蘇 林，成文峰，許志軍，儲(chǔ)玲玉，徐磊華，徐 杰，吉 喆

（1.中石化長(zhǎng)輸油氣管道檢測(cè)有限公司，江蘇 徐州 221008;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 材料與物理學(xué)院，江蘇 徐州221116）

管線鋼管被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣運(yùn)輸，但其在使用過(guò)程中，管體及焊接接頭常因出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。 為了保證管道安全運(yùn)輸，需要定期對(duì)鐵磁性材料 （管道） 進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和安全評(píng)估。 目前常用的無(wú)損檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)、射線照相檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和漏磁檢測(cè)法等。 其中，漏磁檢測(cè)法可檢測(cè)出油氣管道內(nèi)、外壁的金屬損失缺陷，對(duì)體積型缺陷非常敏感，且不需要耦合劑，受外界干擾小，檢測(cè)速度快且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，更適于大面積、長(zhǎng)距離管道的快速檢測(cè)，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)[1-5]。

本研究基于漏磁檢測(cè)原理，采用ANSYS Electromagnetics 電磁場(chǎng)模擬軟件，對(duì)管道中裂紋和氣孔缺陷進(jìn)行了有限元建模與計(jì)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(guī)律，為油氣管道裂紋和氣孔缺陷漏磁信號(hào)特征識(shí)別提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)與參考。

1 漏磁檢測(cè)原理及有限元模型

1.1 漏磁檢測(cè)基本原理

管道漏磁檢測(cè)器一般通過(guò)檢測(cè)器勵(lì)磁裝置和管道本體構(gòu)成磁場(chǎng)回路。 漏磁檢測(cè)技術(shù)是建立在鐵磁性材料高磁導(dǎo)率特性的基礎(chǔ)上，當(dāng)磁化器磁化管道時(shí)，若材料材質(zhì)是均勻連續(xù)的，則材料中的磁感應(yīng)線將被約束在材料中，即鐵磁性的管體對(duì)磁場(chǎng)有聚攏作用，磁通平行于材料表面，且?guī)缀鯖](méi)有磁力線從表面穿出，被檢測(cè)工件表面幾乎沒(méi)有漏磁場(chǎng)[4-6]。

當(dāng)材料中存在切割磁力線的缺陷時(shí)，材料表面的缺陷或組織狀態(tài)變化使磁導(dǎo)率發(fā)生變化，由于缺陷磁導(dǎo)率非常小，磁阻很大，使磁路中的磁通發(fā)生畸變，磁感應(yīng)線流會(huì)發(fā)生變化，除了部分磁通直接通過(guò)缺陷或通過(guò)材料內(nèi)部繞過(guò)缺陷，還有部分磁通會(huì)泄露到材料表面上方，通過(guò)空氣繞過(guò)缺陷再進(jìn)入材料，從而在材料表面缺陷處形成漏磁場(chǎng) （如圖1 所示）。 利用磁敏元件可檢測(cè)出該漏磁信號(hào)，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(jì)算機(jī)輔助工程軟件可以求解漏磁場(chǎng)分布情況[7-14]。

圖1 管道漏磁檢測(cè)原理

1.2 有限元模型

ANSYS 電磁學(xué)是以Maxwell 方程組為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)，利用有限元法來(lái)求解電磁場(chǎng)的一種方法。 恒定電流和永磁體激勵(lì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)屬于靜磁場(chǎng)，可以通過(guò)安培環(huán)路定理、高斯磁通定理及電磁物質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行描述[15]，即

μ——介質(zhì)磁導(dǎo)率。

由于磁場(chǎng)的無(wú)源性，引入矢量磁勢(shì)，則有

由公式 （1） 與公式 （2） 可得

在直角坐標(biāo)系中，公式 （3） 可表示為

上式可通過(guò)有限元方法求解電磁場(chǎng)偏微分方程的近似解，在設(shè)定區(qū)域和邊界條件下即可得到磁場(chǎng)分布。

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

對(duì)于裂紋缺陷，為簡(jiǎn)化模型并便于比較，這里考慮鋼管內(nèi)壁表面裂紋，寬度為0.5 mm，且沿管徑環(huán)向一周，深度分別取 10%t、30%t、50%t 和 70%t （t 為鋼管壁厚） 進(jìn)行模擬計(jì)算。

對(duì)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(gè)變量參數(shù)進(jìn)行比較分析。

2 ANSYS模擬結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證有限元模擬方法的可行性和有效性，圖2 分別給出了無(wú)缺陷和有缺陷時(shí)有限元模擬計(jì)算得到的磁力線分布云圖。 由圖2 可以看出，無(wú)缺陷時(shí)，管道經(jīng)過(guò)勵(lì)磁后，由于其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，因此，絕大部分磁通從管道內(nèi)通過(guò)構(gòu)成回路，即磁力線均勻通過(guò)管體，好像被約束在管體材料中 （見(jiàn)圖2 （a） 中紅色區(qū)域），在提離值位置提取漏磁場(chǎng)的磁通密度分布，結(jié)果顯示其值為一磁通密度近乎為零的水平線； 有缺陷時(shí)，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(hào) （如圖2 （b） 所示），可見(jiàn)，模擬漏磁通是可行且有效的。

圖2 有缺陷和無(wú)缺陷磁力線分布云圖

在實(shí)際應(yīng)用中，影響漏磁信號(hào)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(qiáng)度和材料的應(yīng)力變化以及檢測(cè)裝置的移動(dòng)速度等等，但其中對(duì)磁場(chǎng)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(duì)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(shí)所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)分布特征進(jìn)行分析。

下面分別改變裂紋和氣孔的特征尺寸參數(shù)，通過(guò)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(chǎng)的分布規(guī)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(shí)，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(xiàn)典型的一正一負(fù)兩個(gè)峰； 由圖4 可以看出，By的漏磁信號(hào)則以裂紋中心呈對(duì)稱分布。 當(dāng)裂紋深度較小 （10%t） 時(shí)，Bx和 By的漏磁信號(hào)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(guān)系，該結(jié)果與文獻(xiàn) [3]報(bào)道的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)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(shí)裂紋管磁通密度Bx 分布曲線

圖4 不同裂紋深度時(shí)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(chǎng)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(chǎng)徑向分量峰值和軸向分量峰值與缺陷深度呈近似線性關(guān)系，可以較好地描述缺陷深度，因此，可作為評(píng)價(jià)裂紋缺陷深度的特征量。 該結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，缺陷處漏磁場(chǎng)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(shù)特征存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，可通過(guò)該漏磁信號(hào)特征對(duì)缺陷外形參數(shù)進(jìn)行初步判別，進(jìn)而為管道缺陷實(shí)現(xiàn)精確量化奠定基礎(chǔ)。

圖5 不同裂紋深度時(shí)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(shí)，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(shí)實(shí)際是不存在的（從模型設(shè)計(jì)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(chǎng)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(hào)明顯增強(qiáng)，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(xiàn)典型的一正一負(fù)兩個(gè)峰；而B(niǎo)y則表現(xiàn)出以氣孔中心為對(duì)稱分布的近饅頭峰，且埋入管體相同深度時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jié)果的對(duì)比進(jìn)一步探討氣孔缺陷的漏磁場(chǎng)分布規(guī)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(hào)逐漸減弱，這從計(jì)算上也可以進(jìn)一步說(shuō)明近表面缺陷更易于被檢測(cè)。 對(duì)于較小的氣孔，如孔徑為 0.5 mm 時(shí)，其漏磁信號(hào)均較弱，不同埋入深度下Bx和By的峰值差別均較小 （實(shí)際檢測(cè)時(shí)受檢測(cè)精度的影響可能會(huì)發(fā)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(shuō)明埋入深度對(duì)By峰的峰寬影響較??； 當(dāng)孔徑較小時(shí)（如0.5 mm），不管其距表面距離大小，漏磁信號(hào)均較弱。

3 結(jié) 論

（1） 對(duì)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(qiáng)度均明顯增大。

（2） 對(duì)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(shí)，氣孔距表面越近，漏磁信號(hào)就明顯增強(qiáng)； 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(duì)其影響較小。