管道漏磁檢測缺陷尺寸與信號特征參數關系分析

劉玉明，王繼鋒，湯曉英，左延田

（1.上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062；2.上海壓力管道智能檢測工程技術研究中心，上海 200062）

管道漏磁檢測技術是依靠管道內部輸送介質的推力，推送檢測器沿管道行走，從而實現管道的不停輸檢測［1］。經過內檢測得到管道的實際腐蝕狀況，是對管道本體進行有效維護保養、維修，對防護系統進行評價和改進的基礎，既可提高管道的安全性，也可為延長管道壽命提供有力的技術支撐［2-4］。

管道漏磁檢測技術在國外已經有幾十年的發展歷史，技術相對成熟，如美國的Tuboscope、GE PII、TDW、Qinline 公司， 英國的 British GAS公司，德國的Rosen、NDT等公司的產品已經在市場上大規模應用。在國內，中油管道檢測技術有限責任公司和沈陽工業大學從上世紀90年代率先開展此技術的研究［5-8］。隨著傳感技術和電子技術的發展，高密度、多維度傳感器和高速率信號采集技術得到推廣，其應用為缺陷磁場檢測提供了更加豐富的信息。但受缺陷本身尺寸反演過程的不適定性、檢測干擾因素較多、現場工況復雜、缺陷實際形貌復雜以及技術保密等因素的影響，缺陷量化技術依然是行業的研究熱點和技術難點［9-11］。

缺陷量化技術的核心是缺陷信號的特征選取，Jian Feng等［12］利用有限元方法模擬了不同深度矩形缺陷的軸向和徑向的漏磁場分布，分析了2個分量的漏磁場強度隨深度的變化關系。Abduljalil Mohamed等［13］定義了5個特征統計量，并分別在3個漏磁分量圖上提取特征，得到15個特征參數。文獻［14］模擬了缺陷的徑向分量圖譜，為了減小blooming效應對寬度預測的影響，針對上下幅度尖峰區分別設計了2個可調閾值，并且將缺陷長度和寬度的比值作為一個特征，采用不同的寬度計算方法提高計算精度。文獻［15］設計了各種形狀的缺陷，模擬了漏磁軸向分量圖，提出了一種基于輪廓的缺陷信號起止點定位方法用于預測長度，將預測的長度、寬度以及信號的峰峰值作為輸入特征計算缺陷深度。

文中采用有限元分析軟件對管道仿真建模，分析漏磁檢測中常見特征參數與缺陷長度、寬度及深度間的相互影響關系，以得到缺陷長度、寬度及深度與各特征參數的表征有效性。

1 管道漏磁檢測模型

有限元仿真建模的X52管線鋼管道直徑φ813 mm，壁厚 12.7 mm，檢測器移動速度 2 m/s，傳感器提離高度3 mm。管道漏磁檢測模型中的背鐵材料為10鋼，磁鐵材料為釹鐵硼，鋼刷材料為65Mn彈簧鋼。

完整的管道漏磁檢測有限元模型見圖1。通過對模型參數進行調整，使管道壁達到磁飽和。由于完整模型計算成本太高，故對模型簡化，取1/16模型進行分析，見圖2。通過驗證分析，簡化模型與完整模型計算結果一致，因此文中采用1/16模型進行仿真。簡化模型的磁感應強度云圖見圖 3。

圖1 管道漏磁檢測有限元整體模型

圖2 管道漏磁檢測1/16有限元簡化模型

圖3 管道漏磁檢測有限元簡化模型磁感應強度云圖

2 管道漏磁檢測特征參數

周向信號的提取過程為，首先根據軸向路徑的徑向分量信號確定最大值所在的軸向位置，然后提取此軸向位置所在的周向路徑上的徑向分量信號作為周向信號。

管道漏磁檢測幾種特征參數示意見圖4。需要說明的是，圖4中橫坐標可以是時間也可以是采樣點數，縱坐標是漏磁強度，橫、縱坐標的數值都只是相對值，因此均無單位。

圖4 管道漏磁檢測信號特征示圖

3 管道漏磁檢測缺陷尺寸與特征參數關系

缺陷為管道內部初始尺寸為長度L=60 mm、寬度W=30 mm、深度 H=3 mm的 1個長方體 （圖5）。每次改變單一缺陷變量，保持其余缺陷變量不變，研究缺陷尺寸與特征參數的關系。

圖5 管道漏磁檢測缺陷形狀

3.1 改變缺陷長度

選取缺陷長度 L 分別為 20、30、40、50、60 mm，缺陷寬度與深度保持初始值不變，得到不同缺陷長度下管道漏磁檢測的軸向和徑向信號曲線，分別見圖6和圖7。

圖6 不同缺陷長度下管道漏磁檢測軸向信號曲線

圖7 不同缺陷長度下管道漏磁檢測徑向信號曲線

各缺陷長度下管道漏磁檢測的特征參數值見表1。

從表1可以看出，隨著缺陷長度的增大，軸向峰峰距離、微分信號峰谷距離與軸向閥值長度都是單調遞增的，磁感應強度軸向峰谷值、軸向波形面積、軸向波形能量與磁感應強度徑向峰谷值雖然不是單調遞增，但是變化趨勢一致。周向信號數值無太大變化。

3.2 改變缺陷寬度

選取缺陷寬度 W 分別為 6、12、18、24、30 mm，缺陷長度與深度保持初始值不變，得到不同缺陷寬度下管道漏磁檢測的軸向和徑向信號曲線，分別見圖8和圖9。不同缺陷寬度下管道漏磁檢測的特征參數值見表2。

表1 不同缺陷長度下管道漏磁檢測特征參數值

圖8 不同缺陷寬度下管道漏磁檢測軸向信號曲線

圖9 不同缺陷寬度下管道漏磁檢測徑向信號曲線

表2 不同缺陷寬度下管道漏磁檢測特征參數值

從表2可以看出，隨著缺陷寬度的增大，磁感應強度軸向峰谷值、軸向波形面積、軸向波形能量以及磁感應強度徑向峰谷值都是單調遞增的，軸向峰峰距離、微分信號峰谷距離基本不變。

3.3 改變缺陷深度

選取缺陷深度 H 分別為 1、3、5、7、9 mm，L 與W保持初始值不變，得到不同缺陷深度下管道漏磁檢測的軸向和徑向信號曲線，見圖10和圖11。

圖10 不同缺陷深度下管道漏磁檢測軸向信號曲線

圖11 不同缺陷深度下管道漏磁檢測徑向信號曲線

不同缺陷深度下管道漏磁檢測的特征參數值見表 3。

從表3可以看出，隨著深度的增加，磁感應強度軸向峰谷值、周向波形面積、軸向波形面積、軸向波形能量以及磁感應強度徑向峰谷值都是單調遞增的，軸向峰峰距離、微分信號峰谷距離、磁感應強度微分信號峰谷值基本不變。

表3 不同缺陷深度下管道漏磁檢測特征參數值

4 結語

通過有限元建模仿真不同缺陷尺寸下的管道漏磁信號，分析了幾種常見特征參數與缺陷尺寸之間的相互影響關系，得出與缺陷長度相關的主要特征參數有軸向峰峰距離、微分信號峰谷距離、磁感應強度軸向峰谷值、軸向波形面積、軸向波形能量、徑向峰谷距離及磁感應強度徑向峰谷值；與缺陷寬度相關的主要特征參數有周向峰谷距離、磁感應強度軸向峰谷值、軸向波形面積、軸向波形能量、磁感應強度周向峰谷值及磁感應強度徑向峰谷值；與缺陷深度相關的主要特征參數有磁感應強度軸向峰谷值、磁感應強度周向峰谷值、軸向波形面積、軸向波形能量及磁感應強度徑向峰谷值。