多磁化单元管道外漏磁检测技术研究

何莎 王小梅 喻建胜 王仕强

摘  要：石油石化行业管道受各种因素影响，非常容易发生腐蚀甚至穿孔泄漏。针对管道外漏磁检测技术，设计了三磁化单元铰接可变径的磁化结构，采用数值模拟方法研究了三磁化单元漏磁场的空间分布，分析了漏磁场分布规律以及磁化单元间的相互影响。并对三磁化单元结构进行改进设计，分析了结构改进前后漏磁场的空间分布特性。在实验室条件下进行了三磁化单元漏磁场强度均匀性实验，结果表明：通过对磁铁厚度与极靴结构的改进，能够提高漏磁场空间分布的均匀性，满足管道现场检测要求。

关键词：管道;漏磁检测;三磁化单元;漏磁场空间分布;实验研究

中图分类号：TG115.28+4 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）32-0021-04

Abstract： The pipelines in the petroleum and petrochemical industry are affected by various factors， and it is very prone to corrosion and even perforation leakage. Aiming at the magnetic flux leakage （MFL） detection technology for pipeline， the magnetic structure with three magnetizing units hinged and variable diameter is designed. The spatial distribution of magnetic leakage field of three magnetizing units is studied by numerical simulation method， and the distribution law of magnetic leakage field and the interaction between magnetizing units are analyzed. The structure of the three magnetization unit is improved， and the spatial distribution characteristics of the leakage magnetic field before and after the structure improvement are analyzed. The results show that the uniformity of magnetic flux leakage field can be improved by improving the thickness of magnet and pole shoe structure， which can meet the requirements of pipeline field inspection.

Keywords： pipeline; magnetic flux leakage detection; triple magnetization unit; spatial distribution of leakage magnetic field; experimental research

石油化工企業和储运站等存在大量地面管道[1]，在运行过程中经常受到来自内外环境的影响，如空气湿度、输送介质、管内积液、压力波动等共同作用导致腐蚀，减小管道的使用寿命[2]。同时由于其工作条件通常非常恶劣，介质大多是高温、高压、有毒、可燃性或者是腐蚀性的流体[3]，一旦发生泄漏事故轻则造成工作介质流失和能源的浪费，污染环境，重则危及人身安全，引发重大的人身和设备事故[4]。因此，能否准确发现管道母材腐蚀，从而针对性的维修解决，是延长管道使用寿命和降低安全风险的关键，也是检测技术发展的方向[5-7]。漏磁检测特别适用于铁磁性材质，其相关研究已经相当深入，并已经投入工程使用，应用范围广、识别效率高[8]。

本文着眼于管道外漏磁检测技术研究，设计了由三组磁化单元组成的铰接可变径的磁化结构，该磁化结构可以适应159mm以上的管径。通过理论分析和实验研究，分析了结构存在的问题并进行相应的改进，对管道外漏磁检测方法的发展和完善具有一定的意义。

1 管道外漏磁检测原理

漏磁检测是通过检测被励磁的金属表面溢出的漏磁通，来判断缺陷是否存在的一种检测技术[9]。待测铁磁性材料连续性良好无缺陷时，通过励磁后，磁感线理论上全部通过该铁磁性材料构成闭合回路，如图1（a）所示。若存在缺陷，由于铁磁性材料与缺陷处材质的导磁率不同，缺陷处的磁阻大，阻碍磁感线正常通过，于是磁感线会在缺陷处畸变，一部分磁力线泄露出管道的外表面，形成漏磁场，如图1（b），采用霍尔元件等传感器探测该磁场并得到漏磁信号，分析漏磁信号即可获得缺陷的相关特征。

2 三磁化单元漏磁场空间分布规律研究

采用实体建模方法建立管道三磁化单元外漏磁检测有限元模型，该模型由衔铁、磁铁、极靴、气隙和被测管道组成。通过软件计算求解，在软件的后处理中可以得到管道缺陷处漏磁场分布，包括磁通量密度、磁场强度的等值图、矢量图和沿某路径的曲线图等。本文在缺陷上方距离管壁1mm距离处建立直线路径，提取漏磁场径向分量，定量分析缺陷处漏磁场变化。

三磁化单元模型包含三个结构尺寸相同的磁化单元，其中中间单元位于局部管道的上方，其他两单元平行分布于中间单元两侧。选取φ300管道，在外壁预制宽度为4mm、深度为壁厚80%的矩形槽缺陷。有限元求解计算得到的磁场强度与磁通密度云图分别如图2与图3所示。

15个传感器等间距依次布置于两极靴中间缺陷上方1mm处，沿着传感器位置定义路径，提取漏磁场径向分量的值，得到如图4所示的不同传感器漏磁场径向分量图，从图中清晰看出从三磁化单元中心传感器到边缘传感器的漏磁信号减小很多。

提取每个传感器信号的峰值，管道周向不同传感器漏磁场径向分量幅值变化曲线如图5中改进前曲线所示，由图可以看出，三磁化单元下方管道周向的漏磁场分布并不均匀，中间磁化单元的漏磁场较两侧磁化单元的漏磁场要强很多，产生这一现象的原因在于两侧磁化单元对中间磁化单元的影响，使得中间磁化单元范围内的漏磁场径向分量幅值与两侧差距过大，同时由于管外壁曲面的影响，使提离值有所增加而进一步引起管道周向漏磁信号不均匀问题。

3 三磁化单元磁化结构改进设计

为减小三磁化单元中两侧磁化单元对中间磁化单元漏磁场的影响，试图采取调节磁化单元磁铁厚度的方法使管道周向漏磁信号趋于均匀，为减小管外壁曲面使提离值有所增加而进一步引起管道周向漏磁信号不均匀问题，试图采取调节极靴结构的方法来改进。为验证改进方法的合理性，开展了以下有限元分析。

3.1 调节磁化单元磁场强度

在前文有限元模型基础上，通过调节磁化单元的磁铁厚度来调节其磁场强度，在减薄中间磁化单元的磁铁厚度的同时提高两侧单元的磁铁厚度，使管道周向磁化程度趋于均匀。建立如图6所示的变磁铁磁化结构模型，按传感器布置位置定义路径，提取漏磁场径向分量，管道周向不同传感器漏磁场径向分量幅值变化曲线如上图5中改进磁铁厚度曲线所示。

由图6可以看出，中间单元传感器信号比原来结构有所减小，两侧单元传感器信号有所加强，但是，两侧单元边缘处传感器信号相对其他传感器信号还是比较弱。

3.2 调节极靴结构

虽然减薄中间磁化单元磁铁厚度，增加边缘磁铁厚度，使管道周向各传感器的漏磁信号趋于均匀，但是，两侧单元边缘处传感器信号相对其他传感器信号还是比较弱，这是因为两侧单元边缘磁场发散，而且变径时实际传感器的提离值相对较大。针对这一现象，进一步对两侧单元边缘的极靴结构进行改进，使极靴近似线性增厚，尽量使管道周向的磁化程度均匀，使每个传感器接收到的信号趋于一致，改进的极靴结构如图7所示。

提取每个传感器信号的峰值，管道周向不同传感器漏磁场径向分量幅值变化曲线如上图5中改变磁铁厚度、改变极靴结构曲线所示，由图可知，经过上述结构的改进，管道周向各传感器通道的漏磁信号已趋于均匀，漏磁信号最高0.075T，边缘信号最低0.068T，边缘信号最低值比信号最强处减小了9.67%。

4 管道漏磁检测仪实验研究

选取φ300管道，对照有限元模型依次预制出宽度均为4mm，深度分别为壁厚的20%、40%、60%和80%，即1.6mm、3.2mm、4.8mm和6.4mm的矩形槽缺陷，缺陷沿管道轴向直线分布，间距100mm，如图8所示。

在实验室条件下分别用磁化单元结构改进前与改进后的管道外可变径磁化结构进行检测实验。实验用钢管如图9所示。

利用磁化单元结构改进前与改进后的漏磁检测仪对相同的矩形槽缺陷进行扫描检测，图10为磁化结构改进前对矩形槽缺陷的扫描的波形图。由图可知，对于相同的缺陷，改进前的漏磁检测仪各通道的漏磁信号幅值存在明显差异，可以看出中间传感器漏磁信号的幅值明显大于磁化单元边缘传感器漏磁信号幅值。选取中间8#通道和边缘1#通道漏磁信号进行对比，以80%壁厚缺陷波形图为例，同一组缺陷，中间位置的传感器漏磁信号峰谷差值为0.49V，而边缘位置传感器相应值只有0.29V，相差40.8%，说明未经优化的检测仪中间与边缘传感器信号强度确实相差较大。

图11所示为磁化单元结构优化后的漏磁检测仪检测信号波形图，可以很明显的看出各通道傳感器信号趋于平均。同样选取中间8#通道和边缘1#通道漏磁信号进行对比分析，中间位置传感器80%壁厚缺陷的检测信号峰谷差值为0.48V，而边缘传感器相应值为0.44V，相差缩小为8.4%。可知，通过结构优化设计，提高了边缘位置漏磁场强度，缩小了其与中间位置漏磁场强度的差距，与有限元分析结果吻合。

5 结论

（1）本文在漏磁检测理论基础上，综合考虑管道外壁漏磁检测的特点，设计了一种铰接的可变径三磁化单元漏磁检测结构。

（2）针对多磁化单元励磁场不均匀问题，对励磁结构进行改进，通过理论分析和实验室实验，改进后的励磁结构励磁场更均匀，每个传感器接收到漏磁信号强度偏差在10%以内，满足现场管道漏磁检测需要。

参考文献：

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