腐蚀缺陷漏磁场检测有限元模拟

杨志军，陈德姝，陈 亮，王 刚

（1.东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆163318；2.中国石油天然气股份有限公司锦州石化分公司，锦州121000）

在石油化工生产中，金属腐蚀会发生在零部件的每个部位，危害性十分严重。腐蚀会造成很重大的直接或间接损失，不但给生产者带来重大的经济损失，而且危及人身安全。例如，金属材料的应力腐蚀疲劳往往会造成灾难性的事故，而金属腐蚀会带来大量的金属消耗。现今石化设备腐蚀原因非常多，如石化生产过程中存在许多腐蚀性的介质，如酸、碱等，这也是产生腐蚀的最主要原因。石化设备自身的问题也容易导致腐蚀，如果设备表面接触腐蚀介质，而设备本身又不耐腐蚀，就会产生表面腐蚀缺陷，表面越粗糙，也越易腐蚀。另外，生产过程中施工人员对设备管理不完善等也会导致设备腐蚀［1］。现场腐蚀外观如图1所示。

图1 现场腐蚀缺陷外观

1 腐蚀缺陷漏磁有限元分析

1.1 漏磁检测原理

当铁磁工件被磁化后，若材料的性质是连续均匀的，则材料中的磁力线将被约束在材料中，此时磁通是平行于材料表面的，而当材料中存在着切割磁力线的缺陷时，材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化，磁路中的磁力线将会发生畸变，磁力线通过材料内部绕出缺陷外，还有部分的磁通会泄漏到材料表面上方的空气中，通过空气绕过缺陷再度重新回到材料中，即在缺陷处形成了漏磁场［2］。

1.2 腐蚀缺陷漏磁场模型建立及有限元分析

将缺陷简化成二维模型，模型尺寸为：钢板厚度8mm，钢板宽180mm。图2即为漏磁场有限元分析建模，回路由永久磁铁、衔铁、极靴和工件组成。

图2 有限元模型

仿真过程中需要选取材料属性，衔铁与极靴的作用是导通磁路，因此需要采用导磁性能好的软磁材料，磁铁则选用体积小磁性强的钕铁硼磁铁［3］。设定除空气外罩外所有材料的非线性B－H曲线，已知空气的相对磁导率为1.0。衔铁、极靴和被测钢板均为非线性材料，可以通过查阅相关资料得到相应的B－H曲线并设置。永磁铁作为整体结构的励磁源，需要根据其励磁方向设定矫顽力的方向和大小。

网格划分结束后，设置求解边界条件及节点自由度，收敛条件选择默认设置［4］。计算完成处理，通过缺陷平面的磁通量密度等值观察云图结果。通过对缺陷处的路径提取可获得缺陷处水平方向和垂直方向的磁通量密度曲线［5］。图3为分析所得到的漏磁场云图，可以观察到整体磁场强度的分布，缺陷处的磁场分布特征也比较直观，在缺陷上方存在一小部分浅蓝色区域，即从工件中泄露出来的磁感线所形成的漏磁场，而缺陷下方呈现红色，代表此处磁场强度比较强，这是由工件横截面积突变，磁感线通过时较为拥挤造成的。

图3 漏磁场检测云图

2 影响腐蚀缺陷检测的漏磁场参量分析

2.1 缺陷深度对漏磁场的影响

为了研究缺陷深度与漏磁场关系，在缺陷宽度和气隙不变的情况下，研究缺陷深度与漏磁场磁通量密度水平分量和垂直分量的关系。分别取深度占材料厚度的20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%和90%的缺陷来进行仿真分析。图4（a）为不同深度缺陷磁通量密度水平方向分量Bx曲线，图4（b）为不同深度缺陷磁通量密度水平方向分量Bx的峰值曲线，图5（a）为不同深度缺陷磁通量密度垂直分量曲线By曲线，图5（b）为不同深度缺陷磁通量密度垂直分量By峰值曲线。由图4～5 可以看出，裂纹漏磁场的磁力线密度的水平方向分量和垂直方向分量随着裂纹深度的变化近似成正比关系，即随着缺陷深度的增加，漏磁场磁力线密度和强度增加。由此可以得到，深度较大的缺陷，其磁通量密度幅值也大，在漏磁检测时更容易被识别。

图4 不同深度缺陷漏磁场Bx 和Bx 峰值曲线

图5 不同深度缺陷漏磁场By 和By 峰值曲线

2.2 缺陷宽度对漏磁场的影响

由于笔者仿真的缺陷模型是由石油石化行业最常见的圆柱形缺陷抽象出来的，所以针对缺陷宽度的研究选取缺陷圆柱半径为度量参数，图6（a），7（a）分别描述了缺陷半径为2，3，4，5，6，7，8 mm 情况下，缺陷上方漏磁场磁通量密度水平方向和垂直方向分量曲线。图6（b），7（b）分别表示磁通量密度水平方向分量Bx和垂直方向分量By的峰值，可以发现磁通量水平分量峰值随着缺陷宽度的增加而变小，而磁通量垂直方向分量峰值随着缺陷宽度的增加先变大后呈较为平滑的变化规律。

图6 不同宽度缺陷漏磁场Bx 和Bx 峰值曲线

图7 不同宽度缺陷漏磁场By 和By 峰值曲线

2.3 缺陷间隔距离对漏磁场的影响

图8、10、12为两个缺陷之间距离不同时的漏磁场云图，选取两个宽度为8mm 的缺陷，使其间的相互距离为1，2，4，6，8，10，12，14，16mm。

图8（a）、9（a）、10（a）为不同距离缺陷的磁场云图，由图8（a）可以观察到缺陷上方有一个近似半圆的浅蓝色区域；而图9（a）、10（a）为两个已经分开的浅蓝色区域，图8（b）、9（b）、10（b）为不同距离缺陷磁通量密度垂直方向分量By的曲线。

从图8～10的缺陷漏磁场分布云图和漏磁场垂直分量曲线可以得到，当缺陷之间的距离较小时，存在的两个缺陷的等值云图和漏磁曲线都显示与一个缺陷产生的漏磁场相类似；当缺陷间的距离接近缺陷宽度时，两个缺陷之间的影响基本消除，基本分化成两个缺陷的曲线；当介于二者之间时，两个缺陷的漏磁信号存在相互影响，使缺陷的漏磁信号曲线发生变化。根据上述分析可知，两个缺陷同时存在时，缺陷之间的距离影响缺陷漏磁场的分布，图11即为所有结果图像的叠加，可较为明显地发现变化趋势。

图8 两缺陷间距离为1mm 时的漏磁检测云图和By 值曲线

图9 两缺陷距离为6mm 时的漏磁检测云图和By 值曲线

图10 两缺陷距离为14mm 时的漏磁检测云图和By 值曲线

图11 两缺陷之间距离不同时By 曲线

2.4 气隙对漏磁场的影响

磁化气隙高度为极靴与被测工件之间的距离，由于空气的磁导率非常低，故磁场在通过气隙时会产生较大的衰减，所以气隙对缺陷漏磁场也会有很大的影响。以上对缺陷直径和深度及距离的分析都是在气隙为5mm 的情况下进行的，此处将对高度为1，2，3，4，5，6，7，8 mm 的气隙进行建模分析，比较不同气隙高度对缺陷漏磁场的影响。

由图16可以看出，随着气隙的增大，磁通量密度水平分量的峰值整体呈下降的趋势，即极靴与被检测工件之间距离影响着漏磁场的强度及变化趋势。气隙越小，其漏磁场强度越大，漏磁场密度越大，为保证能够得到较为明显信号，气隙高度一般选择在5mm 以下。

3 不同腐蚀缺陷参数的漏磁检测试验

对储罐底板的腐蚀缺陷进行了试验分析，试验对象为一个厚度为8mm 的储罐底板，试验仪器为研制的储罐漏磁扫描系统。因为缺陷类型主要为腐蚀坑，因此将腐蚀坑缺陷进行简化，通过一定直径的圆柱孔来模拟实际缺陷。在钢板上取间距为2，6，10，14mm的四组缺陷，如图13中的缺陷深度分别为钢板厚度的20%，40%，60%，80%。

图12 不同气隙高度磁通量密度Bx 和峰值曲线

图13 不同间距、不同深度缺陷图片

从图14可以观察到，缺陷处磁通量密度垂直分量随着距离的增大逐渐分化成两个漏磁场的曲线，从图15可以看出磁通量密度垂直分量随着缺陷深度的增加而逐渐增大，综合试验数据图可以比较清晰地得出，有限元仿真分析与试验所得的数据所反映的漏磁场变化规律基本相同。

图14 不同间距缺陷现场试验数据

图15 不同深度缺陷现场试验数据

4 结论

（1）在一定的范围内，改变缺陷深度，缺陷处漏磁场的强度随着缺陷深度的增加而增加。

（2）在改变缺陷的宽度时，漏磁场磁通量密度水平方向分量随着缺陷宽度增加而降低，垂直方向分量则升高。

（3）磁化气隙高度也是影响漏磁检测信号的重要因素之一，随着气隙高度的增大，漏磁场的强度也逐渐减弱。

（4）缺陷之间的距离对漏磁场的影响则是随着缺陷距离的增大，漏磁场之间的相互影响逐渐减小。

［1］ 戴光，白明超，杨志军，等.储罐角焊缝裂纹漏磁检测有限元分析［J］.无损检测，2014，36（12）：89－93.

［2］ 马传瑾，关卫和，郭鹏举，等.漏磁检测技术在大型原油储罐底板上的应用［J］.无损检测，2012，34（7）：17－20.

［3］ 赵彦修，邢述，王十，等.漏磁技术在常压储罐检测中的应用［J］.无损检测，2015，37（2）：52－55.

［4］ 杨志军，戴光，陈志华.储罐底板漏磁检测腐蚀缺陷轮廓反演方法［J］.无损检测，2013，35（10）：45－47.

［5］ 戴光，孙立强，杨志军，等.圆筒形容器漏磁内检测ANSYS仿真分析与试验［J］.无损检测，2013，35（3）：25－29.