焊縫余高及缺陷對管道環焊縫漏磁檢測的影響

郝大洋，饒連濤，劉覺非，蘇 林，成文峰，徐 杰

(1.中國礦業大學 材料與物理學院，徐州 221116；2.管網集團(徐州)管道檢驗檢測有限公司，徐州 221008)

管道運行安全是管道行業的立足之本，通過各類檢測技術及時發現和修復管道缺陷是提升管道安全運行水平的重要手段。因此，提高長輸管道的缺陷檢測與評價水平對保證管道的安全運行尤為重要[1-4]。

在焊接過程中，受焊接參數調節不當等因素影響，焊縫處會出現凹坑、氣孔、咬邊、錯邊、未融合等表面缺陷，而這些缺陷正是導致管道開裂的主要原因。目前，常用的管道無損檢測方法有渦流檢測、磁粉檢測、漏磁檢測、超聲檢測等。由于漏磁檢測具有檢測靈敏度高、不需要耦合劑等特點，漏磁檢測法已成為國內外應用最為普遍的管道無損檢測技術之一[5-7]。

基于漏磁檢測原理，借助COMSOL軟件，采用軸向勵磁方法對焊縫余高和凹坑缺陷處的漏磁場進行了三維仿真，得到了不同參數下的磁通密度徑向分量和軸向分量分布曲線，著重探討了管道環焊縫因余高存在導致的增厚型信號特征與不同余高時缺陷存在導致的減薄型信號特征，以及缺陷位置(管壁、熔合線和焊縫中心)對漏磁信號的影響，提出了增厚型缺陷和減薄型缺陷復合時磁通密度分布曲線的分析方法，為管道焊縫缺陷漏磁信號的特征識別提供了參考。

1 管道環焊縫及缺陷的有限元模型

1.1 幾何模型

采用COMSOL有限元軟件的電磁模塊對管道漏磁檢測進行仿真模擬，管道環焊縫的幾何模型如圖1所示，焊縫中心凹坑缺陷幾何模型如圖2所示。該模型中設管道徑向為坐標軸x方向，軸向為坐標軸y方向，即Bx為磁通密度徑向分量，By為磁通密度軸向分量。為便于比較分析，模擬計算的傳感器提離值、磁化器提離值均取1 mm，即傳感器、磁化器與管道內壁的距離均為1 mm。

圖1 管道環焊縫幾何模型

圖2 焊縫中心凹坑缺陷幾何模型

1.2 材料屬性

由漏磁檢測原理可知，模型中的關鍵部件有管道、管道外側空氣罩、勵磁源、極靴、銜鐵等，模型中需分別對每個關鍵部件的材料屬性進行定義。

該模型中采用永磁體作為勵磁源，設其矯頑力為8 960 kA·m-1，空氣的相對磁導率為1.0。管道材料為Q235鋼，在模擬過程中，為滿足實際需求，對不同的部分采用不同的磁化方式，其中空氣采用相對磁導率磁化，永磁體采用剩磁磁化，管道采用B-H曲線磁化[8]。

2 結果分析與討論

2.1 焊縫余高對漏磁信號的影響

為了研究余高對漏磁信號的影響，取焊縫余高為0.5，1，1.5，2，2.5，3 mm，對不同余高下的磁通密度分布進行計算，得到不同余高下的磁通密度徑向分量和軸向分量分布曲線如圖3所示。

由圖3(a)可知，焊縫處漏磁信號徑向分量Bx呈現典型的一正一負兩個峰，且對稱分布于焊縫中心兩側。Bx峰值隨著焊縫余高的增加顯著增大，即焊縫的漏磁信號強度隨著焊縫余高的增加而顯著增強。由圖4(b)可知，軸向分量By呈現一典型的凸峰特征，即一個波峰、兩個波谷，且By凸峰的峰值和兩側的谷值亦隨著焊縫余高的增加而增大。余高的存在相當于管道焊縫處壁厚增加，相較于管壁處缺陷的減薄，余高的漏磁信號呈現典型的增厚特征，且余高越高，漏磁信號越強[9]。

余高約2 mm的實際管道環焊縫處漏磁信號(牽拉試驗結果)如圖4所示，可見，模擬得到的焊縫處漏磁信號與實際信號特征非常吻合，進一步驗證了有限元模型的準確性與可行性。

圖4 實際管道環焊縫處漏磁信號

為了進一步分析不同焊縫余高下的漏磁信號特征，分別對不同焊縫余高下徑向分量Bx的峰峰值Bx_p-p(見圖5)和軸向分量By的峰谷值By_p-p(見圖6)進行了比較?？梢钥闯龊缚p余高小于2 mm時，Bx_p-p和By_p-p均與余高成近線性關系；超過2 mm時，隨著余高繼續增加，Bx_p-p與By_p-p非線性增大，且增加速率逐步放緩。

圖5 不同焊縫余高下Bx峰峰值Bx_p-p

圖6 不同焊縫余高下By峰谷值By_p-p

2.2 焊縫中心缺陷深度對漏磁信號的影響

對于焊縫中心缺陷，為了便于比較分析，將缺陷簡化為橢球體，設橢球體短半軸沿管子軸向長度方向尺寸不變，均為2.5 mm；長半軸沿管子徑向，即壁厚方向的尺寸為缺陷深度。為了研究不同余高下(13 mm)不同凹坑缺陷深度對漏磁信號的影響，筆者設計了相同直徑、不同深度的9種橢球型缺陷，即取凹坑深度分別為壁厚t的10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%和90%(管道壁厚t為10 mm)，計算不同深度下的漏磁場分布。

焊縫余高為1，2，3 mm時，不同深度橢球形缺陷磁通密度分布曲線如圖7，8，9所示。

圖7 余高1 mm時不同深度橢球缺陷磁通密度分布曲線

由圖7可知，與以往管道單一缺陷的漏磁信號相比，焊縫處缺陷的磁通密度分布曲線發生了明顯的復合現象。以往研究表明，軸向勵磁條件下，管道缺陷漏磁信號的徑向分量Bx分布曲線表現為典型的先負后正極性相反(減薄型)的兩個中心對稱峰[10-11]。由圖7(a)可知，焊縫缺陷的漏磁信號表現為外側先正后負的兩峰中間夾著內側的先負后正的4個對稱分布的復合峰；而軸向分量By分布曲線則表現為外側凸峰中間夾著一個凹峰[見圖7(b)]。對該結果進一步分析可知，焊縫余高所產生的信號上疊加了缺陷的漏磁信號，從而導致磁通密度分布曲線發生復合，且隨著缺陷深度增加，曲線的復合現象越明顯，如徑向分量Bx的外側峰(焊縫余高漏磁信號)峰值逐漸降低，而內側峰(焊縫缺陷漏磁信號)的峰值增加。因此，可以根據曲線的復合程度初步判定焊縫上是否存在缺陷。

由圖8可知，當焊縫余高為2 mm時，不同深度橢球缺陷磁場分布的徑向分量Bx分布曲線和軸向分量By分布曲線與焊縫余高為1 mm時的分布曲線類似，但二者所能檢測的缺陷深度范圍明顯不同，即相同缺陷時，隨著余高增加，內側峰的漏磁信號整體變小，磁通密度分布曲線的復合程度變弱，這里僅能分辨出深度大于80%壁厚缺陷的漏磁信號特征。此外，由牽拉試驗結果可知，當余高達到2 mm時，焊縫中心僅深度大于80%壁厚的缺陷被有效檢出，其余均未被檢出，這與模擬結果吻合。

圖8 余高2 mm時不同深度橢球缺陷磁通密度分布曲線

由圖9結果可以看出，當焊縫余高為3 mm時，磁場分布的徑向分量Bx分布曲線和軸向分量By的分布曲線均未見明顯復合。因此，無法根據曲線的復合有效判定焊縫上是否存在缺陷。

圖9 余高3 mm時不同深度橢球缺陷磁通密度分布曲線

綜上所述，當焊縫余高增加時，根據曲線的復合程度去判斷焊縫上是否存在缺陷的有效范圍變小，即隨著焊縫余高的增大，焊縫上可有效檢測到的缺陷最小深度增大，這說明焊縫余高越大，同樣的缺陷越不容易被檢出。因此，焊縫上的缺陷能否有效檢出與焊縫余高密切相關。

不同焊縫余高下Bx曲線外側峰峰值Bx_p-p(即焊縫余高導致的漏磁信號)如圖10所示，不同焊縫余高下焊縫中心區域峰值By_p-p如圖11所示。由圖10，11可知，焊縫余高相同時，隨著缺陷深度增加，Bx外側峰峰值減小，焊縫中心區域峰值By也減??；缺陷深度相同時，隨著焊縫余高的增大，Bx峰峰值增大，焊縫中心區域峰值By也增大。

圖10 不同焊縫余高下Bx峰峰值Bx_p-p

圖11 不同焊縫余高下焊縫中心區域峰值By_p-p

為了進一步分析復合漏磁信號的特征，對焊縫余高為1 mm,凹坑深度為50%壁厚和焊縫余高為1 mm無缺陷時的磁通密度分布曲線以及兩者的相減曲線進行比較，結果如圖12所示?？梢娤鄿p曲線呈典型的減薄型缺陷漏磁信號特征，進一步證明了焊縫余高與中心缺陷磁通密度分布曲線的復合現象。

圖12 焊縫有、無缺陷時磁通密度分布曲線及其相減曲線

2.3 不同位置橢球缺陷的漏磁信號分布特征

根據牽拉試驗樣管中的缺陷制備方案，相同橢球凹坑處于不同位置時的幾何模型如圖13所示，分為3種典型情況：管壁(左側紅色凹坑)，熔合線(中間綠色凹坑)，焊縫中心(右側藍色凹坑)，不同位置缺陷的磁通密度分布曲線如圖14所示。

圖13 相同橢球凹坑處于不同位置時的幾何模型

由圖14可知，由于所處位置不同，相同缺陷的漏磁信號存在較大差異。其中缺陷位于管壁時的漏磁信號最強，而在焊縫中心時的信號最弱，位于熔合線時的信號強度則介于兩者之間。該結果說明焊縫中心缺陷相較于其他位置的缺陷更難被檢測出來。后進行牽拉試驗，共預制12個圓柱形凹坑缺陷，凹坑直徑為8 mm,位置分別為近焊縫、熔合線和焊縫中心處，其中19號缺陷檢出，1012號缺陷未檢出，這與有限元模擬的結果是一致的(見圖15)，即缺陷位于焊縫中心時的檢測率最低。

圖14 不同位置的缺陷磁通密度分布曲線

圖15 牽拉試驗結果

3 結語

采用COMSOL軟件對不同余高下焊縫中心凹坑缺陷漏磁場分布特征進行了仿真模擬，同時開展了牽拉試驗，得到了以下結論。

(1) 隨著焊縫余高增加，磁通密度徑向分量、軸向分量的峰值均非線性增大。通過牽拉試驗測試結果與模擬結果的對比，驗證了有限元模型的準確性與可行性。

(2) 對于焊縫中心橢球凹坑缺陷，不同余高下可檢測出缺陷的尺寸范圍不同。隨著焊縫余高的增大，可檢測出的缺陷最小深度增大，即相同尺寸的缺陷，焊縫余高越大，越難被檢測出來。因此，焊縫余高的存在及其大小是決定焊縫上缺陷能否被檢測出的關鍵因素。

(3) 不同缺陷位置漏磁信號的分析表明，相同缺陷在管壁處、熔合區、焊縫中心處的漏磁信號強度依次減弱，進一步說明同樣的缺陷在焊縫中心時最不易被檢出，該結果與牽拉試驗結果一致。