進展很快，但和國外相比差距還是較大，因此繼續深入的實踐研究尤為重要。

1 漏磁檢測器原理

漏磁檢測技術[5]的依據是鐵磁性材料高磁導率的特性，鐵磁性材料在外加磁場的作用下會被磁化，材料在達到近飽和的狀態下，如果材料表面存在缺陷，就會在缺陷處產生漏磁場，通過磁敏元件測量分析漏磁場數據，從而判斷缺陷的幾何尺寸[6]。漏磁檢測的原理如圖1所示。

圖1 漏磁檢測原理圖

從圖中可以看出永磁體產生的磁場一般經過永磁體、鋼刷、管壁、軛鐵形成一個閉合的磁回路，在有缺陷的地方產生了漏磁，形成漏磁場。

2 二維漏磁場有限元理論

假定管道的材質是均勻的、各處磁導率是相同的[7]。由麥克斯韋方程組能夠確定電流密度J在磁導率為μ的介質中形成的穩定磁場H和磁感應強度B之間的關系。

磁場強度定義變形；再根據邊界條件：，引入矢量磁勢定義

由上式計算能得到控制方程：

根據矢量恒等式

采用圓柱坐標系（r，θ，z），根據軸對稱可得到2.3的簡化形式

式中A，J因其只有周向分量故為標量。

由式2.1與2.4便可得到磁感應強度B的表達式

3 二維漏磁場有限元仿真

運用Ansys有限元分析軟件的電磁場模塊可以對缺陷漏磁場進行仿真。本文中忽略溫度、速度和壓力等因素的影響，從而轉化為分析靜態磁場的求解問題，簡化了求解過程。以Ф325mm×7.1mm的管道為研究對象，在提離值為1mm的情況下對缺陷（長2mm深4mm）進行有限元仿真。建立的仿真模型如下圖2所示：

圖2 缺陷漏磁場仿真模型

模型建立好后需要賦予材料屬性，模型中的永磁體的相對磁導率是1.05，矯頑力為980000奧斯特，軛鐵選用高磁導率的低碳鋼St37，相對磁導率186000，鋼刷采用了與軛鐵磁特性相同的曲線，空氣的相對磁導率為1.0。管壁采用的是常見的X52鋼，為非線性材料，其B-H曲線見圖3。

圖3 X52鋼B-H曲線

對模型進行網格劃分與求解，即可得到缺陷漏磁場磁力線分布情況與矢量圖，如下圖4所示：

圖4 磁力線與磁矢量分布圖

圖4 中給出了缺陷附近的磁力線分布情況和矢量的分布情況，由圖可得缺陷處的磁場分三個部分，一部分通過缺陷，一部分通過剩余管壁，另一部分穿出管壁進入空氣后又回到管壁。其原因是由于空氣與管壁的磁導率不同，磁力線先通過磁導率高的材料后通過磁導率低的材料，剩余管壁內空間無法容納所有的磁力線，因此泄露出管壁進入空氣后又從新進入管壁。對模型求解后便可查看運算結果，具體操作為指定某一路徑，對路徑上的數據進行提取，從而得到缺陷漏磁場信號的軸向分量與徑向分量。如下圖5所示：

圖5 漏磁缺陷信號的軸向分量與徑向分量

藍色曲線為軸向分量，由一個峰值與兩個谷值組成，紫色曲線為徑向分量，由正負值相等的兩個峰值組成。

上圖5中的曲線數據是對長2mm，深4mm的缺陷進行仿真得到的，接下來對與此缺陷右邊界相距1mm的缺陷（長3mm深5mm）進行仿真，得到如下圖6所示的曲線圖：

圖6 漏磁缺陷信號的軸向分量與徑向分量

如上圖6所示，藍色曲線為徑向分量，紫色曲線為軸向分量，隨著深度的增加，缺陷信號的徑向分量的峰值和軸向分量的峰谷值都在增加，但并不是線性增加的。這對缺陷尺寸的量化非常重要。

下面對選擇的路徑的長度重新選取，路徑中包含長2mm深4mm的缺陷和長3mm深5mm的缺陷，提離值不變的情況下得到如下圖7所示的磁力線分布與圖8缺陷信號的軸向分量與徑向分量：

圖7 相鄰缺陷磁力線分布

圖8 相鄰缺陷軸向分量與徑向分量

由圖7可知相鄰缺陷的磁力線分布與單獨的缺陷的磁力線分布基本上是一樣的，只是漏磁場區域增大了。將圖8與圖5和圖6對比可發現對于相鄰缺陷，提取出來的漏磁場軸向分量與徑向分量并沒有單獨分開，而是疊加到一起，相鄰缺陷軸向分量在達到峰值之前曲線有一個抖動，徑向分量在兩個峰值之間也有一個抖動，但沒有軸向分量劇烈。這是由于兩相鄰缺陷之間有一小段距離是無缺陷的，在無缺陷的地方曲線出現回落波動。由此可得，在一定區域范圍內漏磁檢測并不能夠準確量化每一個缺陷，而是要將其看成一個缺陷來量化。

4 總結

管道在運行中會產生腐蝕缺陷，用有限元軟件可以仿真各種各樣的缺陷漏磁場，通過對有限元的仿真分析，得出了相鄰缺陷的漏磁場信號相關規律，為漏磁基礎研究提供參考。