基于有限元法的磁层析成像管道应力集中区磁场检测研究_刘琳琳.pdf

2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:国家自然科学基金项目(62101356);辽宁省教育厅高等学校基本科研项目(LJKZ0134)收稿日期:20220819基于有限元法的磁层析成像管道应力集中区磁场检测研究刘琳琳1，2，杨理践1，高松巍1，耿浩1(1沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110870;2辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁抚顺113001)摘要:为了解释磁层析成像法测量的磁信号与应力集中区之间的定量关系，提出了基于磁偶极子理论的应力集中区磁场空间传递模型，利用有限元方法计算和分析管道不同位置的应力集中区磁场信号分析形态。设计了实验平台，对含有应力集中区的钢管进行测量，验证了模型分析方法的可行性。结果表明:磁层析成像法能够检测位于管道任意部位的应力集中区磁场，管外空间畸变磁场形态和趋势与应力集中区磁场一致。随着提离值的增加，管外的磁信号强度发生指数性衰减，也说明采用该方法检测位于管道顶部的应力集中区准确率更高。关键词:磁层析成像;有限元;应力集中区;管道检测;磁记忆信号;磁场分布中图分类号:TM153文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02009306Magnetic Field Detection esearch of Stress Concentration Zone of Pipesby Using Magnetic Tomography Based on Finite Element MethodLIU Lin-lin1，2，YANG Li-jian1，GAO Song-wei1，GENG Hao1(1School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China;2School of Information and Control Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun 113001，China)Abstract:In order to explain the quantitative relationship between the measured magnetic signal detected by magnetic tomo-graphy method and the stress concentration zone，a magnetic field spatial transfer model based on the magnetic dipole theory wasproposed，and the finite element method was used to calculate and analyze the magnetic field signal analysis patterns in the stressconcentration zone at different positions of the pipelineAn experimental platform was designed to measure the steel pipe withstress concentration zone，and the feasibility of the model analysis method was verifiedThe results show that the magnetic field inthe stress concentration zone located at any part of the pipe can be detected by using magnetic tomography method and the patternand trend of the spatial distortion magnetic field outside the pipe is consistent with the magnetic field in the stress concentrationzoneWith the increase of lift-off value，the intensity of magnetic signal outside the pipe decreases exponentially，which also indi-cates that the accuracy of this method is higher in detecting the stress concentration zone located at the top of the pipeKeywords:magnetic tomography;finite element;stress concentration zone;pipeline detection;magnetic memory signal;magneticfield distribution0引言油气管道在长期服役中，由于内部输送的物质具有腐蚀性、所处外部环境(如土壤或海水)对管道的影响以及管体逐渐老化等原因，管体会出现腐蚀、裂纹等安全隐患。为防止油气泄漏、爆管等事故的发生，必须对油气管道进行定期的安全检测。近年来，由 AA Doubov12 提出的金属磁记忆检测法已被广泛用于金属管道应力集中区的检测。然而由于管道自身结构和架设环境等的限制，不能对其实施内检测。由 文 献 3提 出 的 磁 层 析 成 像(magnetictomography method，MTM)是一种基于金属磁记忆效应的无损外检测方法。该方法利用磁强计在管道外测量磁场信号，通过后期的数据处理和对磁信号特征分析，结合地理环境因素，最终确定缺陷和损伤的类型等级和对其定位等。近年来已有多个国家的工程技术人员和学者对该技术的检测机理进行了大量的研究4。K X Liao 等5 基于金属的磁致伸缩和磁场应力检测理论，对非接触式检测方法的原理进行了分析，研究了该方法的检测过程，通过试验结果对检测原理进行了验证。万强等6 研究了应力与磁化强度的唯象关系，基于 ZL 模型建立了管道应力集中区的力磁耦合模型，通过实验验证了该模型对缺陷位置和94Instrument Technique and SensorFeb2023深度的判定效果。C J Li 等7 建立了管道缺陷的磁场强度空间分布模型，讨论了缺陷的梯度模量的空间分布，分析了模型参数对检测结果的影响。韩烨8 研究了非开挖方式磁检测的基本原理，模拟埋地管道环境进行了现场检测，并在某管道现场开挖验证了该技术的可靠性。廖柯熹等9 对非接触式磁力检测的原理进行了分析，采用该方法对埋地管道环焊缝进行了检测，通过对检测结果的分析和与其他检测方法的比较，验证了该方法的可靠性。ZCLi 等10 利用 AM传感器阵列对管道的平底孔缺陷进行了 MTM 实验研究，分析了影响检测结果的扰动因素，建立有限元模型，评估了缺陷和铁磁材料对管道周围磁场造成的扰动。然而，目前的管道 MTM 检测大多是基于磁场强度的梯度阈值判别原理，没有从定量角度解释 MTM的磁信号空间分布规律。由于对检测机理研究的不足，导致不能更加准确地识别损伤和缺陷的类型及地理位置。因此更加深入地研究应力集中区磁记忆信号在管道外空间的传播特性，给出应力集中区磁记忆信号在空间传播的模型，对于更加准确地对管道缺陷等进行检测和定位有重要意义。本文基于 COMSOL 有限元分析平台建立了含有应力集中区的管道模型，应用磁偶极子产生应力集中区磁场，提出了该磁场的空间分布模型，研究了不同位置的应力集中区磁记忆信号在管道外的分布情况。在管道外不同高度检测磁记忆信号，分析应力集中区磁信号的变化规律。1磁层析成像管道检测原理磁层析成像检测是基于金属维拉利效应11 的检测方法。金属由于局部受到应力作用会形成应力集中区，表现为缺陷、腐蚀、裂纹等物理形态12。在地磁场作用下，金属管道会产生较弱的磁记忆信号，该信号在应力集中区表现为磁场畸变13。在磁层析成像法管道检测过程中，工作人员携带检测仪器沿管道轴向查扫、采集磁信号，再通过对检测信号中的畸变区进行危害判别，对管道实施安全监测。本文讨论应力集中区位于管道内壁的情况。采用载流线圈作为磁偶极子1415 建立应力集中区模型。由安培环路定律可知，载流线圈的磁感应强度沿闭合环路的积分与该环路所包含的所有电流之间的关系为Bdl=iIi(1)式中 i为介质磁导率。对磁矢势 A 求旋度可以得出磁感应强度 B:B=A(2)载流体的磁矢势 A 可以表示为A=04sJsds(3)Js可以表示为Jsdv=Idl(4)式中 Js为载流体电流密度矢量。A 和 Js的关系满足泊松方程:2A=0Js(5)根据高斯定理B=0(6)和安培环路定律H=Js(7)可知在管道和管外空气2 种不同介质的分界面两边的磁感应强度和磁场强度满足关系:B1n=B2n(8)H1t=H2t(9)式中:B1n和 B2n分别为管道和空气磁感应强度的法向分量;H1t和 H2t分别为管道和空气中磁场强度的切向分量;n 和 t 分别为法向和切向单位矢量。B1t=1H1t(10)B2t=2H2t(11)为了简化问题，假设管道为线性各项同性的磁介质，磁导率为 2，又已知空气磁导率为 0，于是有:B2=B2nen+B2tet=B1nen+0H2tet=B1nen+(0/2)B2tet(12)载流线圈的坐标系见图 1，可以得出空间中任意一点的磁矢势 A 为A(r)=4j(r)dl(2x+2y+2z)1/2(13)式中 j(r)为电流密度。r 表示空间任意一点 P(r，)的矢径，r表示电流元 Idl 的矢径，为 Idl 到 P 的矢径。三者关系可以表示为=rr(14)=xex+ryey+zez(15)图 1 中，r 与 x轴正向夹角为，r与 z轴正向夹角为。将式(13)代入到式(12)，可以分别得出载流线圈产生的磁感应强度法向 B1n和切向分量 B1ty、B1tx为:第 2 期刘琳琳等:基于有限元法的磁层析成像管道应力集中区磁场检测研究95B1n=141/22a rsinr2 2asin+a2dl(16)B1ty=141/22rcossinr2 2asin+a2dl(17)B1tx=141/22rcoscosr2 2asin+a2dl(18)式中 B1ty、B1tx为磁感应强度在 x轴和 y轴方向的分量。图 1载流线圈坐标系将式(16)式(18)代入式(12)，可以得到载流线圈产生的磁感应强度在管道外空间的表达式为B2=141/22ena rsinr2 2asin+a2dl+02141/22 etxrcoscosr2 2asin+a2dl+etyrcossinr2 2asin+a2dl(19)2模型仿真计算与分析21模型建立在 COMSOL 有限元分析平台建立含有应力集中区的管道模型，载流圆环作为磁偶极子形成应力集中区磁场，对该磁记忆信号在管道外空间的分布进行分析。载流圆环半径为 5 cm，通直流电 10 A，线圈材料为“copper”。管道长度设置为 6 m，内径 70 cm，壁厚2 cm，材料为“soft icon”，其 BH 曲线设置为如图2 所示。管道外设置为空气域，其中空气磁导率为 0=4107N/A2。所有区域采用自由三角形网格划分。图 2BH 曲线为分析不同位置的应力集中区磁场在管道外的分布情况，分别将载流线圈放置在管道内壁的不同位置。管道所在坐标系中，x 轴为周向，y 轴为轴向且位于管道上壁，z 轴为法向，如图3(a)所示。检测传感器在管道上方沿 y 轴负方向至正方向进行查扫。实验中将线圈分别放置在 4 个不同的位置，如图 3(a)和图 3(b)所示。其中位置 3 和位置 4 在管道坐标系中相对z 轴对称，磁场分布特征形同，因此实际分析位置为设定 3 种，即位置 1、位置 2 和位置 3。(a)管道轴向剖面(b)管道周向剖面图 3实验原理示意图22模型结果及分析首先，将载流线圈放置在管道内壁顶部，如图 3(a)中的位置 1。设载流线圈坐标系 Oxyz与管道坐标系 Oxyz 重合。在管道上方沿 y 轴扫查磁信号，图 4为管道外上方不同提离值 H 的磁感应强度分量。提离值依次为 100、200、300 mm。为方便观察应力集中区磁场的分布情况，本文只显示 y=100100 mm 范围内的磁感应强度分布。从图 4(a)可看出，磁感应强度切向分量在扫查路径的 100 mm 出现了过零点，磁感应强度的正负性在此处发生了变化，且在 100 mm 左右两侧分别出现了波峰和波谷。图 4(b)中的法向分量在 100 mm 处出现波峰，此处梯度值最大。100 mm 为载流线圈原点的位置，说明管道外磁感应信号的切向零点和法向峰值出现的位置与应力集中区中心位置对应。且随着提离值增加，磁感应强度发生衰减，磁信号异常发生的区域为100100 mm 之间，而法向分量发生磁信号异常的区域为5050 mm，与载流线圈内径基本相等。表 1 对比了切向分量和法向分量的峰值。96Instrument Technique and SensorFeb2023(a)切向分量(b)法向分量图 4线圈在管道内壁顶部时管道外磁场分布表 1线圈在管道内壁顶部时不同提高的磁感应强度分量峰值H/mm磁感应强度/106nT切向分量法向分量100186409200063101300043016结合表 1 和图 4 可以看出，磁感应强度在管壁外100 mm200 mm 之间的衰减最大，而在大于 200 mm的范围，随着提离值的增加，衰减较小。将载流线圈放置在管道内壁的底部，如图 3(a)中位置 2。此种情况下，线圈坐标系 z轴与管道坐标系的 z 轴重合，y轴与 y 轴、x轴与轴分别平行。按照相同的扫查路径对管道外上方磁信号进行检测，结果如图 5 所示。从图 5 可以看出，切向和法向分量信号不如图 4中的平滑，这是因为此时在管外上方检测到的磁信号是载流线圈的磁场经过复杂路径传输而到达的，受到的干扰较多。载流线圈的磁场先经过管内空气层再穿过管道上壁到达管外，由于空气层磁导率远低于管体，导致磁信号发生了较大的衰减，量级远小于图4 中磁信号。然而磁信号的分布形态和趋势与图 4 是一致的。表 2 中列出了切向和法向分量的峰值。(a)切向分量(b)法向分量图 5线圈在管道内壁底部时管道外磁场分布表 2线圈在管道内壁底部时不同提离的磁感应强度分量峰值H/mm磁感应强度/107nT切向分量法向分量100479983200433408300468092由表2 可见，随着提离值增大，切向和法向信号均随之衰减，但每 100 mm 的提离差峰值的衰减差较均匀。最后，将线圈设置在图 3(b)中的位置 3。与线圈分别在位置 1 和位置 2 不同，当线圈设置在位置 3 或位置 4，在管道外沿 y 轴扫查的磁感应强度法向分量值要大于切向分量。因为位置 3 中，线圈坐标系的 x轴与管道坐标系 y 轴平行，y轴与 z 轴平行且反向，z轴与 x 轴平行。由图 6(a)可以看出，线圈在管内侧面时的切向分量值要小于线圈在管内底部。而图 6(b)与图 5(b)相比，法向分量值要比线圈在底部时大。但分布形态和趋势一致。从表 3 能够看出，线圈在侧面时的衰减规律和线圈在底部时基本一致。第 2 期刘琳琳等:基于有限元法的磁层析成像管道应力集中区磁场检测研究97(a)切向分量(b)法向分量图 6线圈在管内侧面时磁场分布表 3线圈在管道内壁侧面不同提高的磁感应强度分量峰值H/mm磁感应强度/106nT切向分量法向分量100034177200020158300015145对载流线圈位于管道内壁不同位置时不同提离的磁感应强度峰值进行对比，并对其进行数值拟合，如图7 所示。仿真结果表明，随着提离值的增加，管道内壁任意位置的应力集中区在管道外的磁场信号峰值的衰减符合指数函数变化规律。对比图 7(a)图 7(c)可知，与其他 2 种情况相比，当载流线圈位于顶部时，管外上方能检测到的磁感应强度最大，在提离 50 100 mm 之间，衰减差也最大。3实验研究为验证应力集中区磁场在管道外的分布情况，设计了实验平台对管外磁场进行了测量。实验平台由X80 型管件、载流线圈、恒流电源、检测传感器、上位机、数据处理系统等组成。其中，钢管内径 70 cm，壁厚 2 cm，长度 4 m。载流线圈通 10 A 直流电，内径10 cm，将其放置在如图 3 中所示的 3 个不同位置。(a)位置 1(b)位置 2(c)位置 3图 7不同位置的磁感应强度峰值对采用的磁通门传感器量程为 2 mT，精度为 1 nT，灵敏度为 05 nT。为避免边缘效应，检测传感器采集钢管中间 1 m 范围内的磁场信号。由于弱磁信号较易受到周围强磁场影响，为了保证检测信号尽量不受其他磁体的干扰，将实验管件放置在周围没有磁性体、较空旷的环境中。实验过程中，检测传感器在不同提离下，在管道外沿轴向扫查磁场。载流线圈在 3 种不同位置处，提离值 H 分别为100、200、300 mm，管道外的扫查结果如图 8 图 10所示。由图8图10 可见，线圈在不同位置时，管外上方不同提离检测到的磁感应强度曲线都与载流线圈形态一致，具有切向分量过零点、法向分量有峰值的特征，且零点和峰值基本与线圈原点位置一致。测量数据能够很好地反映线圈的位置和磁场畸变的特征。然而，实验环境依然存在一定干扰，测量用管件存在98Instrument Technique and SensorFeb2023(a)切向分量(b)法向分量图 8线圈在管内壁顶部磁感应强度(a)切向分量(b)法向分量图 9线圈在管内壁底部磁感应强度剩磁，导致测量值和仿真值存在一定偏差。4结论应力集中区位于管内顶部、侧面或底部，其磁记忆信号在管道外都是可测的，证明利用磁层析成像方法可以检测管道不同部位的应力集中区。管道外上方的磁场分布形态和分布趋势与应力集中区一致。磁感应强度的法向分量峰值和切向分量的零点位置与应力集中区中心相对应，因此检测信号能够很好地反映应力集中区产生的位置。随着提离值的增大，能够检测到的应力集中区磁场在空间中的磁感应强度发生衰减，符合指数变化规律，能够反映应力集中区的形态。因此，可以从检测信号中判别应力集中区位(a)切向分量(b)法向分量图 10线圈在管内壁侧面磁感应强度置及形态。由此解释了磁层析成像法的检测机理，为磁层析成像管道检测的机理研究提供了理论依据。参考文献:1 DOUBOV A ADiagnostics of metal items and equipment bymeans of 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signalcharacteristics of non-contact pipeline magnetic testingJ Insight，2015，57(6):324330(下转第 126 页)126Instrument Technique and SensorFeb20235结束语本文结合 ACFM 检测原理 与 DPSD 算 法，以FPGA 为核心，对 ACFM 检测系统进行开发，设计线圈式探头，防止检测信号受剩磁干扰;设计模拟前端处理电路，对检测信号进行初步处理;设计 DDS 激励源，提供频率、相位、幅值可调的激励信号;基于 FPGA 实现 DPSD 算法，对检测信号进行自适应滤波以及幅值提取，降低电路规模及功耗，提高检测系统的集成度及灵活度，便于后续对系统进行更新;编写上位机软件显示 Bx、Bz特征曲线及蝶形图，对检测信号进行显示与保存;设计试验验证 ACFM 检测系统的性能。试验结果表明，基于 DPSD 算法的 ACFM 检测系统对钢板上不同特征裂纹具有良好的检出效果，为交流电磁场仪器的开发提供了一种新思路。参考文献:1 刘拓无损检测技术在机械工业中的应用和发展J 中小企业管理与科技(下旬刊)，2020(6):173174 2胡江基于 FPGA 的交流电磁场检测仪的研制及试验 D 南昌:南昌航空大学，2018 3 袁新安，李伟，殷晓康，等基于 ACFM 的奥氏体不锈钢不规则裂纹可视化重构方法研究 J 机械工程学报，2020，56(10):2733 4OWSHANDEL H，NICHOLSON G L，SHEN J L，et alCharacterisation of clustered cracks using an ACFM sensorand application of an artificial neural net-work J NDT andE International，2018，98:8088 5 陈晨，孙宏达，文青山，等蒸压釜釜齿裂纹的 ACFM 检测系统设计与试验研究 J 压力容器，2020，37(10):2328 6 李伟，尚亚期，杨会敏，等基于 STM32 的交流电磁场检测实验系统设计 J 实验室研究与探索，2021，40(11):8689 7DIAO J T，XIE Q Y，LI M，et alBioelectrical 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163com杨理践(1957)，教授，硕士，主要研究领域为长输油气管道检测技术。E-mail:yanglijian888 163com