管道外自动漏磁检测技术及试验

戴 光，郑克耀，杨志军，刘延雷，王 兵

(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318；2.杭州市特种设备检验研究院，杭州 310051)

管道外自动漏磁检测技术及试验

戴 光1，郑克耀1，杨志军1，刘延雷2，王 兵2

(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318；2.杭州市特种设备检验研究院，杭州 310051)

针对地面管道的运行特点，基于漏磁检测技术理论，设计了一种适用于多种管径的管道外部自动检测装置，并通过有限元仿真和试验，对管壁上不同深度和直径的腐蚀缺陷进行模拟和检测，分别得到了管道缺陷的不同参数对漏磁场的影响规律。仿真和试验结果具有一致性。另外，从管道内、外壁缺陷检测结果看，所设计的漏磁检测仪对管道内、外壁缺陷的检测同样有效。

管道；腐蚀；漏磁检测；自动检测；有限元

在石油化工行业中存在着大量的地面管道，此类管道长期受内部介质和外部空气等因素影响，非常容易发生腐蚀，情节严重的将产生穿孔，从而发生介质泄露、管道爆炸等事故，严重威胁生命财产安全[1]。对管道进行缺陷检测，及时掌握地面管道的腐蚀程度，并对缺陷进行修复和评估，能有效确保管道安全，延长管道的工作寿命[2]。漏磁检测技术可实现管道的在线检测，而且检测速度快，方便可靠，在管道的无损检测中得到了广泛的应用[3]。

然而，在目前的工程应用中，漏磁检测仪器设备多采用人力驱动或者人工辅助电力驱动方式进行扫描检测，大大增加了劳动强度，也降低了检测效率;且在检测中更多地引入了人为的不确定因素，并易产生漏检和重复检测的情况，影响检测结果的正确性和可靠性。为此，笔者设计了一种直流电机驱动的、可换向、适用于不同管径的漏磁检测装置，通过有限元仿真和试验，验证了该装置的有效性和可行性，使其能成功地应用到工程实践中去。

1 管道漏磁有限元仿真分析

在管道检测过程中，要注意的缺陷主要有两种类型：腐蚀缺陷和裂纹缺陷。裂纹缺陷一般很窄，只在一个平面内展开，对裂纹类缺陷检测和量化的难度较大[4]。笔者主要针对在役地面管道的点蚀坑、凹槽、湖形等腐蚀型体积缺陷进行漏磁检测技术的研究，将腐蚀缺陷近似为圆柱体进行仿真分析。

1.1 有限元模型的建立与求解 在ANSYS软件中采用棱边单元法，以solid117单元为单元类型，人为建立圆柱形腐蚀缺陷，选取管道局部特征建立分析模型，有限元分析模型如图1所示。

图1 有限元分析模型

对各单元进行材料属性设定后进行有限元网格的划分。在满足分析要求的基础上，选择自由网格划分的方式，采用四面体网格形状对有限元模型进行网格划分，缺陷处网格划分结果如图2所示。

网格划分完毕，对分析模型施加狄利克雷边界条件，采用稀疏矩阵求解器对模型求解计算，得到模型磁场强度分布云图如图3所示。

图3 磁场强度分布云图(去除空气罩)

从图4的磁感应强度矢量图中可以清楚地看出，磁场在管道缺陷处发生了畸变，缺陷处明显有磁力线溢出，产生了漏磁场。在缺陷上方1 mm处沿管道轴向设置路径，对缺陷处磁通量密度进行提取，可以得到缺陷处磁通量密度特征曲线[5]。

图4 磁感应强度矢量图

1.2 缺陷的直径对缺陷处漏磁场的影响规律分析

利用控制变量法，实现对缺陷直径的单一变量控制，以被研究管道厚度的50%(文中取4.5 mm)为固定缺陷深度，分别取2,3,4,5,6,7,8 mm为直径，分析缺陷的直径对缺陷处漏磁场的影响规律。计算求解完成后，按照定义好的路径提取出缺陷处磁通量密度分布曲线，不同直径的缺陷磁通量密度分布曲线如图5所示。

图5 不同直径的缺陷磁通量密度分布曲线

缺陷处的磁通量密度径向分量以缺陷中点为中心呈现中心对称分布，轴向分量以缺陷中点为中心呈现轴对称分布，磁通量密度径向分量随着缺陷直径的增大呈先增大后减小的趋势，轴向分量则随缺陷直径的增大而减小。而且径向分量曲线中的正负峰值间距和轴向分量曲线中的两拐点间距均随着缺陷直径的增大而增大，此仿真结果在实际检测中可以为缺陷的识别和量化提供必要依据。

1.3 缺陷的深度对缺陷处漏磁场的影响规律分析

同样利用控制变量法，对缺陷深度进行单一变量控制，用管外壁圆柱坑模拟管道腐蚀缺陷，将缺陷的直径设定为5 mm，缺陷的深度分别取为被研究管道壁厚的20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%进行仿真分析。仿真求解完成后，提取出缺陷处磁通量密度分布曲线，不同深度的缺陷磁通量密度分布曲线如图6所示。

图6 不同深度的缺陷磁通量密度分布曲线

从图6可以看出，对于具有同一直径、不同深度的圆柱形腐蚀缺陷，随着腐蚀深度的增大，缺陷处磁通量密度径向分量和轴向分量均呈现增大的趋势。

2 管道外自动漏磁检测仪

针对以往使用管道漏磁检测仪时劳动强度大、检测效率低的特点，设计了一种可以自动行走、可换向、可变径的管道外自动漏磁检测仪(见图7)。

图7 漏磁检测仪结构示意

此检测仪在设计中采用了一种全方位轮，在轮毂的外缘均匀镶嵌着可自轴旋转的小轮，小轮轴线与轮毂轴线相互正交，且小轮与大轮的外圆相互重合，保证了良好的平滑性[6]。在正常检测时，检测仪沿管道轴向运动，此时行进轮驱动，侧轮制动，侧轮上的小轮从动；一次扫描结束，检测仪可不必取下，使行进轮制动，侧轮驱动，行进轮上的小轮从动，即可完成换向运动，开始下一次的扫描检测。

为了适应不同管径的管道检测需要，同时保证有效的扫描宽度和检测效率，设计的管道外漏磁检测仪采用三个分离的磁化结构(见图8)，霍尔元件均匀分布在传感器盒内，添加了调节螺母等传感器升降装置，以调节传感器距离管壁的高度，使其处于最佳的信号采集位置。

图8 磁化结构示意

3 试验过程

3.1 管道外漏磁检测系统

为验证漏磁检测仪的有效性，以及有限元仿真的正确性，设计如图9所示的试验系统进行试验。管道漏磁检测系统软件界面如图10所示。

图9 试验系统整体框图

图10 管道漏磁检测系统软件界面

检测仪将被测管壁接近饱和磁化后，由霍尔元件(磁敏感元件)组成的传感器采集到泄漏的磁场信号，将磁信号转变为电压信号，并通过数据采集系统输入到工业计算机中，在工业计算机上便可通过管道漏磁扫描分析软件进行试验数据的返放与波形分析，识别管道缺陷特征。

3.2 管道缺陷检测及数据分析

(1) 取一段直径为159 mm，壁厚8 mm，长1 100 mm的10号无缝钢管，在管道内壁沿轴向人为等间距预制一组半球形缺陷，壁厚减薄量分别为管壁厚度的20%(1.6 mm)、40%(3.2 mm)、60%(4.8 mm)和80%(6.4 mm)，管道半球形缺陷工程图和实物图如图11所示。再研究腐蚀造成的壁厚减薄量对管道外壁漏磁场的影响规律。

图11 管道半球形缺陷工程图和实物图

图12 半球形缺陷试验数据

将检测仪放置在管道外表面，控制其以0.3 m·s-1的速度从左到右行走过缺陷所处位置，在电脑接收端可得到管道外壁漏磁场数据。检测仪的传感器由沿管道圆周方向均布的15个霍尔元件组成，完成一次扫描检测共有15个通道的试验数据，将试验数据分析处理后得到漏磁场数据三维图。图中X轴为通道数，Y轴为检测仪行走的距离，Z轴为检测到的漏磁信号电压。图12为半球形缺陷试验数据，从图12中可以看出，腐蚀缺陷的体积越大，检测到的缺陷信号越明显，缺陷处的电压幅值也越大。对比不同信号幅值所在通道的位置及有幅值波动的通道数目，还可以分析出缺陷所处的位置，比较出不同缺陷的直径大小，即有幅值波动的相近通道数目越多，则此处缺陷直径越大。

从图12(b)所示的试验数据二维图中可以看出，各个峰值之间的间距近似等于管道内壁面分布的各缺陷间距，故可将检测数据中的漏磁信号峰值间距作为缺陷定位的主要判据之一。8号通道采集到幅值最大的漏磁检测信号，说明8号通道处于半球形缺陷的正上方，将其单独提取出(见图13)并进行峰值曲线拟合，拟合后的结果为一条二次曲线，峰值拟合曲线如图14所示，一次拟合公式为

Y=2.599 85+0.004 24X+9.462 5×10-5X2

(1)

式中：Y为漏磁信号电压；X为壁厚减薄百分比。

图13 含半球形缺陷管道检测时的8号通道漏磁信号电压曲线

图14 8号通道漏磁信号峰值拟合曲线

(2) 取一段直径为159 mm，壁厚6 mm，长1 100 mm的10号无缝钢管，在管道外壁沿轴向人为等间距预制A、B两组夹角为180°的圆柱形缺陷，缺陷参数如表1所示，圆柱形缺陷分布如图15所示，分析腐蚀缺陷的直径和深度对漏磁场信号的影响规律。

图15 圆柱形缺陷分布示意

表1 圆柱形缺陷参数 mm

图16 含A组缺陷管道检测时的8号通道漏磁信号电压曲线

图17 含A组缺陷管道检测时的8号通道漏磁信号电压峰值曲线

先对A组缺陷进行扫描检测，提取位于缺陷正上方的8号通道的漏磁信号电压曲线如图16所示，从图17所示的漏磁信号电压峰值曲线中可以看出，缺陷的直径与缺陷处漏磁场信号的波峰值近似为二次函数关系，而且随着缺陷直径的不断增大，缺陷处漏磁信号峰值呈现出先增大后减小的趋势，试验得到的规律与仿真模拟结果一致。

对B组缺陷进行扫描检测，提取位于缺陷正上方的试验数据如图18所示。在图19所示的漏磁信号电压峰值曲线中可以看出，缺陷壁厚减薄百分比与缺陷处漏磁信号峰值近似为线性关系，则管壁腐蚀得越深，得到的漏磁信号幅值越大，则管壁上的缺陷越容易被检测出来。试验得到的规律和仿真结果相互验证。

图18 含B组缺陷管道检测时的8号通道漏磁信号电压曲线

图19 含B组缺陷管道检测时的8号通道漏磁信号电压峰值曲线

4 结语

(1) 利用ANSYS有限元分析软件建立了管道外漏磁检测有限元分析模型，提取出缺陷处漏磁场特征曲线，并且模拟了不同参数的圆柱形腐蚀缺陷对管道外壁面磁场的影响，得出了不同尺寸的圆柱形腐蚀缺陷对漏磁场的影响规律，即：管道外壁漏磁场强度径向分量随着缺陷直径的增大呈现出先增大后减小的趋势。同时，漏磁场强度径向分量随腐蚀缺陷深度的增大而增大。

(2) 利用文中所设计的漏磁检测仪对带有人工预制的圆柱形腐蚀缺陷的管道进行扫描检测，分析检测数据，得到不同参数的缺陷对管道外壁漏磁场信号的影响规律，与仿真结果规律相同，二者相互验证。由试验结果还可看出，检测装置对内、外壁缺陷检测同样可行有效。

(3) 设计的管道漏磁检测仪通过控制器的控制，可实现自动行走，一次扫描结束不用将仪器取下即能完成换向操作，提高了检测精度和效率。

[1] 贾鹏军,罗金恒,刘琰，等.石化成品油外输管道泄漏的无损检测[J].无损检测,2016,38(3):11-13.

[2] 杨理践,赵洋,高松巍.输气管道内检测器压力与主度模型及速度调整策略[J].仪器仪表学报,2012,33(11):2407-2413.

[3] BUBENIK T. Electromagnetic methods for detecting corrosion in underground pipelines: magnetic flux leakage (MFL)[C].Underground Pipeline Corrosion. [S.l.]: Woodhead Publishing, 2014:215-226.

[4] 宋小春,黄松岭,赵伟.天然气长输管道裂纹的无损检测方法[J].天然气工业,2006,26(7):103-106.

[5] 杨志军,陈德姝,陈亮，等.腐蚀缺陷漏磁场检测有限元模拟[J].无损检测,2015,37(11):51-55.

[6] 曹其新,张蕾.轮式自主移动机器人[M].上海:上海交通大学出版社,2012:30-31.

Automatic Magnetic Flux Leakage Detection Technology and Experiment on the Outside of Pipeline

DAI Guang1, ZHENG Keyao1, YANG Zhijun1, LIU Yanlei2, WANG Bing2

(1.College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Hangzhou Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310051, China)

According to the operational characteristics of the ground pipeline and based on the theory of magnetic flux leakage testing technique, an automatic detection device on the outside of pipeline was designed, which was suitable for different diameters of pipelines. Then the corrosion defects with different depth and diameter on the wall of pipeline were simulated and tested through the finite element simulation and experimental research, and thereafter the influence law of different parameters on the leakage magnetic field was obtained. The results of simulation and experiment are consistent. In addition, according to the results of defect detection, the designed magnetic flux leakage detector is effective for the detection of defects both in inner and in outer walls of the pipeline.

pipeline; corrosion; magnetic flux leakage; automatic detection; the finite element

2016-09-13

国家质检总局科技计划资助项目(2014QK158)；浙江省质监系统科研计划资助项目(20150236)

戴 光(1954-)，男，教授，博士生导师,主要从事化工设备设计、声发射检测理论与评定方法以及结构完整性评价等研究工作

郑克耀， zhengkeyao0915@163.com

10.11973/wsjc201707004

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0018-05