基于管道漏磁内检测的缺陷解析方法.pdf

无损检测2023年第45卷第5期46DOI:10.11973jc202305009试验研究基于管道漏磁内检测的缺陷解析方法吕连鑫，杨理践，耿浩，刘屹然（1.沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳110 8 7 0；2.国家管网集团油气调控中心，北京10 0 0 13）摘要：为了更准确地分析管道内壁常见的腐蚀孔洞缺陷，采用三维圆锥模型模拟腐蚀孔洞缺陷，提出一种基于管道漏磁内检测的圆锥缺陷解析方法。以磁荷为纽带建立圆锥缺陷解析模型，得到了缺陷处漏磁场的解析表达式；分析了缺陷深度和半径对缺陷漏磁信号的影响规律，并通过有限元仿真对理论计算结果进行了验证。结果表明，建立的圆锥缺陷解析模型计算结果与仿真分析得到的圆锥缺陷漏磁场分布具有很好的一致性，漏磁信号幅值与圆锥缺陷深度呈正相关，与圆锥缺陷半径、提离值呈负相关，所建模型可有效描述管道内壁腐蚀孔洞的漏磁场分布，为解决管道漏磁内检测问题提供了一种新思路。关键词：管道漏磁内检测；磁偶极子模型；圆锥缺陷；永磁励磁中图分类号：TM153+.1;TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 56(2 0 2 3)0 5-0 0 46-0 5Defect analysis method based on pipeline magnetic flux leakage internal detectionLU Lianxin,YANG Lijian,GENG Hao,LIU Yiran?(1.School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China;2.PipeChina Oil&Gas Control Center,Beijing 100013,China)Abstract:In order to analyze the common corrosion hole defects in the inner wall of pipeline more accurately,athree-dimensional conical model was used to simulate the corrosion hole defects and a conical defect analytic methodof pipeline internal detection based on magnetic flux leakage(MFL)was proposed.The analytic model of conicaldefect was established by using magnetic charge as the link and the analytic expression of magnetic leakage field atthe defect was obtained.The influence of defect depth and radius on defect MFL signal was analyzed and thetheoretical calculation results were verified by finite element simulation.The results show that calculation resultsbased on cone defect analytic model had rather better consistency with magnetic flux leakage field distribution ofcone defect by simulation analysis.The amplitudes of magnetic flux leakage signals were positively related to conedefect depths,negatively related to cone defect radius and lift-off values.The model can effectively describemagnetic flux leakage distribution of the pipeline internal corrosion holes and provide a new idea for solving pipelinemagnetic flux leakage internal detection.Key words:magnetic flux leakage pipeline internal detection;magnetic dipole model;conical defect;permanentmagnet excitation漏磁内检测方法抗干扰能力强，检测效率高，无收稿日期：2 0 2 2-0 3-11基金项目：国家自然科学基金项目（6 2 10 1356）；辽宁省教育厅高等学校基本科研项目（LJKZ0134）作者简介：吕连鑫（1997 一），女，硕士研究生，主要研究方向为管道漏磁内检测技术及相关理论通信作者：杨理践，教授，主要从事长输油气管道内检测技术及相关理论、无损检测技术研究工作，需耦合剂，更适合长输油气管道缺陷的快速筛查，是目前应用广泛的管道检测方法 1-3。O针对管道缺陷分析方法，各国学者展开了大量研究。吴德会等 4通过对裂纹进行有限元分析，估算了缺陷的几何形状。LI等 5 通过建立缺陷的空间分布模型，揭示了缺陷与磁偶极子的定量关系。廖昌荣等 6 、HUANG等 7 通过建立V型磁荷模型，为缺陷参数评估奠定理论基础。CACIAGLI无损检测2023年第45卷第5期47基于管道漏磁内检测的缺陷解析方法吕连鑫，等：等 8 研究了有限长圆柱体磁场解析式，计算出了任意磁化方向圆柱体磁场。SURESHE9等提出了预测铁磁管表面缺陷漏磁信号的分析模型，该模型可以快速预测缺陷信号。针对管道内壁常出现的孔洞腐蚀缺陷，在假设相对磁导率恒定的情况下，研究了圆锥缺陷表面磁荷的分布情况，建立了圆锥缺陷漏磁场磁偶极子模型，得到了圆锥缺陷漏磁场分布与圆锥缺陷尺寸、提离值、管道材料磁化强度之间的量化关系，完善了管道缺陷的磁偶极子模型理论。1漏磁内检测原理管道漏磁内检测技术在管道材料具有较高磁导率的基础上，通过永磁体对管道进行磁化，使其达到磁饱和状态来实施检测。检测时，若管壁不存在缺陷，磁力线与管道内部平行；若管壁存在缺陷，磁力线被缺陷阻隔，部分磁力线泄露至管道表面，形成漏磁通。通过磁敏元件对漏磁场进行测量，根据检测信号的幅值、斜率等信息可得到管道缺陷的类型和大小 10 管道漏磁内检测原理如图1所示。磁敏轭铁一元件永磁体永磁体钢刷钢刷一缺陷带有表面缺陷的钢板图1管道漏磁内检测原理示意永磁体、钢刷、轭铁和磁敏元件与管壁形成闭环。缺陷的几何形状、传感器提离值的选择均会影响漏磁信号的分布。2圆锥缺陷解析模型建立管道缺陷漏磁场解析计算主要以磁荷为纽带，分析缺陷处漏磁场的分布特征。被磁化的磁介质内部磁通密度(B)与磁场强度(H)的关系为B=o(H+M)(1)式中：M为磁化强度；o为真空磁导率。假设相对磁导率为常数，由公式(1)可得到M(2)r由麦克斯韦静磁方程B=O可知V.M=0(3)根据磁偶极子理论，可将圆锥缺陷视为侧壁均匀分布磁荷的表面缺陷模型，圆锥侧壁一侧分布正磁荷，一侧分布负磁荷，与轴呈对称分布。圆锥缺陷的磁极分布如图2 所示。dHdpP(ac,y,h)doM图2圆锥缺陷的磁极分布图2 中，以圆锥上表面的圆心为原点创建三维坐标系，圆锥的半径为R（），深度为b，外加磁场方向为轴正方向。圆锥侧面单位面积内包含的磁荷总数为dp，d o 为微分单元沿轴的角度，角度与圆锥缺陷的半径、深度相关，是圆锥缺陷的形状角。P为外部空间任意一点，位置向量为r，其到微分单元dp的向量为t。退磁场强度H可以表示为17.M(s)H(t)dV(s)+4元13n(s)M(s)(t)dS(s)(4)4元t3式中：V为铁磁体体积；S为铁磁体表面积；s为曲面元素的位置向量；n为圆锥缺陷的法向矢量。式（3)消除了式（4)中的体积积分，认为漏磁场仅由表面磁荷引起。MtH(r)dS(s)(5)4元t3S式中：j为三维坐标分量。式（5）的微分形式为1dH(r)dp(s)(6)4元t3微分单元所包含的磁荷总数dp（s）为dp(s)=MsinOsindS(s)（7)元件的表面积计算式为dS=R(z)dzdo(8)已知磁荷单元在P点产生的磁场强度dH为dpdH(9)4元3点P处的漏磁场强度H表示为MtHsinsindS(s)(10)4元It3S无损检测2023年第45卷第5期48图3不同圆锥缺陷深度的漏磁场分布曲线（计算结果）基于管道漏磁内检测的缺陷解析方法IDT吕连鑫，等：式(10)中,s的坐标为 R(z)cos,一R(z)sin,之，则t=-R(z)cos Osini+(11)Ly-R(z)sin sinj+(h一z)k式中：i，k 为三维坐标分量。则圆锥缺陷漏磁场分布强度的轴向、径向、切向分量H,H,H为2元0MtHR(z)sin Osin dzdo(12)4元t362元0MtHR(z)sin Osindzdo(13)V4元t3062元MH.R()sin Osin dzde(14)4元式中：t，t,t 分别为t在a,y，轴上的分量。由式(12)（14)可知，圆锥缺陷的漏磁场强度受外加磁化场强度、圆锥缺陷几何尺寸、传感器位置的影响。3解析模型计算为分析不同影响因素对漏磁场分布的影响，进一步完善漏磁检测技术的理论研究，利用编程软件呈现函数图像，分析模型的有效性和缺陷漏磁场的分布规律。3.1不同缺陷深度对漏磁信号的影响分析缺陷深度对漏磁信号的影响，设置缺陷半径为4mm，提离值为2 mm，缺陷的深度由1.6 mm逐次增加至2.2 mm（步长为0.2 mm）。不同圆锥缺陷深度的漏磁场分布曲线如图3所示。由图3(a)可知，随着管道内壁圆锥缺陷深度的增大，缺陷漏磁场轴向分量趋势走向基本不变，峰值随之增大；图3(b)表明随着管道内壁圆锥缺陷深度的不断增大，漏磁通增多，漏磁场径向分量的峰值也随之增大。3.2不同缺陷半径对漏磁信号的影响分析缺陷半径对漏磁信号的影响，设置缺陷深度为6 mm，提离值为2 mm，缺陷的半径由4mm逐次增加至10 mm（步长为2 mm）。不同圆锥缺陷半径的漏磁场分布曲线如图4所示。由图4(a)可知，随着圆锥缺陷半径的增大，圆锥缺陷漏磁场轴向分量的峰值减小，峰谷值对应的轴向距离增大；图4(b)表明径向分量两峰之间的距离随着轴向长度的增加而减小，两峰值间对应的轴向距离随着半径的增大而减小。25-1.6mm20Gr-U.V)/-1.8mm.2.0mm152.2mm1050-5-101-60-40-200204060ac轴磁化方向扫查位移/mm(a)轴向分量251.6mm(r-.V)/-1.8mm15.2.0mm.2.2mm5-5-15-25-60-40-200204060轴磁化方向扫查位移/mm(b)径向分量25-4mm(-.V)/20-6mm.8mm1510mm1050-5-101-60-40-200204060轴磁化方向扫查位移/mm(a)轴向分量25-4mm(r-.V)-6mm15.8mm-.10mm55-15-251-60-40-200204060轴磁化方向扫查位移/mm(b)径向分量图4不同圆锥缺陷半径的漏磁场分布曲线（计算结果）3.3不同提离值对漏磁信号的影响分析传感器提离值对漏磁信号的影响，设置缺陷深度为4mm，缺陷半径为6 mm，传感器的提离值由2 mm逐次增加至5mm（步长为1mm）。不同提离值下的漏磁场分布曲线如图5所示。由图5(a)可知，随着传感器提离值的增大，圆锥缺陷漏磁场轴向分量的峰值减小，提离值为2mm时，轴向分量峰值最大，峰谷值最大；图5（b）无损检测2023年第45卷第5期49基于管道漏磁内检测的缺陷解析方法吕连鑫，等：25-2mm20-.3mm(Gr-U.V)/E.4mm15.-5mm1050-5-101-60-40-200204060ac轴磁化方向扫查位移/mm(a)轴向分量25-2mm-.3mm(r-.)/15.4mm.5mm5-5-15-2511-60-40-200204060轴磁化方向扫查位移/mm(b)径向分量图5不同提离值下的漏磁场分布曲线（计算结果）表明圆锥缺陷漏磁场径向分量峰值、峰谷值随着传感器提离值的增加而减小。检测装置与缺陷的距离越远，感知到的磁通密度值越小，检测到的信号相应减弱。所以，检测时应选择合适的提离值，保证精度，减小误差。4仿真与结果分析利用有限元仿真方法对圆锥解析模型的正确性进行验证，通过永磁励磁的方法对长为2 0 0 mm，宽为50 mm，深为30 mm的钢板进行磁化。采用控制变量法，分别将圆锥缺陷的半径、深度、提离值作为变量，分析缺陷尺寸、检测位置对漏磁信号的影响，并与编程结果进行对比分析。4.1不同缺陷深度对漏磁信号的影响验证缺陷深度对漏磁场影响的一致性时，圆锥缺陷位于钢板的中心处，改变缺陷深度，设置缺陷半径为4mm，提离值为2 mm，缺陷深度分别为1.6，1.8,2.0，2.2 mm，利用有限元分析软件建立仿真模型，分析不同圆锥缺陷深度下的漏磁场分布。不同缺陷深度下的磁通密度曲线如图6 所示。由图6(a)可知，漏磁场径向分量峰值随着缺陷深度的增大而增大；图6(b)表明轴向分量峰值变化趋势与径向分量峰值变化趋势相同，径向分量和轴向分量曲线的基本形态不发生改变。有限元仿真试验得到的漏磁场分布曲线与解析式编程结果趋势相符、量级相同。151.6mm10-1.8mm.2.0mm5.2.2mm0-5-10-15-60-40-200204060轴磁化方向扫查位移/mm(a）径向峰值曲线151.6mm10-.1.8mm.2.0mm52.2mm0-5-10-1511-60-40-200204060c轴磁化方向扫查位移/mm(b)轴向峰值曲线图6不同缺陷深度下的磁通密度曲线（仿真）4.2不同缺陷半径对漏磁信号的影响验证缺陷半径对漏磁场影响的一致性时，圆锥缺陷位于钢板的中心处，改变缺陷半径，设置缺陷深度为6 mm，提离值为2 mm，缺陷半径分别为4，6，8，10 m m，利用有限元分析软件建立仿真模型，分析不同圆锥缺陷半径下的漏磁场分布，不同缺陷半径下的磁通密度曲线如图7 所示。由图7(a)可知，径向分量两峰之间的距离随着30-4mm-6mm(-.V)/20.8.mm.10mm100-10-20-301-60-40-200204060轴磁化方向扫查位移/mm(a)径向峰值曲线15-4mm10-6mm.8mm-10mm0-5-10-15-60-40-200204060ac轴磁化方向扫查位移/mm(b）轴向峰值曲线图7不同缺陷半径下的磁通密度曲线（仿真）无损检测2023年第45卷第5期50基于管道漏磁内检测的缺陷解析方法吕连鑫，等：半径的增加而减小；图7（b)表明轴向分量峰值随缺陷半径增大而减小。有限元仿真试验得到的漏磁场分布曲线与建立的三维缺陷漏磁场模型所得结果相符，验证了缺陷半径对漏磁场分布影响的一致性。4.3不同提离值对漏磁信号的影响验证提离值对漏磁场分布影响的一致性时，圆锥缺陷位于钢板的中心处，改变提离值，设置缺陷深度为4mm，缺陷半径为6 mm，提离值分别为2,3，4，5，6 m m，利用有限元分析软件建立仿真模型，分析不同缺陷深度对漏磁场径向分量和轴向分量的影响，不同提离值下的磁通密度曲线如图8 所示。152 mm一.3mm(r-.V)/10.4.mm-5mm50-5-10-15-60-40-200204060轴磁化方向扫查位移/mm(a)径向峰值曲线15-2mm(r-.V)/-3mm10.4.mm5-5mm0-5-10-15-60-40-200204060轴磁化方向扫查位移/mm(b）轴向峰值曲线图8不同提离值下的磁通密度曲线（仿真）由图8(a)可知，缺陷漏磁场径向分量峰值随着提离值的增加而减小；图8（b)表明轴向分量的峰值随提离值增大而减小。当提离值为2 mm时，轴径向分量峰值最大，峰谷值最大；当提离值过大时，轴径向分量峰值变化趋于平缓。仿真试验得到的提离值对漏磁场分布影响与所建模型得到的结果相同，验证了两者的一致性。5结论（1）基于圆锥缺陷解析方法的漏磁场分布与仿真数据具有很好的一致性，为有效检测管道孔洞腐蚀缺陷提供了一种新的思路。（2）管道圆锥缺陷漏磁场轴、径向信号峰值随缺陷深度增大而增大，随半径、提离值增大而减小。（3）管道漏磁内检测过程中应选取适当的提离值，避免因提离值过大造成漏磁信号失真。参考文献：1于永亮，业成，杨志军，等.管道补板漏磁检测信号的研究J.无损检测，2 0 2 1，43（8）：31-35.2戴光，吴忠义，朱祥军，等.管道内外壁缺陷的漏磁检测 J.无损检测，2 0 18，40（3）：19-2 3，2 8.3杨理践，耿浩，高松巍，等.高速漏磁检测饱和场建立过程及影响因素研究 J.仪器仪表学报，2 0 19，40(10):1-9.4吴德会，刘志天，王晓红，等.表面缺陷的方向性对漏磁场分布的影响J.物理学报，2 0 17,6 6（4)：0 48 10 2.5LI C J,CHEN C,LIAO K X.A quantitative study ofsignal characteristics of non-contact pipeline magnetictesting JJ.Insight-Non-Destructive Testing andCondition Monitoring,2015,57(6):324-330.6廖昌荣，廖，韩亮，等.铁磁构件表层裂纹漏磁场分析及检测系统 J.重庆大学学报，2 0 12，35（10）：7 6-84.7HUANG R R,LI H M,JIANG M Y,et al.Magneticcharge model of defect in magnetic flux leakagetesting J .In t e r n a t i o n a l Jo u r n a l o f A p p l i e dElectromagnetics and Mechanics,2020,64(1/2/3/4):1315-1323.8CACIAGLI A,BAARS R J,PHILIPSE A P,et al.Exact expression for the magnetic field of a finitecylinder with arbitrary uniform magnetization J.Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2018,456:423-432.9SURESH V,ABUDHAHIR A.An analytical modelfor prediction of magnetic flux leakage from surfacedefects in ferromagnetic tubes J.MeasurementScience Review,2016,16(1):8-13.10杨理践，耿浩，高松巍.长输油气管道漏磁内检测技术J.仪器仪表学报，2 0 16，37（8）：17 36-17 46.