基于正交电磁原理的PCCP断丝检测有限元仿真分析

李润斌，封 皓，刘 欣

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.承德石油高等专科学校数理部，河北承德 067000)

0 引言

预应力钢筒混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe，PCCP)是由带钢筒的混凝土管芯、环向缠绕的预应力钢丝和外部的水泥砂浆保护层组成的高性能复合型管材，该管道将混凝土抗压、钢丝抗拉、钢筒抗渗等各材料特点有机结合在一起，具有容量较大、承载能力较高、成本较低等特点，是长距离大口径带压输水工程的首选管材[1-2]。自20世纪80年代引入我国后，成为国家重点推广项目，广泛应用于南水北调等大型输水工程[3-4]。

根据国内外的研究，PCCP失效的主要原因是腐蚀或氢脆导致的预应力钢丝断裂，并往往造成突发性爆管等灾难性的后果，对于安全、经济、社会、能源等多方面造成严重影响[5-6]。根据AWWARF 4304报告文件，1942年至2006年的65年间美国共发生了399次爆管事件，此外，加拿大、墨西哥、南非、沙特阿拉伯等国也出现了PCCP爆管，国外频发的爆管事故给我国的PCCP状态评估管理敲响了警钟[7]。国外对于PCCP安全运行的管理方法主要分为2类：一是对管道进行状态评估，主要方法有超声波(ultrasonic technology)检测[8]、电磁(electromagnetic technology)检测[9-10]和声学光纤(acoustic fiber optic monitoring technology)检测等[11-12]；二是为了避免潜在故障，对管道进行性能预测，主要方法有3种，分别是基于状态评估记录数据的预测、使用统计模型和高级数学分析(如人工神经网络(ANN))进行预测和使用有限元(FE)分析的物理模型进行预测[13]。

目前，我国对于PCCP的制造工艺已基本掌握，但管道状态评估方面基本空白，安全监测能力严重落后于工程建设[14]。研究基于正交电磁原理的断丝检测方法具有重大意义，但目前国内外对于正交电磁感应法检测PCCP断丝的原理研究鲜有报道，且在现场实验过程中需人为破坏大量管道用于模拟断丝情况，现场实验成本昂贵且造成了资源的浪费[15]。本文针对目前这种情况采用有限元分析工具对正交电磁法检测PCCP进行仿真，分析了正交电磁检测的原理，并模拟了PCCP出现断丝的情况，最后通过现场实验验证了该模型的正确性，该模型可真实地模拟实际情况，为现场实验提供参考，降低了实验成本。

1 正交电磁检测原理

正交电磁检测系统结构如图1所示，主要结构包括激发器、检测器、磁屏蔽装置和控制装置(图中未画出)，其中激发器为线圈，检测器可以是线圈也可以是磁传感器且两者最好正交放置。工作时激发器由交流信号驱动，激发出变化的磁场，根据电磁感应定律可知该磁场会在空间感应出相应的电场，此变化的电场作用在预应力钢丝上，导致钢丝内电流密度发生变化，断丝的存在会引起感应电流的变化，最终引起磁场的变化，测量由该电流在检测器中引起的电压或其他效应即可判断钢丝的状况。

图1 正交电磁检测系统结构图

钢丝中感应电流的方向如图2所示，以激发线圈中心所在位置为起点，以相反方向指向两端。

图2 钢丝内感应电流方向示意图(俯视图)

感应电流密度模值的变化规律为激发器正对位置最小，沿管道两端方向先变大，后由于距离激发器较远而变小，如图3所示。断丝的存在对于感应电流密度的大小和方向均有影响，断丝处电流密度的模值会变小，由此可以推出，当断丝位置正对检测系统时，检测信号并无明显变化，因为此时无论有无断丝，电流密度模值均为最小，从而引发的磁场并无多大变化，反而当断丝位于检测系统前后并在一定距离内时，引起的电流密度变化最大，此时检测信号有明显变化，具体如图4所示。

图3 钢丝内感应电流密度模值变化示意图

图4 断丝对感应电流密度的影响

最终，有无断丝导致的磁场变化和检测线圈电压变化分别如图5、图6所示。

(a)无断丝磁场信号

(b)有断丝磁场信号图5 断丝的磁场信号特征

(a)无断丝磁场信号

(b)有断丝磁场信号图6 断丝的检测线圈电压信号特征

2 有限元仿真

2.1 仿真设置

利用有限元方法分析正交电磁检测系统，需要进行几何建模、网格划分、边界条件设置、结果分析等步骤。其中模型主要结构包含5个部分，分别是预应力钢丝、薄钢筒、激发线圈、检测线圈和磁屏蔽结构，如图7所示。

图7 系统几何结构

几何模型的具体尺寸和要求按照GB/T 19685—2017[16]标准或CECS 140[17]标准来设计，具体参数见表1。

表1 模型参数

PCCP的预应力钢丝属于高长径比结构，而且需要观察钢丝内电流密度的变化，因此网格划分需要进行特殊处理，保证网格均匀且钢丝不发生形变。通过扫掠等方式和对网格尺寸进行设置，得到如图8所示的划分结果，此种方式较自动划分可以获得较高的网格质量和较短的计算时间。另外一个需要特殊处理的结构是钢筒，实际应用中钢筒的厚度只有1.5～2 mm，对于这种薄层结构可以采用增加边界条件代替实体的方法，从而减少计算的内存和时间，经仿真对比，两种方式获得的结果一致。磁屏蔽装置通过增加相应的边界条件并设置合理的参数即可。线圈的尺寸设置需要根据检测信号的强度进行优化，通过仿真计算可知，激发线圈的场强达到40 Gs左右时，检测电压信号可以达到mV级，此量级已经达到后续信号处理的要求。

图8 预应力钢丝网格划分结果

2.2 仿真结果分析

正交电磁检测系统检测的信号主要是管道轴向磁场的变化，所以检测器可以采用巨磁阻等磁传感器，也可以采用感应线圈并通过观察线圈两端的电压来判断钢丝的状况[18]。在仿真中，为了数据计算和获取的方便，并和实际检测信号进行对比，本文统一采用感应线圈两端的电压作为检测信号进行分析。

2.2.1 断丝轴向位置对检测信号的影响

由于管道两端是承插式接头设计，钢用量增加且此时检测系统两端为非对称结构，导致断丝识别难度增加，本文称之为边缘效应。故本文通过把断丝设在一端(30 cm处)和中间(90 cm处)来对比边缘效应的影响。仿真结果如图9、图10所示，可以看出钢筒会阻碍电磁信号的传播，导致断丝信号的峰谷变化特征被边缘效应掩盖；没有钢筒时，信号强度增大，且边缘效应影响可以忽略，可以更好地观察断丝信号特征。所以使用电磁正交法难以分辨存在于管道两端的断丝，但当断丝出现于管道中间部位时可以明显看出表征断丝的信号特征。

(a)断丝在一端30 cm处

(b)断丝在中间90 cm处图9 有钢筒时轴向位置变化检测信号对比图

(a)断丝在一端30 cm处

(b)断丝在中间90 cm处图10 无钢筒时轴向位置变化检测信号对比图

2.2.2 断丝周向位置对检测信号的影响

为了测试断丝存在的周向位置是否会对检测信号有影响，将断丝位置正对检测器与断丝位置在检测器周向90°两种情况进行对比，断丝位置在检测器周向90°的情况如图11所示。仿真结果如图12所示，通过对比两种情况的检测信号可知断丝信号特征与周向位置无关，即正交电磁法可以确定管道轴向某一位置存在断丝，但不能具体确定其周向所在位置。

图11 断丝位置在检测器周向90°

(a)检测器与断丝周向相对位置为0°

(b)检测器与断丝周向相对位置为90°图12 周向相对位置变化检测信号对比图

3 实验验证

2019年1月，与河南省富臣管业有限公司合作，在工厂内的空地搭建了实验平台，将3根规格型号为PCCPDE3 000×5 000的预应力钢筒混凝土管首尾相连，如图13所示。使用手提式切割机将第二根管道中部(2.5 m处)侧面的砂浆保护层清理干净，裸露出内层的预应力钢丝，使用切割机将每根预应力钢丝切割掉10 cm来模拟实际中断丝现象的发生，如图14所示，第一根与第三根管道为无断丝的完好管道。

图13 实验管道

图14 断丝部位

搭建如图15所示的检测系统，以120 Hz的交流信号作为激励源激励激发线圈，推动检测系统依次通过3根管道，提取检测线圈中微弱的检测信号，检测信号如图16所示。由于管道接口处的边缘效应导致检测信号在管道接口处幅值增大，可以明显看出检测系统通过了3根管道，为了更清晰地看到检测信号在管道内的变化情况，排除管道接口处信号的影响，分别截取3根管道的检测信号并放大，如图17所示。可以看出第一根管道与第三根管道的信号波形具有一致性，而第二根管道的信号波形出现了表征断丝的信号波动，这与COMSOL仿真的结果相一致，实验表明该检测系统可以有效地识别出预应力钢筒混凝土管中的断丝。

图15 检测系统

图16 检测信号

(a)第一根管道

(b)第二根管道

(c)第三根管道图17 检测信号的局部放大图

为验证断丝轴向位置对检测信号的影响，在第一根管道前端(0.3 m处)侧面制造断丝；为验证断丝周向位置对检测信号的影响，在第三根管道中部(2.5 m处)顶端制造断丝，依次对破坏过的管道进行检测，得到如图18所示的检测信号。

从图18(a)可以看出由于边缘效应的影响，从检测信号中很难辨别出位于管道前端(0.3 m处)的断丝信号，与仿真结论相符。从图18(b)可以看出，虽然断丝位置没有正对检测线圈，但是依然出现了明显的断丝信号的特征，与仿真结论相符。

(a)破坏后的第一根管道

(b)破坏后的第三根管道图18 验证实验

4 结论

本文以正交电磁检测技术为研究重点，利用有限元仿真工具，建立并优化了该检测系统的模型与边界条件，对该方法的断丝效应理论进行了深入剖析，分析了钢筒结构、边缘效应对仿真结果的影响，为计算效率的提高提供了参考依据，进而分析了断丝周向位置、轴向位置对断丝信号特征的影响，为实际检测提供了理论指导。最后通过现场实验表明该方法可有效识别断丝信号，且断丝信号特征与仿真结果具有很好的一致性。实验表明由于边缘效应的影响，使用正交电磁法较难检测出位于管道两端的断丝；且断丝信号特征与断丝的周向位置无关，即使检测线圈没有正对断丝处依然可以检测到断丝的存在。本文提出的仿真模型可为现场实验提供参考，并为后续PCCP管外检测、带压通水检测和双层预应力钢丝结构的PCCP管研究提供了新的思路。