基于有限元分析的壓力管道外漏磁檢測

楊志軍，曲 鵬，李云輝，張志來，高月輝

(東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318)

石油化工行業中存在著大量的壓力管道，其在運行過程中通常會受到內部介質和外部環境的共同作用，在長期服役后管壁極易發生腐蝕,從而影響管道的使用壽命[1-2]。因此，定期監測管道的腐蝕情況，及時發現并解決問題，減少事故的發生，延長其使用壽命，就成了企業和檢測人員關心的主要問題[3]。

目前國內外有多種檢測管道腐蝕缺陷的方法，其中漏磁檢測技術因具有可在線檢測、檢測速度快、可靠性高、可實現缺陷的初步量化等優點而廣泛應用于石油化工行業[4]。但目前國內對雙磁化結構的管道外漏磁檢測裝置研究較少，故筆者從實際檢測需求出發，基于漏磁檢測原理，建立了雙磁化結構管道外漏磁檢測有限元仿真模型，并在管壁建立半球形腐蝕缺陷，研究在不同缺陷體積、管壁厚度、氣隙厚度、兩磁化結構張開角度等條件下的缺陷漏磁場分布情況，并利用可變徑管道外漏磁檢測儀進行試驗，驗證該裝置對不同深度和不同半徑腐蝕缺陷的檢測效果，以減少壓力管道事故的發生。

1 管道外漏磁檢測的有限元分析

1.1 雙磁化結構管道漏磁檢測

對管道進行漏磁外檢測時，一般采用單磁化結構進行檢測，即磁化單元與管道組成一個磁回路，這種形式雖然能夠對管道缺陷進行有效檢測，但單次檢測區域較小，檢測效率較低。因此可以通過增加磁化結構個數的方式來增大管道的檢測寬度，從而提高檢測效率。

漏磁檢測的雙磁化結構如圖1所示。該結構包括兩個尺寸相同的磁化單元，極靴下端面為弧面，以保證各位置的氣隙厚度相同，磁化單元下方沿管道周向分布有傳感器，當管壁被磁化至飽和或近飽和狀態時，如果管壁存在缺陷，就會產生漏磁通，而漏磁信號能被均布排列的傳感器采集得到。由于兩磁化單元間存在一定的夾角，而張開角度的變化會使兩磁化結構的間距發生改變，進而可能會對局部管道正上方處缺陷漏磁場的分布產生影響。

圖1 雙磁化結構示意

1.2 有限元模型的建立與計算

采用ANSYS軟件建立管道外漏磁檢測有限元模型，首先建立局部管道模型，管道規格(外徑×壁厚)為108 mm×6 mm，以管道內壁表面為坐標原點建立半球形腐蝕缺陷，半球形缺陷的半徑即為缺陷深度，缺陷深度隨半徑的變化而變化，因此所研究的缺陷體積問題就轉化成了缺陷半徑(深度)的問題。在管壁外側建立雙節磁化結構，磁化結構由永磁體、極靴、銜鐵等組成，與管道和氣隙共同組成閉合回路[5]，兩節磁化結構間的夾角為θ，極靴下端設計成與管道曲率相同的弧形，以提高模型求解的正確率，最后在模型外部建立空氣罩。模型選用的模擬單元類型為SOLID 117型，定義空氣與氣隙的相對磁導率為1.0，永磁體的矯頑力為919 000 A·m-1[6]。建立的去除了空氣罩的有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

對各單元進行材料屬性設定后進行有限元網格的劃分，在滿足分析要求的基礎上，采用掃掠網格劃分和自由網格劃分相結合的方式，可有效控制模型中各部分的網格精度，劃分出來的單元為四面體和六面體單元，模型整體網格劃分結果如圖3所示，半球形腐蝕缺陷處的網格劃分結果如圖4所示。

圖3 模型整體網格劃分結果

圖4 半球形腐蝕缺陷處網格劃分結果

網格劃分結束后，對模型施加合適的載荷，在ANSYS軟件的各個模塊中進行有限元分析時都要對其施加載荷，只是每個研究領域所施加的載荷類型有所不同。在磁場的相關研究中，因為模型中載荷是4塊磁鐵，所以模型無需再進行加載，該模型采用單元邊法，因此邊界條件只需設置為磁力線平行于模型表面即可。采用稀疏矩陣求解器對模型進行求解，得到的磁感應強度分布云圖如圖5所示。

圖5 磁場強度分布云圖

通過后處理得到的磁感應強度矢量圖如圖6所示，可以看出由于管道內表面存在腐蝕缺陷，所以缺陷附近的磁導率變小，磁阻變大，磁力線流向發生變化，溢出到管道上方空氣中，從而產生了漏磁通。

圖6 磁感應強度矢量圖

2 缺陷漏磁場密度的影響因素

2.1 缺陷體積對漏磁場的影響

為分析半球形缺陷體積的變化對缺陷漏磁場的影響，利用控制變量法，在氣隙厚度為1 mm，兩磁化結構張開角度為30°的條件下，分別在管道內壁上建立深度(半徑)為壁厚的20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%的半球形腐蝕缺陷。因管道模型的壁厚為6 mm，所以建立上述深度的缺陷時對應的缺陷半徑依次為1.2 mm(20%壁厚)，1.8 mm(30%壁厚)，2.4 mm(40%壁厚)，3 mm(50%壁厚)，3.6 mm(60%壁厚)，4.2 mm(70%壁厚)和4.8 mm(80%壁厚)，改變缺陷半徑，缺陷的深度和體積也會隨之變化。

依次對不同體積缺陷模型進行有限元分析，提取管道外壁上方1 mm處徑向和軸向路徑數據后得到的缺陷漏磁場分布曲線如圖7所示。

圖7 不同體積缺陷的磁通量密度分布曲線

從圖7可以看出磁通量密度徑向分量曲線關于缺陷中點成中心對稱，半球形缺陷體積增大時，缺陷漏磁通密度徑向分量也增大；磁通量密度軸向曲線關于缺陷中點成軸對稱，在缺陷中心處磁通量密度軸向分量達到峰值，缺陷漏磁通密度隨著缺陷體積的增加而增加。

本系統軟件程序全部采用C語言編寫，根據系統所實現的功能可分為數據采集模塊、數據處理和GPRS無線發送模塊。傳感器數據采集模塊采集茶園環境信息，如空氣溫度、濕度，光照強度和土壤含水量及溫度。通過單片機內數據處理，GPRS無線數傳模塊負責將采集到的數據通過無線的方式傳送到監測中心。本系統的軟件設計流程圖，如圖2所示。

圖8為不同體積缺陷的漏磁場磁通密度軸向和徑向分量峰值曲線，可以看出缺陷體積增大時，磁通量密度峰值也呈增大趨勢。

圖8 不同體積缺陷的磁通量密度峰值曲線

2.2 管壁厚度對漏磁場的影響

在石油化工行業中，管道規格的不同，壁厚也會存在差異，因此筆者研究了當半球形缺陷大小不變時，管壁厚度對缺陷漏磁場的影響規律，即缺陷的埋藏深度對漏磁場的影響。

建立內徑為96 mm,壁厚分別為6,8,10,12 mm的管道有限元模型，在內壁建立半徑為2.4 mm的半球形缺陷，氣隙厚度為1 mm，分別對以上4種模型進行有限元分析，求解后在后處理器中定義一條缺陷上方1 mm處沿管道軸向方向的路徑，提取該路徑中的磁場數據，得到在不同壁厚條件下的缺陷處磁通量密度軸向分量和徑向分量分布曲線(見圖9)。

圖9 不同壁厚的缺陷磁通量密度分布曲線

從圖9中可以看出，當壁厚增大時，缺陷處磁通量密度徑向分量絕對值呈減小趨勢，從軸向分量曲線中可以看出，不僅缺陷處磁通量密度發生改變，而且在整條路徑上的磁通量密度軸向分量都隨著壁厚的增大而減小。因此，也可以得出磁通量密度分量隨著半球形缺陷埋藏深度的增大而減小的結論。

2.3 氣隙厚度對漏磁場的影響

利用控制變量法，以管道壁厚的60%為缺陷固定深度，設置兩磁化結構張開角度為30°，分別建立氣隙高度為14 mm時的有限元模型，研究在不同氣隙厚度下的缺陷漏磁場分布規律。圖10為在不同氣隙厚度條件下磁通量密度徑向分量和軸向分量曲線，可以看出氣隙厚度增加時，磁通量軸向分量和徑向分量絕對值均呈現減小趨勢。

圖10 不同氣隙厚度的缺陷磁通量密度分布曲線

圖11為不同氣隙厚度情況下磁通量密度軸向和徑向分量峰值曲線，可以看出磁通量密度峰值隨著氣隙厚度的增加而減小，說明磁化單元距離管道越遠，產生的漏磁信號越弱。

圖11 不同氣隙厚度時的缺陷磁通量密度峰值曲線

2.4 磁化結構張開角度對漏磁場軸向分量的影響

有限元模型中兩磁化結構間的夾角為θ，磁化結構張開角度示意如圖12所示，為研究不同張開角度下磁通量密度的變化規律，利用控制變量法，在氣隙厚度為1 mm，缺陷深度為壁厚60%的條件下，分別建立θ值為30°，32°，34°，36°，38°，40°時的有限元模型，分析不同張開角度條件下的缺陷漏磁場分布情況。

圖12 磁化結構張開角度示意

由于張開角度變化時的漏磁場密度軸向分量更具研究意義，因此筆者主要研究漏磁場軸向分量的分布規律。計算結束后提取管壁上方1 mm處管道軸向的路徑數據，得到的磁通量密度分布曲線如圖13所示。圖14為提取圖13中數據得到的漏磁場軸向峰值曲線，從圖13，14中可以看出，磁通量密度軸向分量曲線關于缺陷中心成軸對稱，并隨著θ的增加而減小，軸向分量峰值也隨θ的增加呈減小趨勢，說明當兩磁化結構間夾角逐漸增大時，缺陷上方沿管道軸向方向的漏磁場強度逐漸減弱。

圖13 不同張開角度的缺陷磁通量密度分布曲線

圖14 不同張開角度時的缺陷磁通量軸向密度峰值曲線

3 檢測試驗

3.1 管道外漏磁檢測裝置

為驗證部分有限元仿真結果的正確性，采用可變徑管道外漏磁檢測裝置進行試驗，圖15,16分別為漏磁檢測系統框圖和裝置實物。

圖15 漏磁檢測系統框圖

圖16 漏磁檢測裝置實物

該裝置由兩節磁化結構組成，并能通過調節磁化結構間的夾角來滿足對不同管徑管道的檢測需求，該裝置能夠對直徑為108143 mm的管道進行缺陷檢測。將管道試件磁化到接近飽和后，使用由霍爾元件組成的傳感器采集得到漏磁信號，并通過數據采集系統將磁信號轉換成電壓信號傳輸到工業計算機中，漏磁掃描分析軟件能夠實現數據的返放以及波形圖和帶圖的顯示，使操作人員能夠快速準確地識別管道缺陷特征。

3.2 管道外漏磁檢測試驗

試驗選取一根外徑為108 mm，壁厚為8 mm的鋼管，鋼管內壁等距布置4個不同深度的半球形人工腐蝕缺陷，缺陷間距為150 mm，深度分別為壁厚的20%,40%,60%,80%，缺陷半徑也與其深度相對應。管道試件缺陷分布如圖17所示，圖18為試驗所用的管道試件實物，試件一側有開孔，在正對孔的內壁有人工腐蝕缺陷。

圖17 管道結構示意

圖18 管道試件實物

在實驗室中進行試驗，檢測時將管道開孔側朝下方放置并使其固定，調節漏磁檢測儀張開角度，使極靴下端的曲率與管道曲率一致，然后將其放置于管道上方，通過數據線將漏磁檢測儀與工業計算機連接，將傳感器的提離距離調節至1 mm，使其處于最佳的信號采集位置，控制檢測儀勻速沿管道經過缺陷位置，檢測時漏磁掃描分析軟件中能夠實時顯示缺陷的波形，檢測完成后保存數據。

試驗所得到的數據三維波形如圖19所示，圖中3個坐標軸分別為漏磁裝置移動的距離、通道數、漏磁信號電壓，傳感器由沿管道圓周方向均勻分布的16個霍爾元件組成，因此能夠采集到16個通道的漏磁數據。從圖19中可以看出缺陷體積越大，檢測到的缺陷信號越強，缺陷處的電壓幅值也越大，且4個幅值波動處的間距約為150 mm，與試件中的缺陷間距一致，因此可以從信號幅值所在通道的位置及有幅值波動的通道數目來對缺陷進行量化及定位。波形數據表明，缺陷體積越大，有幅值波動的相鄰通道數目越多。規格為108 mm×8 mm(直徑×壁厚)的管道的試驗結果與108 mm×6 mm的管道模型的有限元仿真結果一致。

圖19 半球形缺陷漏磁數據三維波形

4 結論

(1)通過ANSYS有限元分析軟件建立管道外漏磁檢測模型，分別得到了在不同缺陷體積和不同氣隙厚度條件下的有限元仿真結果，仿真結果表明半球形缺陷處磁通量密度分量隨著缺陷體積的增加而增加，隨著氣隙厚度的增加而減小。

(2)建立了不同管壁厚度(缺陷埋藏深度)條件下的有限元模型，得到了磁通量密度分布曲線，曲線表明半球形缺陷處的磁通量密度分量隨著管壁厚度(缺陷埋藏深度)的增加而減小，說明半球形缺陷的埋藏深度越大，泄漏到空氣中的漏磁通越少，越不容易被傳感器所采集。

(3)建立了兩磁化結構在不同張開角度時的有限元模型，得到磁通量密度軸向分量曲線和磁通量密度峰值曲線，結果表明磁通量密度軸向分量隨著張開角度的增加而減小，漏磁信號峰值也隨著張開角度的增加而減小。

(4)在實驗室中進行試驗，得到了磁場信號數據，驗證了部分有限元仿真結果的正確性，即半球形缺陷體積越大，裝置采集到的漏磁場信號越強，說明該檢測儀器能夠對半球形缺陷進行有效識別，且可通過波形數據對半球形缺陷進行量化和定位。