管道漏磁检测缺陷尺寸与信号特征参数关系分析

刘玉明，王继锋，汤晓英，左延田

（1.上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062；2.上海压力管道智能检测工程技术研究中心，上海 200062）

管道漏磁检测技术是依靠管道内部输送介质的推力，推送检测器沿管道行走，从而实现管道的不停输检测［1］。经过内检测得到管道的实际腐蚀状况，是对管道本体进行有效维护保养、维修，对防护系统进行评价和改进的基础，既可提高管道的安全性，也可为延长管道寿命提供有力的技术支撑［2-4］。

管道漏磁检测技术在国外已经有几十年的发展历史，技术相对成熟，如美国的Tuboscope、GE PII、TDW、Qinline 公司， 英国的 British GAS公司，德国的Rosen、NDT等公司的产品已经在市场上大规模应用。在国内，中油管道检测技术有限责任公司和沈阳工业大学从上世纪90年代率先开展此技术的研究［5-8］。随着传感技术和电子技术的发展，高密度、多维度传感器和高速率信号采集技术得到推广，其应用为缺陷磁场检测提供了更加丰富的信息。但受缺陷本身尺寸反演过程的不适定性、检测干扰因素较多、现场工况复杂、缺陷实际形貌复杂以及技术保密等因素的影响，缺陷量化技术依然是行业的研究热点和技术难点［9-11］。

缺陷量化技术的核心是缺陷信号的特征选取，Jian Feng等［12］利用有限元方法模拟了不同深度矩形缺陷的轴向和径向的漏磁场分布，分析了2个分量的漏磁场强度随深度的变化关系。Abduljalil Mohamed等［13］定义了5个特征统计量，并分别在3个漏磁分量图上提取特征，得到15个特征参数。文献［14］模拟了缺陷的径向分量图谱，为了减小blooming效应对宽度预测的影响，针对上下幅度尖峰区分别设计了2个可调阈值，并且将缺陷长度和宽度的比值作为一个特征，采用不同的宽度计算方法提高计算精度。文献［15］设计了各种形状的缺陷，模拟了漏磁轴向分量图，提出了一种基于轮廓的缺陷信号起止点定位方法用于预测长度，将预测的长度、宽度以及信号的峰峰值作为输入特征计算缺陷深度。

文中采用有限元分析软件对管道仿真建模，分析漏磁检测中常见特征参数与缺陷长度、宽度及深度间的相互影响关系，以得到缺陷长度、宽度及深度与各特征参数的表征有效性。

1 管道漏磁检测模型

有限元仿真建模的X52管线钢管道直径φ813 mm，壁厚 12.7 mm，检测器移动速度 2 m/s，传感器提离高度3 mm。管道漏磁检测模型中的背铁材料为10钢，磁铁材料为钕铁硼，钢刷材料为65Mn弹簧钢。

完整的管道漏磁检测有限元模型见图1。通过对模型参数进行调整，使管道壁达到磁饱和。由于完整模型计算成本太高，故对模型简化，取1/16模型进行分析，见图2。通过验证分析，简化模型与完整模型计算结果一致，因此文中采用1/16模型进行仿真。简化模型的磁感应强度云图见图 3。

图1 管道漏磁检测有限元整体模型

图2 管道漏磁检测1/16有限元简化模型

图3 管道漏磁检测有限元简化模型磁感应强度云图

2 管道漏磁检测特征参数

周向信号的提取过程为，首先根据轴向路径的径向分量信号确定最大值所在的轴向位置，然后提取此轴向位置所在的周向路径上的径向分量信号作为周向信号。

管道漏磁检测几种特征参数示意见图4。需要说明的是，图4中横坐标可以是时间也可以是采样点数，纵坐标是漏磁强度，横、纵坐标的数值都只是相对值，因此均无单位。

图4 管道漏磁检测信号特征示图

3 管道漏磁检测缺陷尺寸与特征参数关系

缺陷为管道内部初始尺寸为长度L=60 mm、宽度W=30 mm、深度 H=3 mm的 1个长方体 （图5）。每次改变单一缺陷变量，保持其余缺陷变量不变，研究缺陷尺寸与特征参数的关系。

图5 管道漏磁检测缺陷形状

3.1 改变缺陷长度

选取缺陷长度 L 分别为 20、30、40、50、60 mm，缺陷宽度与深度保持初始值不变，得到不同缺陷长度下管道漏磁检测的轴向和径向信号曲线，分别见图6和图7。

图6 不同缺陷长度下管道漏磁检测轴向信号曲线

图7 不同缺陷长度下管道漏磁检测径向信号曲线

各缺陷长度下管道漏磁检测的特征参数值见表1。

从表1可以看出，随着缺陷长度的增大，轴向峰峰距离、微分信号峰谷距离与轴向阀值长度都是单调递增的，磁感应强度轴向峰谷值、轴向波形面积、轴向波形能量与磁感应强度径向峰谷值虽然不是单调递增，但是变化趋势一致。周向信号数值无太大变化。

3.2 改变缺陷宽度

选取缺陷宽度 W 分别为 6、12、18、24、30 mm，缺陷长度与深度保持初始值不变，得到不同缺陷宽度下管道漏磁检测的轴向和径向信号曲线，分别见图8和图9。不同缺陷宽度下管道漏磁检测的特征参数值见表2。

表1 不同缺陷长度下管道漏磁检测特征参数值

图8 不同缺陷宽度下管道漏磁检测轴向信号曲线

图9 不同缺陷宽度下管道漏磁检测径向信号曲线

表2 不同缺陷宽度下管道漏磁检测特征参数值

从表2可以看出，随着缺陷宽度的增大，磁感应强度轴向峰谷值、轴向波形面积、轴向波形能量以及磁感应强度径向峰谷值都是单调递增的，轴向峰峰距离、微分信号峰谷距离基本不变。

3.3 改变缺陷深度

选取缺陷深度 H 分别为 1、3、5、7、9 mm，L 与W保持初始值不变，得到不同缺陷深度下管道漏磁检测的轴向和径向信号曲线，见图10和图11。

图10 不同缺陷深度下管道漏磁检测轴向信号曲线

图11 不同缺陷深度下管道漏磁检测径向信号曲线

不同缺陷深度下管道漏磁检测的特征参数值见表 3。

从表3可以看出，随着深度的增加，磁感应强度轴向峰谷值、周向波形面积、轴向波形面积、轴向波形能量以及磁感应强度径向峰谷值都是单调递增的，轴向峰峰距离、微分信号峰谷距离、磁感应强度微分信号峰谷值基本不变。

表3 不同缺陷深度下管道漏磁检测特征参数值

4 结语

通过有限元建模仿真不同缺陷尺寸下的管道漏磁信号，分析了几种常见特征参数与缺陷尺寸之间的相互影响关系，得出与缺陷长度相关的主要特征参数有轴向峰峰距离、微分信号峰谷距离、磁感应强度轴向峰谷值、轴向波形面积、轴向波形能量、径向峰谷距离及磁感应强度径向峰谷值；与缺陷宽度相关的主要特征参数有周向峰谷距离、磁感应强度轴向峰谷值、轴向波形面积、轴向波形能量、磁感应强度周向峰谷值及磁感应强度径向峰谷值；与缺陷深度相关的主要特征参数有磁感应强度轴向峰谷值、磁感应强度周向峰谷值、轴向波形面积、轴向波形能量及磁感应强度径向峰谷值。