多种类型缺陷的漏磁场特性研究*

韩文花，张玉祥，原 野，汪素青，苏晓燕

（上海电力学院自动化工程学院，上海 200090）

0 引言

随着工业的发展和铁磁性材料的普遍使用，漏磁检测在诸多领域有着重要应用，如油气管道［1］、储罐［2］、轨道［3］、武器装备［4］等。由于服役时间增长，这些设施又多处于较恶劣的环境下，为防止发生诸如油气泄露，污染环境等恶劣影响，需要对其进行定期检测维护［5］。漏磁检测与其他检测技术相比，具有速度快、效率高、成本低、易于实现检测自动化、受外界环境影响小等优点，并广泛应用于铁磁性材料设备的腐蚀、裂纹和机械损伤等缺陷的检测与评估［6］，尤其在石油和天然气管道的检测中，漏磁检测已经成为使用最广泛的非破坏性在线检测技术［7］。漏磁检测技术近年来发展迅速，从早期的仅能检测较大面积腐蚀，到现在可以检测和识别出各类微小的缺陷，并能重构出缺陷轮廓［8-9］，其原因有检测装置性能的提高，数据分析能力的进步，漏磁检测多年来的使用经验，以及对各类型缺陷特征提取的技术积累。

近年来，漏磁检测的数值模拟和缺陷漏磁信号的处理方面进行了大量研究，包括三轴漏磁检测模拟［10］、多种缺陷的建模［11-12］、基于智能算法的缺陷重构［8-9］等，这些研究为漏磁检测中缺陷的识别和量化提供了宝贵的理论依据。

本文利用ANSYS软件建立了二维漏磁检测模型，分析影响漏磁场的因素以及邻近缺陷漏磁场的相互作用，并研究相似漏磁场与缺陷真实特征的对应关系，以期为漏磁检测中缺陷的识别和量化提供更可靠的依据。

1 缺陷漏磁场的建模

在ANSYS软件中对缺陷漏磁场进行建模，模型主要包括被测管壁、磁铁、轭铁、铁刷以及空气5部分，二维漏磁检测仿真模型如图1所示。需定义材料属性如下：①管壁采用X52号钢，设定相应的B-H曲线；②磁铁采用钕铁硼磁铁，根据其励磁方向设定矫顽力的大小和方向，磁铁产生的磁力作为整个结构的载荷；③轭铁和铁刷的相对磁导率设为186 000；④空气部分的相对磁导率设为1。然后对模型进行网格划分，磁力线分布密集的部分要进行细致划分。ANSYS软件会将永磁材料转化为等效电流并加载到每个单元和节点上，因此，只需定义无限远场单元为INFIN110，而无需其他设定，求解处理采用静态的通用标势法［15］。后处理阶段通过对路径提取可获得漏磁场的轴向分量和径向分量，磁感应强度云图如图2所示，从图中可以直观地观察到漏磁场的分布情况。

2 缺陷漏磁场有限元分析

2.1 单个对称缺陷漏磁场仿真分析

首先，为研究缺陷宽度与漏磁场的关系，将缺陷简化为矩形，对6个不同宽度的缺陷进行了建模，其中缺陷深度为50%（4mm），提离值为2mm，缺陷宽度分别为 a：2mm，b：5mm，c：8mm，d：11mm，e：15mm，f：20mm，相应的漏磁场分布如图3所示。

从图3可以看出，随缺陷宽度的增加，轴向分量的峰值先升后降，缺陷宽度大于10mm之后，漏磁场轴向分量由单波峰变为双波峰，径向分量的峰值先升后降，峰峰值亦先升后降，波峰和波谷之间水平间距逐渐增大。漏磁场轴向分量峰值和径向分量的峰峰值随宽度的变化曲线如图4所示，可以看出，宽度为5mm时轴向分量波峰值为最大。

其次，为研究缺陷深度与漏磁场的关系，对6个不同深度的缺陷进行了建模，其中缺陷宽度为10mm，提离值为 2mm，缺陷深度分别为 a：20%，b：30%，c：40%，d：50%，e：60%，f：70%，相应的漏磁场分布如下页图5所示。

从图5可以看出，随缺陷深度的增加，轴向分量峰值增大，径向分量峰峰值增大，而漏磁场轴向分量峰值和径向分量峰峰值随深度的变化曲线，如下页图6所示。

为研究不同的传感器提离值与漏磁场的关系，缺陷宽度为10mm，深度为50%，提离值分别为a：1mm，b：2mm，c：3mm，d：4mm，e：5mm，f：6mm，相应的漏磁场分布如下页图7所示。

从图7可以看出，随提离值的增大，检测到的漏磁信号变小，不利于准确的识别和量化缺陷，所以为获取较完整的漏磁信号特征，提离值应取较小一些。在实际工程设计中，要综合考虑检测装置、管壁材料、工作环境等条件，设定合适的传感器提离值。

2.2 单个不对称缺陷漏磁场仿真分析

实际检测中遇到的缺陷包括坑状腐蚀缺陷、裂纹等多种类型，本文将底部不平整的缺陷简化为三角形进行建模。

首先，对5个不同宽度的缺陷进行了建模，其中缺陷最大深度为50%，缺陷宽度分别为a：2mm，b：5mm，c：10mm，d：20mm，e：30mm，相应的漏磁场分布如图8所示。

从图8可以看出，随缺陷宽度的增大，轴向分量波峰发生偏移，保持单波峰，且波峰增大，径向分量波峰和波谷也发生偏移，波峰增大，波谷变小，峰峰值增大。

其次，缺陷深度不同时，缺陷宽度为10mm，缺陷最大深度分别为 a：10%，b：30%，c：50%，d：70%，e：90%，相应的漏磁场分布如下页图9所示。

从图9可以看出，随缺陷深度的增加，轴向分量波峰值增大，径向分量的峰值增大。关于对称缺陷与不对称缺陷，缺陷宽度对漏磁场的影响规律是类似的。

2.3 邻近缺陷漏磁场及其相互作用仿真分析

在实际检测中会存在两个甚至多个缺陷距离较近的情况［6］，漏磁场之间会存在相互作用，为此，对两个邻近缺陷以及3个邻近缺陷的漏磁场相互作用进行了研究。

首先，假定两个缺陷相邻，对6个不同间距的邻近缺陷进行了建模，其中两个邻近缺陷中的单个缺陷宽度均为10mm，缺陷深度为50%，缺陷间距分别为 a：1mm，b：2mm，c：5mm，d：10mm，e：15mm，f：20mm，相应的漏磁场分布如图10所示。

从图10可以看出，当间距较小时，漏磁场相互作用很大，轴向分量波峰近乎重合，邻近缺陷的漏磁场可近似看作一个缺陷形成的漏磁场，随间距的增大，漏磁场的相互作用逐渐减弱，当间距为20mm时，邻近缺陷之间的漏磁场相互作用可以忽略，并且轴向分量的波峰位置会相对移动到漏磁场的两边。

对6个不同间距缺陷进行了建模，其中两个邻近缺陷中的单个缺陷宽度均为20mm，缺陷深度为50%，缺陷间距分别为 a：2mm，b：4mm，c：10mm，d：20mm，e：30mm，f：40mm，相应的漏磁场分布如图 11 所示。

从图11可以看出，缺陷宽度为20mm时漏磁场随间距的变化规律与缺陷宽度为10mm时漏磁场随间距的变化规律类似，在间距大于20mm之后，两个缺陷之间的漏磁场相互作用可以忽略。

对4个不同深度的缺陷进行了建模，其中两个邻近缺陷中的单个缺陷宽度均为10mm，缺陷间距为 2mm，缺陷深度分别为 a：20%，b：40%，c：60%，d：80%，相应的缺陷漏磁场分布如图12所示。

从图12可以看出，即使深度变化，在间距20mm时两个缺陷之间的漏磁场相互作用都可以忽略。

从图10～图12可以看出，在间距大于20mm时两个缺陷之间的漏磁场相互作用可以忽略。

其次，假定3个缺陷相邻，缺陷宽度均为10mm，缺陷深度为50%，缺陷间距分别为，a：1mm，b：2mm，c：5mm，d：10mm，e：15mm，f：20mm，相应的缺陷漏磁场分布如图13所示。

从图13可以看出，在间距接近20mm时，可以完全区分出3个缺陷漏磁场，而在间距较小时中间缺陷的波峰和波谷会消失，可近似看成两个邻近缺陷产生的漏磁场，或者一个缺陷产生的漏磁场。

此外，从图3、图10、图13可以看出，宽度和深度相同的情况下，3个邻近缺陷比两个邻近缺陷漏磁场的轴向分量峰值小，2个邻近缺陷又比单个缺陷漏磁场的轴向分量峰值小，图14给出单个、2个邻近、3个邻近缺陷且间距为2mm缺陷漏磁场的轴向分量峰值随宽度的变化曲线。

为研究邻近缺陷漏磁场峰值降低的规律，对单个深度50%缺陷与2个等宽深度为65%间距为2mm的邻近缺陷进行了建模，单个缺陷和2个邻近缺陷的漏磁场轴向分量峰值随宽度的变化曲线如图15所示，可以看出缺陷宽度大于12mm时，两种缺陷漏磁场的轴向分量峰值变化基本一致。

3 相似漏磁场与缺陷真实特征的对应关系

从上述实验得知，不同的缺陷会产生相似的漏磁场，实测漏磁信号，可能对应单个缺陷或多个缺陷，为此，研究相似漏磁场与缺陷真实特征的对应关系，前提是单个缺陷的宽度和两个邻近缺陷加上其间距的总宽度相同。

首先，关于对称缺陷，深度30%为例，对多个不同宽度的单个缺陷和两个邻近缺陷，其相应的缺陷漏磁场的轴向分量峰值随宽度的变化曲线如图16所示，可以看出在缺陷宽度大于12mm后，两种缺陷的峰值变化基本相同，可推断，在缺陷宽度大于12mm之后，单个缺陷和2个邻近缺陷会产生相似漏磁场。

缺陷深度均为30%。第一组宽度22mm、间距1mm，相应的缺陷漏磁场分布如图17所示。第二组宽度32mm、间距2mm，相应的缺陷漏磁场分布如图18所示。第三组宽度10mm、间距2mm，相应的缺陷漏磁场分布如图19所示。图17、18中，漏磁场分布情况基本相同，图19中轴向分量峰值稍有不同，这是因为缺陷宽度为10mm，正如图16中小于12mm。因此，上述推论成立，缺陷宽度小于12mm时，是否会产生相同的漏磁场，则需进一步研究。

其次，关于不对称缺陷，假定单个不对称缺陷最大深度60%，宽度22mm，2个相邻等宽缺陷深度分别为30%和60%，间距2mm，相应的不对称缺陷漏磁场分布如下页图20所示。从图20可以看出，对于不对称缺陷，上述推论仍然成立。

最后，关于3个邻近缺陷，从图14可以看出3个邻近缺陷产生的漏磁场轴向分量峰值非常低。实验发现，只改变缺陷宽度，3个邻近缺陷很难产生与单个缺陷或两个邻近缺陷类似的漏磁场。

据图15中的规律，对相同宽度34mm的深30%的单个缺陷和深50%的3个邻近缺陷，漏磁场分布如图21所示，可看出漏磁场分析情况基本相同。可见，存在3个邻近缺陷与单个缺陷产生相似漏磁场的情况，但缺陷轮廓特征需满足一定的规律，经过验证，改变缺陷宽度，漏磁场分布情况仍然相同。

4 结论

本文利用有限元方法对缺陷进行建模，除了常规的矩形缺陷外，还有不对称的三角形缺陷、2个邻近缺陷、3个邻近缺陷，获得了包括宽度、深度、提离值等因素对缺陷漏磁场的影响规律，得到了缺陷的漏磁场发生相互作用的间距范围，及漏磁场在相互作用时随间距变化的规律，发现了相似漏磁场可能由不同种类缺陷产生，可以得到以下4个结论：

①对于单个对称缺陷，随宽度的增大，轴向分量峰值先增后降，由单波峰变为双波峰，径向分量峰峰值先增后降；随深度的增加，轴向分量峰值增大，径向分量峰峰值增大；提离值较小时漏磁检测装置能够检测到较完整的漏磁信号。

②对于单个不对称缺陷，随宽度的增大，漏磁场的波峰随着缺陷最深处的位置移动而发生偏移，轴向分量波峰值增大，径向分量波峰值增大，波谷值的绝对值变小，峰峰值增大；随深度的增加，轴向分量峰值增大，径向分量峰峰值增大。

③随邻近缺陷间距的增大，漏磁场相互作用减弱，间距大于20mm时相互作用可以忽略，此规律受缺陷宽度和缺陷深度影响较小；邻近缺陷漏磁场相互作用时，轴向分量波峰位置会相对移动到漏磁场的两边，波峰值较单个缺陷产生的漏磁场轴向分量波峰值小，相互作用的漏磁场越多，此规律越明显，且峰值降低的规律和缺陷深度的变化对峰值的影响有一定对应关系。

④检测到的漏磁场，可能是由一个缺陷产生，也可能是由多个缺陷的漏磁场相互作用产生，给出了不同缺陷产生相似漏磁场的规律，在实际检测过程中可以利用这些规律，为快速、准确地识别和量化缺陷提供理论依据。

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