基于饱和低频涡流检测技术的管道内外缺陷识别方法仿真

孙 宇，葛玖浩

(1.中国石油天然气管道工程有限公司，廊坊 065000;2.中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心， 青岛 266580)

基于饱和低频涡流检测技术的管道内外缺陷识别方法仿真

孙 宇1，葛玖浩2

(1.中国石油天然气管道工程有限公司，廊坊 065000;2.中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心， 青岛 266580)

管道检测中，由于集肤效应的限制，常规涡流检测技术很难对深层缺陷进行检测。通过外加直流磁化场,使用饱和低频涡流技术(SLFEC)将被测工件磁化至饱和状态，可降低其相对磁导率进而增加集肤层厚度，提高检测深度。基于饱和低频涡流检测技术原理，采用有限元方法构建饱和低频涡流检测技术仿真模型。仿真表明，SLFEC技术对壁厚30 mm管道不同埋深裂纹和管道内外腐蚀缺陷均具有较好的检测效果，同时采用阻抗分析法可较好地区分管道不同埋深裂纹和内外腐蚀。

饱和低频涡流技术；不同埋深裂纹；内外腐蚀；仿真研究

石油天然气管道是石油工业的血管，截至2012年上半年,我国油气管道总长度已达9.3万km。伴随我国油气管道的快速发展，许多在役管道已进入事故多发期，管道内外表面易出现腐蚀、裂纹、应力腐蚀开裂、穿孔等缺陷，威胁石油工业的生产安全，因此开展管道内外缺陷检测对保证石油化工行业平稳发展和安全生产有着重要意义[1]。

涡流检测技术(ECT)是石油天然气管道检测中常用的电磁检测技术，其基于电磁感应原理，交流激励下涡流线圈在被测工件表面会感应出涡电流；当被测工件表面出现缺陷时，感应涡流场会产生畸变，从而导致线圈阻抗变化；通过分析线圈阻抗变化分析可对缺陷进行识别。该技术具有非接触测量、无需耦合剂的特点[2-3]。

涡流检测法由于集肤效应的存在，对导电工件表面或近表面缺陷具有较高的检测灵敏度。但正因为存在集肤效应的限制，常规涡流检测法很难对亚表面和深层缺陷具有较好的检测效果，在工业应用中易造成漏检，甚至导致安全事故的产生[4]。

饱和低频涡流检测技术(Saturated low frequency eddy current，SLFEC)是近年由英国Innospection公司开发的一项电磁检测新技术[3-4]。该技术在原有涡流检测技术的基础上引入直流磁化磁场，利用叠加磁场来降低被测工件的相对磁导率，增大涡电流的集肤深度，从而实现对深层缺陷的检测[5]。在现场应用中该技术能够对33 mm厚度材料深层缺陷进行良好检测，同时可穿透10 mm包覆层对工件进行检测，具有良好的应用前景。

笔者基于饱和低频涡流技术原理，采用三维有限元技术构建饱和低频涡流技术有限元检测模型，分析缺陷埋藏深度和类型引起的线圈阻抗变化，最终构建缺陷深度和类型识别方法，为管道内外缺陷检测和识别提供技术支持。

1 饱和低频涡流检测技术原理与仿真

1.1 技术原理

图1 饱和低频涡流检测技术原理示意

图2 外加磁场强度与相对磁导率的关系曲线

如图1所示为饱和涡流检测技术原理示意，当在试件表面施加直流磁化场时，工件沿壁厚方向被磁化，导致相对磁导率降低。如图2所示为外加磁场强度与相对磁导率的关系曲线。假设磁化后工件除相对磁导率外其余参数没有改变，由集肤效应公式可知，相对磁导率的减小会导致集肤深度增加，进而增大检测深度。

式中：μ0为真空磁导率;μr为相对磁导率;σ为电导率;ω为激励频率。

1.2 有限元模型

采用有限元软件COMSOL MULTIPHYSICS构建如图3所示的饱和低频涡流检测技术有限元模型，该模型由直流磁化器、涡流线圈、差分线圈和管道构成。为模拟工件相对磁导率随磁场的变化情况，将如图4所示的低碳钢磁化曲线输入有限元模型中，模型中其余材料参数如表1所示。图5为模型中不同磁化强度对应得到的工件相对磁导率。

图3 SLFEC模型示意

图4 低碳钢BH曲线

由于饱和低频涡流技术中存在直流磁化场和交流电磁场，因此若采用瞬态分析将会有庞大的计算量。因此为了更好地模拟饱和低频涡流技术，提出“静磁场稳态分析加交流场频域分析”两段式复合分析方法。首先采用COMSOL“磁场无电流物理场”进行静磁场稳态分析，获得工件被磁化饱和后的相对磁导率。然后将第一步中获得的材料参数变化值作为第二步分析的材料参数，采用COMSOL“磁场物理场”进行频域分析，同时频域分析时保证涡流磁场不会导致直流磁化场变化，最终通过分析涡流线圈阻抗变化识别深度缺陷。

表1 有限元模型参数

图5 仿真模型中相对磁导率与外界磁场的变化关系

2 不同深度和类型缺陷检测

为了更好地表征SLFEC技术的检测能力，笔者采用SLFEC技术分别对不同埋藏深度和类型的缺陷进行检测，分析不同埋藏深度和类型的缺陷导致的线圈阻抗变化，进而构建缺陷埋深和类型的识别方法。

2.1 不同埋藏深度缺陷检测

图6为被测试件的结构示意，试件中含有5个亚表面缺陷和1个表面缺陷。仿真中采用探头不动，工件移动的方法来模拟探头对不动缺陷的检测，其中工件沿水平方向左并以1 mm步距移动。检测得到前5个非表面检测结果如图7(a)所示，同时为了对比，采用激励电流1 A，激励频率10 kHz，提离高度与SLFEC相同的涡流探头得到如图7(b)所示结果。

图6 缺陷结构示意

图7 SLFEC技术和ECT技术检测非表面缺陷的对比

由结果可知，SLFEC技术可清晰地对不同埋深缺陷进行检测，而ECT技术对埋深10 mm以下的缺陷较难分辨。将表面缺陷检测结果与埋深10 mm缺陷的结果对比，得到如图8所示的结果，由结果可知采用SLFEC技术可以很好地区分表面缺陷和非表面缺陷。由阻抗图可知非表面缺陷信号位于一、三象限，表面缺陷位于二、四象限。通过分析“8字图”所在象限可有效区分缺陷位置。

图8 表面缺陷与埋深10 mm缺陷的检测结果对比

2.2 不同类型缺陷检测

由于管道经常输送天然气、原油等含腐蚀成分的介质，管道内部容易产生腐蚀缺陷;同时管道埋藏在土壤中，易发生电化学腐蚀，故外部同样会产生腐蚀缺陷。为进一步验证SLFEC技术的检测能力，采用SLFEC技术分别对表面和内部凹坑进行检测，以模拟管道内外腐蚀的检测。图9为管道内外腐蚀缺陷外观示意。图10为其检测结果。

图9 表面腐蚀坑和内部腐蚀坑外观示意

图10 表面和内部腐蚀坑的SLFEC检测结果

由检测结果可知：SLFEC技术对管道内外腐蚀均具有较好的检测效果，同时与判断裂纹不同埋深一样，表面腐蚀坑“8字图”位于二、四象限，非表面腐蚀坑“8字图”位于一、三象限。表明SLFEC技术对腐蚀缺陷具有较好的检测和识别能力，同时可判别表面腐蚀和内部腐蚀不同位置。

由SLFEC技术对不同埋深裂纹和内外腐蚀坑的检测仿真结果可知，SLFEC技术对不同埋深裂纹和内外腐蚀坑均具有较好的检测效果，较传统涡流技术可有效提高检测深度；同时采用阻抗平面分析法，可有效区分内外缺陷。

3 结论

(1) SLFEC技术可有效改变被测管道的相对磁导率，增大涡流集肤效应渗透距离，提高检测深度。

(2) SLFEC技术对管道内外裂纹、腐蚀坑均具有较好的检测能力，采用阻抗分析法，表面缺陷阻抗图出现在二、四象限，非表面缺陷阻抗图出现在一、三象限。故，SLFEC具有较好的内外缺陷识别能力。

[1] 董绍华, 费凡, 安宇,等. 管道腐蚀评估技术与其检测方法对比[J]. 无损检测, 2016,38(3):34-40.

[2] 林俊明, 赖传理, 任吉林. 钢管涡流探伤中缺陷信号的相位分辨[J]. 无损检测, 2011,33(1):2-4.

[3] JARVIS R, CAWLEY P, NAGY P B. Current deflection NDE for the inspection and monitoring of pipes[J]. Ndt & E International, 2016, 81:46-59.

[4] 康宜华, 宋凯, 杨建桂,等. 几种电磁无损检测方法的工作特征[J]. 无损检测, 2008,30(12):928-930.

[5] SUKHIKH A V, SAGALOV S S. Application of the magnetic saturation method for eddy-current inspection of spent fuel elements from fast reactors[J]. Atomic Energy, 2007, 102(2):139-145.

Simulation of Pipeline Inner and Outer Defect Recognition Based on Saturated Low Frequency Eddy Current Technique

SUN Yu1, GE Jiu-hao2

(1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Langfang 065000, China;2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Eddy current testing (ECT) is a normally used nondestructive testing method. However, because of the skin effect, it is difficult to detect the deeper defects by ECT. Using saturated low frequency eddy current technique (SLFECT), the structure is magnetized to saturation by adding a direct magnetizing field; in addition, the relative permeability is decreased and the skin effect is reduced. In this paper, based on the thesis of SLFECT, the model of SLFECT is built by finite element method. The simulation results indicate that the crack in different depth, inner and outer corrosions can be detected obviously; moreover, using the impedance analysis method, the depth of crack and position of corrosion can be recognized.

Saturated low frequency eddy current technique; Cracks in different depth; Inner and outer corrosion; Simulation study

2016-07-28

基金名称：山东省自然科学基金资助项目(ZR2015EM009);青岛市科技发展计划资助项目(14-2-4-49-jch)。

孙 宇(1978-)，男，本科，工程师，主要从事油气管道工程项目管理工作。

葛玖浩，E-mail:gejiuhao@163.com。

10.11973/wsjc201702003

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0009-04