油氣管道相鄰缺陷三維建模及漏磁場有限元仿真分析

侯少星 趙 番 邱 俊 李 瑋

上海市特種設備監督檢驗技術研究院 （上海 200062）

上海壓力管道智能檢測工程技術研究中心 （上海 200062）

隨著我國經濟的不斷發展，對能源的需求日益增加，其中石油、天然氣產品的供應尤為重要。石油、天然氣主要通過油氣管道進行輸送[1-2]，截至2017 年年底，我國的在役油氣管道總里程累計約1.331×105km[3]。隨著管道建成時間的推移，為了保證油氣管道的安全運行，法律法規規定需要對油氣管道進行定期檢驗。

就目前的工程實踐而言，對油氣管道進行內檢測是降低、消除油氣管道風險或事故隱患最有效的技術措施[4]。目前，常采用漏磁檢測、超聲檢測、電磁超聲檢測等無損檢測方式來檢測管道上存在的金屬損失或裂紋等缺陷[5]。其中，漏磁檢測是最有效、最實用的內檢測技術，可以識別并檢測出油氣管道的體積型缺陷，且檢測適應性強、范圍廣、價格合適，是目前應用最廣泛、最成熟的技術[6]。

1 管道相鄰缺陷及有限元仿真方法的應用

在油氣管道的檢驗中，對管道異常處進行開挖驗證后，檢驗出多處管道相鄰缺陷，如圖1 所示。

圖1 管道上發現的近鄰缺陷

在管道上因近鄰缺陷造成的金屬損失處，會形成局部應力集中區，加速缺陷生長，導致管道發生結構性失效或損壞[7]。基于漏磁檢測的技術原理來說，由于近鄰缺陷作用導致磁場發生相互作用，所以近鄰缺陷處的磁場信號與單一缺陷處的磁場信號有所不同。因此，研究近鄰缺陷處的漏磁場分布可以提高漏磁檢測對缺陷的識別能力，從而更好地維護管道，保障管道的安全運行。

目前研究管道缺陷處漏磁場分布主要采用有限元數值求解的方法。二維有限元法已經被應用于研究不同形狀、材料的缺陷，同時也被證明是一種有效的方法[8]。因此可以通過對管道上的近鄰缺陷進行三維建模，研究不同方向、間距及個數的近鄰缺陷對漏磁場分布的影響。

2 管道相鄰缺陷三維建模與參數設置

從電磁場原理來說，采用永磁體對管道相鄰缺陷磁化后，對磁場進行靜態磁場求解。本次選用ANSYS Maxwell 軟件，該軟件是工業界領先的電磁仿真軟件，通過有限元分析計算，可以解決本次仿真所需的靜態磁場仿真求解問題。

管道直徑為508 mm，壁厚為15 mm。鑒于缺陷尺寸為管道壁厚量級，所涉及的漏磁檢測器攜帶的永磁體所形成的磁極跨距小于500 mm，并且磁極將與管道壁以及檢測器上背鐵形成封閉的磁極回路，因此選取管道長度為1 000 mm 可滿足“管道無限長”的仿真條件。

為了研究相鄰缺陷對磁場的分布影響，本次仿真設計了4 對相鄰缺陷模型。

模型一：軸向相鄰缺陷，其中包含2 個軸向長度為t（t 為管道壁厚），周向寬度3 t，深度0.5 t 的矩形槽缺陷，相鄰缺陷之間軸向間距為t。

模型二：軸向相鄰缺陷，其中包含3 個軸向長度為t，周向寬度3 t，深度0.5 t 的矩形槽缺陷，相鄰缺陷之間軸向間距為t。

模型三：周向相鄰缺陷，其中包含2 個軸向長度為3 t，周向寬度t，深度0.5 t 的矩形槽缺陷，相鄰缺陷之間周向間距為t。

模型四：周向相鄰缺陷，其中包含3 個軸向長度為3 t，周向寬度t，深度0.5 t 的矩形槽缺陷，相鄰缺陷之間周向間距為t。

4 對相鄰缺陷模型平面示意圖如圖2 所示。

圖2 相鄰缺陷平面示意圖

為了保證建立的相鄰缺陷模型以及缺陷間距可以通過輸入不同的參數而變化，便于研究相鄰缺陷間的漏磁信號分布特征，采用參數化建模的方法。這樣可以大大縮短建模時間，并且實現更改缺陷參數自動生成模型，從而更加有效地進行仿真分析。檢測器仿真模型包括永磁體、鋼刷、背鐵、管道4 個部分，根據已有的管道漏磁內檢測器的參數進行設計。同樣也可以根據實際情況和仿真情況進行更改。

相鄰缺陷模型一是一對周向矩形缺陷，缺陷沿x 軸對稱分布。在軟件中建立“相鄰缺陷模型一”。

相鄰缺陷模型二是相鄰缺陷模型一的衍生，探究雙側均有相鄰缺陷時漏磁信號的分布特征。模型二中共有3 個缺陷，中間缺陷在x 軸上，其他2 個缺陷沿z 軸對稱分布。在Maxwell 中建立“相鄰缺陷模型二”。

相鄰缺陷模型三是一對軸向矩形缺陷，缺陷的長邊沿管道軸向，2 個缺陷沿管道周向對稱分布。

相鄰缺陷模型四是相鄰缺陷模型三的衍生，共有3 個缺陷，中間缺陷在x 軸上，其他2 個缺陷沿管道周向對稱分布。

隨后對模型組成部分的材質進行定義。

永磁體：需要將管壁飽和磁化，永磁體材料為漏磁檢測器普遍使用的釹鐵硼，其剩磁強度Br=1.18 T，矯頑力Hc=-880 Ka/m，電導率S=625 000 S/m。

管道：材質為目前油氣管道普遍使用的X52 鋼，采用單一磁導率簡化計算，滿足靜態磁場求解需要。

為了簡化計算，背鐵和鋼刷使用與管道相同的X52 鋼。其余區域的材質設置為空氣。最終相鄰缺陷的三維模型如圖3 所示。

圖3 相鄰缺陷模型三維模型

為了更好地觀察求解后的數據，在缺陷四周布置了數據觀察區域，在缺陷和管道表面正上方設置datawindow。dataline 是沿管道軸向分布、提離值為2 mm、長為永磁體跨距一半的“漏磁信號采集線”；datalineC 是沿管道周向分布、提離值為2 mm、長為永磁體跨距一半的“漏磁信號采集線”；dataspace 為提離值為2 mm、長為永磁體跨距一半、寬度為40°的圓弧“漏磁信號采集面”，如圖4 所示。

圖4 相鄰缺陷模型的數據觀察區域

為了平衡求解速度和提高求解精度，對項目模型進行了分區域、分尺寸網格剖分。首先將管道三段化，含缺陷管道段（pipeline）的網格最大長度建議為2 mm；數據觀察區域（dataView）和缺陷區域（defect）為精確求解區域，網格最大長度建議為1 mm；其他求解區域（region）網格最大長度建議為100 mm。圖5 所示為經過有限元網格剖分后的示意圖，缺陷及其周圍的網格剖分十分密集，可以保證求解精度。

圖5 缺陷以及管道網格剖分示意

經過參數化建模和分區域的網格剖分后，對該模型進行有限元數值求解，采用1%的自適應求解精度。

3 相鄰缺陷漏磁仿真信號結果及有限元分析

相鄰缺陷模型的漏磁信號磁場場圖如圖6 所示。相鄰缺陷線圖如圖7～圖10 所示。

圖6 相鄰缺陷模型漏磁信號場圖

圖7 相鄰缺陷模型一漏磁信號強度沿缺陷分布

圖8 相鄰缺陷模型二漏磁信號強度沿缺陷分布

圖9 相鄰缺陷模型三漏磁信號強度沿缺陷分布

圖10 相鄰缺陷模型四漏磁信號強度沿缺陷分布

從4 個相鄰缺陷模型的漏磁場強度分布可以看出，沿管道軸向分布的相鄰缺陷的漏磁場分布與單一軸向缺陷的漏磁場分布較為一致。相鄰磁場的信號采集線生成的磁場分布圖顯示，軸向的2 個和3個相鄰缺陷的漏磁場軸向分量滿足雙峰特性。這說明軸向分布的相鄰缺陷對漏磁場的影響較小，可以近似看作一個單一類型的缺陷。

對于管道周向分布的相鄰缺陷，在漏磁場周向分量中心點有額外的信號峰值，這與單一缺陷的漏磁信號不同。同時，從信號采集線生成的漏磁場分布可以看出，軸向分布的相鄰缺陷間的漏磁場同樣存在信號峰值。這表明相鄰缺陷對漏磁場分布的相互作用。因此，對于周向分布的相鄰缺陷，在檢測環境良好的情況下，可以通過漏磁檢測識別出。

4 結語

對于相鄰缺陷的漏磁檢測，有限元仿真是一種效率和可靠性高的方法，可以有效反映相鄰缺陷的磁場分布。可以通過設計不同類型的相鄰缺陷研究其對漏磁場的影響，從而提高漏磁檢測的精度，識別油氣管道缺陷，保障油氣管道安全有效運行。