高压管汇冲蚀缺陷脉冲涡流检测数值分析

李杰 樊建春 张党生 杨思齐 代四维

摘要：压裂作业中长周期运行的高压管汇在恶劣工况下极易产生冲蚀损伤，高压管汇的在线检测对保障安全生产尤为重要。为此，针对高压管汇冲蚀缺陷，基于脉冲涡流检测技术，采用Maxwell软件对高压管汇下表面缺陷检测模型进行数值模拟，分析磁感应强度矢量法向和切向分量，探究冲蚀缺陷脉冲涡流检测规律。研究结果表明：一定条件下，脉冲涡流检测高压管汇冲蚀缺陷时，激励电流为1.5 A，激励频率为500 Hz，线圈内径为10 mm时具有较高灵敏度；对于不同角度冲蚀缺陷，可根据差分信号梯度云图中的亮斑形状获得缺陷形状信息；法向检测信号差值与缺陷半径和缺陷深度呈三次多项式关系；线圈中设置铁芯可增加检测信号幅值，一定范围内，铁芯半径对检测效果影响较小。所得结论可为高压管汇冲蚀缺陷脉冲涡流检测装置的研制提供参考。

关键词：压裂；高压管汇；冲蚀缺陷；脉冲涡流检测；数值模拟；差分信号

In fracturing operation， erosional damage easily occurs in highpressure manifold running for a long time under bad working conditions， and the online testing of highpressure manifold is particularly important to ensure safe production.Based on pulsed eddy current testing technology， the Maxwell software was used to conduct numerical simulation on the undersurface defect testing model of highpressure manifold， analyze the normal and tangential components of magnetic induction intensity vector， and explore the pulsed eddy current testing law of erosion defect of highpressure manifold.The study results show that under certain conditions， when the excitation current is 1.5 A， the excitation frequency is 500 Hz， and the inner diameter of the coil is 10 mm， the pulsed eddy current testing for erosion defect of highpressure manifold has higher sensitivity.For different angles of erosion defects， the defect shape information can be obtained based on the bright spot shape in the gradient cloud chart of differential signals.The difference of normal testing signal has a cubic polynomial relationship with defect radius and defect depth.Setting iron core in the coil can increase the amplitude of the testing signal， and within a certain range， the radius of the iron core has little effect on the testing results.The conclusions provide reference for the development of pulsed eddy current testing device for erosion defects of highpressure manifold.

fracturing;highpressure manifold；erosion defect；pulsed eddy current testing；numerical simulation；differential signal

0 引 言

水力壓裂是一种常用的储层改造技术，在水力压裂过程中，大规模服役的高压管汇通常承受数十至上百兆帕的动态内压、高速运动多相流冲击和振动引起的巨大应力作用，极易在弯头和三通等敏感部位产生冲蚀损伤［1-2］；且在内部传输的酸性介质的腐蚀作用下，导致长周期运行的高压管汇壁厚减薄，承压能力减弱。高压冲蚀很可能造成管汇破裂，对现场人员和设备构成严重威胁［3-5］，因此对高压管汇进行安全检测具有重要意义。

目前，对高压管汇冲蚀缺陷的主要检测方法有水压试验、磁粉检测、超声检测和声发射检测［6］。中国石油大学（北京）结构损伤实验室［7-8］利用自主研发的可施加高强度拉伸应力的冲蚀磨损试验机，基于磁记忆检测技术对冲蚀试样进行了在线检测。检测结果表明，冲蚀缺陷的磁场信息可以反映其位置和形状。这些检测方法在检测效率和定量分析方面具有一定的局限性，不利于大规模压裂服役的高压管汇在线检测。脉冲涡流检测技术以其可靠性好与检测效率高等优点，被研究人员广泛用于金属缺陷的检测中。辛佳兴等［9］利用Maxwell软件对阵列涡流管道变形缺陷检测模型进行模拟，研究不同线圈布置方案的检测效果，结果表明，涡流传感器输出信号变化量与管道变形量呈四次多项式递增关系。陈酉江等［10］利用研制的涡流阵列传感器对弯头进行了室内检测试验，提出涡流阵列检测室内系统可用于井口弯头冲蚀缺陷的定性检测。TIAN G.Y.等［11］针对亚表面缺陷的识别问题，在脉冲涡流检测中提出了时间上升点的概念，与峰值和峰值时间结合用于缺陷的分类识别。

笔者在上述研究的基础上，探究脉冲涡流检测技术在高压管汇的冲蚀缺陷的在线检测中的应用；基于脉冲涡流检测技术，采用Maxwell有限元分析软件进行数值模拟，研究激励信号参数、线圈尺寸、缺陷形状和铁芯半径对检测效果的影響；探讨了使用检测信号差值的梯度云图反演不同冲蚀缺陷形状的可行性；推导法向检测信号差值ΔBz、缺陷半径和缺陷深度的数学模型。所得结论可为高压管汇冲蚀缺陷脉冲涡流检测装置的研制提供理论依据。

1 脉冲涡流检测理论

脉冲涡流检测遵循法拉第电磁感应定律，因此基于麦克斯韦方程组对实际检测建立数学模型。麦克斯韦方程组的微分形式如下：

分析式（7）可知，当被测导体材料确定时，标准趋肤深度随激励频率增大而减小，故检测下表面缺陷时，激励频率需合理减小。趋肤深度的增加意味着感应涡流能透入更深的缺陷处，因缺陷引起的感应涡流的分布变化会引起感应磁场发生相应变化，故可用磁敏传感器检测磁场分布，通过分析响应信号获取缺陷信息。

2 模型建立及参数设置

2.1 模型建立

脉冲涡流检测模型如图1所示，模型主要包括激励线圈、被测试件、扫查路径和空气域。本文选用几何形状为哑铃形薄板的试样为被测试件。试样长度为195 mm，中间宽度为40 mm，厚度为3.5 mm。被测试样材料选用高压管汇材料35CrMo合金结构钢，电导率为4.55×106 S/m，导入BH曲线［12］。考虑实际脉冲涡流检测元件的排布位置，提离距离为2 mm。扫查路径沿Y轴方向，位于激励线圈和被测试样之间的空气域，距离试样1 mm。

考虑高压管汇受到的冲蚀作用，在线检测必须在冲蚀的另一侧进行，激励线圈与冲蚀缺陷分别在试样的上、下表面。实验室前期研究表明［1-2，13］，冲蚀缺陷形状会随冲蚀角度不同呈现不同宏观形貌。利用实验室自主研发的冲蚀磨损试验机进行携砂液冲蚀试验，不同冲蚀角度试验结果如图2所示。冲蚀角度为30°时，材料变形磨损和切屑磨损最严重，冲蚀磨损率最高，缺陷形状为半椭球凹坑；随冲蚀角度增加，变形磨损逐渐增强，切削作用减弱，缺陷形状逐步呈现为圆柱凹坑；当冲蚀角度为90°时，冲蚀颗粒向四周冲出，在中央处留有一个小凸起。

2.2 参数设置

图3为模拟检测示意图。在场计算器中分别设置磁感应强度切向分量By和法向分量Bz，同时进行平滑处理。

设置线圈线径0.3 mm，最大安全电流5 A，因此线圈内径设计为10 mm，外径为20 mm，高度为15 mm，匝数为500，电阻为5 Ω。

3 有、无冲蚀缺陷脉冲涡流检测对比

设置激励电流幅值为1.5 A，频率为500 Hz，采用Maxwell软件对30°冲蚀角度下产生的半椭球凹坑进行仿真，轴比设为3，缺陷长度为20 mm，缺陷宽度为6.6 mm，深度为3.3 mm，模拟得到扫查路径上磁感应强度分量，结果如图4所示。

5 结 论

（1）在激励线圈承载范围内可以合理选取激励信号幅值来提升缺陷检测灵敏度，故选取激励电流幅值为1.5 A；缺陷检测灵敏度随激励频率增加先增加、后减小，500 Hz时具有较高的灵敏度；当激励线圈体积和外径不变，线圈内径为10 mm时，更有利于缺陷检测。

（2）脉冲涡流检测冲蚀缺陷时，对60°冲蚀缺陷有较高的灵敏度；对于不同冲蚀角度缺陷，可以通过分析磁感应强度矢量的法向分量ΔBz和径向分量ΔBy的差分信号的梯度云图，根据其亮斑形状获得缺陷宏观形貌信息。

（3）在激励线圈尺寸、激励信号参数和被测试件电磁参数一定时，ΔBy峰值间距仅随缺陷半径变化而相应变化；ΔBz峰值、缺陷半径和缺陷深度呈三次多项式关系，脉冲涡流检测冲蚀缺陷对亚表面较深缺陷的宽度检测灵敏度较高。

（4）线圈中的铁芯使得检测信号幅值大幅增加，故装置设计需要选用合适量程的检测元件；铁芯尺寸对ΔBz和ΔBy的幅值影响较小，故在设计检测装置时可以合理减小铁芯半径，减轻检测装置质量。

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第一李杰，生于1998年，2020年毕业于中国石油大学（北京）安全工程专业，现为在读硕士研究生，研究方向为安全监测与智能诊断。地址：（102249）北京市昌平区。Email：15291554125@163.com。

通信作者：樊建春，Email：fjc688@126.com。