油氣管道缺陷漏磁檢測有限元模擬*

蘇 林，成文峰，許志軍，儲玲玉，徐磊華，徐 杰，吉 喆

（1.中石化長輸油氣管道檢測有限公司，江蘇 徐州 221008;2.中國礦業大學 材料與物理學院，江蘇 徐州221116）

管線鋼管被廣泛應用于石油、天然氣運輸，但其在使用過程中，管體及焊接接頭常因出現裂紋、氣孔等缺陷而造成嚴重的經濟損失。 為了保證管道安全運輸，需要定期對鐵磁性材料 （管道） 進行無損檢測和安全評估。 目前常用的無損檢測方法有渦流檢測、射線照相檢測、超聲檢測、磁粉檢測和漏磁檢測法等。 其中，漏磁檢測法可檢測出油氣管道內、外壁的金屬損失缺陷，對體積型缺陷非常敏感，且不需要耦合劑，受外界干擾小，檢測速度快且易實現自動化，更適于大面積、長距離管道的快速檢測，是目前國內外應用最為普遍的管道內檢測技術[1-5]。

本研究基于漏磁檢測原理，采用ANSYS Electromagnetics 電磁場模擬軟件，對管道中裂紋和氣孔缺陷進行了有限元建模與計算分析，得到了兩種缺陷不同尺寸下的磁通密度徑向和軸向分量的分布規律，為油氣管道裂紋和氣孔缺陷漏磁信號特征識別提供理論基礎和實踐依據與參考。

1 漏磁檢測原理及有限元模型

1.1 漏磁檢測基本原理

管道漏磁檢測器一般通過檢測器勵磁裝置和管道本體構成磁場回路。 漏磁檢測技術是建立在鐵磁性材料高磁導率特性的基礎上，當磁化器磁化管道時，若材料材質是均勻連續的，則材料中的磁感應線將被約束在材料中，即鐵磁性的管體對磁場有聚攏作用，磁通平行于材料表面，且幾乎沒有磁力線從表面穿出，被檢測工件表面幾乎沒有漏磁場[4-6]。

當材料中存在切割磁力線的缺陷時，材料表面的缺陷或組織狀態變化使磁導率發生變化，由于缺陷磁導率非常小，磁阻很大，使磁路中的磁通發生畸變，磁感應線流會發生變化，除了部分磁通直接通過缺陷或通過材料內部繞過缺陷，還有部分磁通會泄露到材料表面上方，通過空氣繞過缺陷再進入材料，從而在材料表面缺陷處形成漏磁場 （如圖1 所示）。 利用磁敏元件可檢測出該漏磁信號，從而判斷缺陷的存在和特征。 利用基于麥克斯韋方程的有限元法和計算機輔助工程軟件可以求解漏磁場分布情況[7-14]。

圖1 管道漏磁檢測原理

1.2 有限元模型

ANSYS 電磁學是以Maxwell 方程組為電磁場分析的出發點，利用有限元法來求解電磁場的一種方法。 恒定電流和永磁體激勵產生的磁場屬于靜磁場，可以通過安培環路定理、高斯磁通定理及電磁物質的關系進行描述[15]，即

μ——介質磁導率。

由于磁場的無源性，引入矢量磁勢，則有

由公式 （1） 與公式 （2） 可得

在直角坐標系中，公式 （3） 可表示為

上式可通過有限元方法求解電磁場偏微分方程的近似解，在設定區域和邊界條件下即可得到磁場分布。

本研究選用X60 鋼級Φ529 mm×9 mm 鋼管，為便于比較，研究均采用軸向勵磁方法對管道缺陷漏磁場進行仿真模擬，探頭提離值取1 mm。 模型中設鋼管磁通密度徑向分量為Bx，軸向分量為By。

對于裂紋缺陷，為簡化模型并便于比較，這里考慮鋼管內壁表面裂紋，寬度為0.5 mm，且沿管徑環向一周，深度分別取 10%t、30%t、50%t 和 70%t （t 為鋼管壁厚） 進行模擬計算。

對于氣孔缺陷，這里考慮孔徑（0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm 和 2.0 mm） 和氣孔中心距管道表面深度 （10%t、30%t、50%t 和 70%t） 兩個變量參數進行比較分析。

2 ANSYS模擬結果與分析

為了驗證有限元模擬方法的可行性和有效性，圖2 分別給出了無缺陷和有缺陷時有限元模擬計算得到的磁力線分布云圖。 由圖2 可以看出，無缺陷時，管道經過勵磁后，由于其磁導率遠大于空氣，因此，絕大部分磁通從管道內通過構成回路，即磁力線均勻通過管體，好像被約束在管體材料中 （見圖2 （a） 中紅色區域），在提離值位置提取漏磁場的磁通密度分布，結果顯示其值為一磁通密度近乎為零的水平線； 有缺陷時，缺陷附近有明顯的磁力線漏出管體，并且在提離值位置可以看到明顯的漏磁信號 （如圖2 （b） 所示），可見，模擬漏磁通是可行且有效的。

圖2 有缺陷和無缺陷磁力線分布云圖

在實際應用中，影響漏磁信號的因素很多，如缺陷的外形尺寸、探頭的提離值、缺陷的延伸方向、管道磁化強度和材料的應力變化以及檢測裝置的移動速度等等，但其中對磁場影響最大的是缺陷的外形尺寸和延伸方向。 本研究主要針對裂紋和氣孔兩種缺陷的特征尺寸，即裂紋沿管壁厚的深度和氣孔的直徑以及距表面不同位置時所產生的漏磁場分布特征進行分析。

下面分別改變裂紋和氣孔的特征尺寸參數，通過比較分析，可以直觀地看到這兩種缺陷不同尺寸下管道漏磁場的分布規律。

2.1 裂紋

圖3 和圖4 分別給出了不同裂紋深度 （10%t、30%t、50%t 和 70%t） 時，裂紋管缺陷處沿管徑方向的磁通密度分量Bx與缺陷處沿鋼管軸向方向的磁通密度分量By的分布曲線。 由圖3 可以看出，Bx呈現典型的一正一負兩個峰； 由圖4 可以看出，By的漏磁信號則以裂紋中心呈對稱分布。 當裂紋深度較小 （10%t） 時，Bx和 By的漏磁信號非常弱； 隨著裂紋深度的增加，磁通密度Bx和By的峰值均呈明顯的遞增關系，該結果與文獻 [3]報道的試驗測試結果一致。 另外，By分布曲線隨裂紋深度的增加逐漸變得尖銳 （如圖4 所示）。

圖3 不同裂紋深度時裂紋管磁通密度Bx 分布曲線

圖4 不同裂紋深度時裂紋管磁通密度By 分布曲線

另外，由圖3 和圖4 可以看出，不同裂紋深度情況下，缺陷漏磁場徑向分量磁通密度和軸向分量磁通密度的曲線形狀基本相同。 圖5 給出了不同深度下，裂紋管磁通密度Bx和By的峰值分布。 由圖5 可以看出，隨著裂紋深度的增加，漏磁場徑向分量峰值和軸向分量峰值與缺陷深度呈近似線性關系，可以較好地描述缺陷深度，因此，可作為評價裂紋缺陷深度的特征量。 該結果進一步說明，缺陷處漏磁場磁通密度分布的徑向分量和軸向分量的分布特征與缺陷外形參數特征存在對應關系，可通過該漏磁信號特征對缺陷外形參數進行初步判別，進而為管道缺陷實現精確量化奠定基礎。

圖5 不同裂紋深度時裂紋管磁通密度Bx 和By 峰值分布

2.2 氣孔

2.2.1 同深度不同孔徑

圖6 和圖7 分別給出了氣孔中心距表面深度分別為 10%t、30%t、50%t 和 70%t 時，不同孔徑的磁通密度徑向分量Bx和軸向分量By的分布曲線。 考慮直徑為2.0 mm 的氣孔在距表面深度10%t （即0.9 mm 處） 時實際是不存在的（從模型設計的角度看，其幾何形式更近似表面凹坑缺陷，限于篇幅，凹坑缺陷的漏磁場分析將在其他文章中探討），因此，此處不做比較，故圖6 （a） 和圖7 （a） 中僅有 3 條曲線。

由圖6 和圖7 可以看出，隨著孔徑的增大，漏磁信號明顯增強，即距表面相同深度下，磁通密度Bx和By的峰值均隨著孔徑的增加而顯著增大。 徑向分量Bx也呈現典型的一正一負兩個峰；而By則表現出以氣孔中心為對稱分布的近饅頭峰，且埋入管體相同深度時，隨著孔徑的增加，峰寬明顯增大。

圖6 氣孔中心距表面深度分別為10%t、30%t、50%t 和70%t 時，不同孔徑的Bx 分布曲線

圖7 氣孔中心距表面深度分別為10%t、30%t、50%t 和70%t 時，不同孔徑的By 分布曲線

2.2.2 同孔徑不同深度

從同孔徑、不同深度結果的對比進一步探討氣孔缺陷的漏磁場分布規律。 圖8 和圖9 給出了孔徑分別為 0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm 和 2.0 mm 時，距表面不同深度 （10%t、30%t、50%t 和 70%t） 的磁通密度徑向分量Bx和軸向分量By的分布。

圖8 孔徑分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm 時，距表面不同深度的Bx 分布曲線

圖9 孔徑分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm 時，距表面不同深度的By 分布曲線

由圖8 和圖 9 可以看出，相同孔徑下，隨著氣孔距表面深度的增大 （即氣孔埋入管體越深），氣孔缺陷的漏磁信號逐漸減弱，這從計算上也可以進一步說明近表面缺陷更易于被檢測。 對于較小的氣孔，如孔徑為 0.5 mm 時，其漏磁信號均較弱，不同埋入深度下Bx和By的峰值差別均較小 （實際檢測時受檢測精度的影響可能會發生漏檢）。 另外，相同孔徑，不同埋入深度氣孔By的峰寬差別不明顯，這說明埋入深度對By峰的峰寬影響較小； 當孔徑較小時（如0.5 mm），不管其距表面距離大小，漏磁信號均較弱。

3 結 論

（1） 對于裂紋缺陷，隨著裂紋深度的增加，磁通密度徑向分量、軸向分量的峰值強度均明顯增大。

（2） 對于氣孔缺陷，在距表面相同深度下，磁通密度Bx和By的峰值均隨氣孔的孔徑增加而顯著增大； 相同孔徑時，氣孔距表面越近，漏磁信號就明顯增強； 另外，By的峰寬受氣孔的直徑大小影響明顯，而埋入管體深度對其影響較小。