埋地钢质管道多频电磁非开挖检测技术研究

何仁碧 陈金忠 周汉权 马义来 何 骏

中国特种设备检测研究院, 北京 100029

0 前言

我国拥有长输管道10×104km,集输管道30×104km,公用管道20×104km[1],采取科学、有效的管道检测技术对埋地钢质管道进行管体腐蚀检测,可以减少或者避免管道泄漏事故的发生。

埋地钢质管道管体腐蚀检测方法有内检测、外检测[2]。管体腐蚀内检测技术对管道结构要求较高,导致部分管道不具备内检测条件[3]。管体腐蚀外检测主要包括开挖检测和非开挖检测(如瞬变电磁(TEM)及管道应力集中检测(MTM))。开挖检测技术不能对埋地钢质管道金属损失情况进行连续检测,且开挖工作量大;TEM和MTM检测技术由于未采用持续的主动激励,检测信号极易受周围环境电磁信号的干扰[4-8]。

为实现对不具备内检测条件的埋地钢制管道金属损失缺陷进行不开挖连续检测,德国学者Krivoi G提出了NoPig检测技术[9-16],本文称之为“多频电磁非开挖检测技术”。该技术是一种崭新的非开挖地面检测技术,可对输送油、气、水等介质的埋地钢质管道进行在役检测。目前,国内对该技术研究甚少,笔者从检测原理出发,分析多频电磁非开挖检测的理论基础,借助ANSYS有限元仿真软件,明确缺陷对不同频率电流、磁场的响应特征,并通过实验验证该检测方法的可行性,为研发基于多频电磁的埋地钢质管道金属损失缺陷非开挖检测设备奠定基础。

1 多频电磁非开挖检测原理

多频电磁非开挖检测原理是在待检测埋地钢质管道上通过两个测试桩向管道施加含有多个频率的交变电流,由于金属损失缺陷会对流经的交变电流产生影响，且交变电流发生变化时会导致管道周围交变磁场的变化,利用传感器在地表采集管道周围磁场信号,通过分析磁场异常信号的特性,可实现对管道金属损失缺陷的识别及量化。

2017年，哈电电机承担了白鹤滩水电站右岸电站全部8台套水轮发电机组及其附属设备的研发和制造，标志着我国开启了世界水电百万千瓦级机组的新纪元。同年10月，世界首台白鹤滩百万千瓦水电机组精品座环制造成功，赢得三峡集团高度赞许，更为党的十九大献上一份厚礼。目前，白鹤滩转轮、导水机构等主要部件正在制造中。

1.1 管道缺陷对交变电流的影响

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(1)

式中:δ为趋肤深度,mm;ω为激励交变电流的角频率,rad/s;μ为管道磁导率,H/m;σ为管道电导率,S/m;f为激励交变电流的频率,Hz。

由趋肤深度计算公式可知:交变电流频率越高则趋肤深度值越小,施加到管道上的高频率电流将主要在管道外表面流动;交变电流的频率越低则趋肤深度值越大,施加到管道上的低频率电流将在近乎整个管道壁厚范围内流动。因此,当管道存在外壁缺陷时,所有频率成分的交变电流流向均会发生变化;当管道存在内壁缺陷时,只有低频交变电流流向会发生变化。另外,不同深度的金属损失缺陷对不同频率交变电流的影响程度存在差异。

1.2 管道缺陷对管道周围磁场的影响

管道上任意导线上的电流Ii在P点产生的磁感应强度为Bi:

图1 缺陷位置电流分布示意图Fig.1 Schematic diagram of current distribution at defect location

由毕奥—萨伐尔定律可知,管道上任一导线的通电电流在管道周围任意位置P点产生的磁感应强度B为导线上所有电流元产生的磁感应强度总和[17-18],见图2。

管道上分布的电流可被看作无限个通电导线的电流总和。当管道无缺陷时,所有的通电导线相互平行分布;当管道存在内壁或者外壁缺陷时,流经缺陷的电流将会绕着金属损失缺陷流动,致使电流的流向发生变化,管道上的通电导线将不再呈平行分布,见图1。

精思的关键是善于提出问题和解决问题。读书的时候，要用脑子把作者的观点过滤一遍，提出有疑虑的地方，然后千方百计地解决疑问。这个过程能使我们在学习前人的基础上，取得发展和进步。

(2)

式中:μ为磁导率,H/m;Ii为任意导线流经的电流;Iidl为电流元;α为电流元与P点的连线与电流方向的夹角,°;r为电流元距P点的距离,m；M、N为导线的两个端点。

管道上所有等效导线电流在P点产生的磁感应强度B为:

暮色中，一张张脸上都带着红晕。诗意的盛宴过后，一群意犹未尽的造访者，挥了挥衣袖，把能带走的都带走。我不知道，在这个下午，在一棵千年古樟的心里，除了欢声笑语，有没有别的什么会是它想要记住的，如果有，那真是这一群人的荣幸。

(3)

因此,当管道存在外壁缺陷或内壁缺陷,流经缺陷位置的多频电流流向发生变化时,导致管道周围的磁场发生变化,通过对埋地钢质管道上方磁场信号的采集与分析,可实现对管道内、外壁缺陷的识别及量化。

a)直导线在P点产生的磁感应强度a)Magnetic induction intensity generated by straight wire at point P

2 多频电磁信号仿真

2.1 三维仿真模型

1)模型轴向:5.425～5.475 m及5.525～5.575 m区间网格间距为10 mm,5.475～5.525 m区间网格间距为5 mm,其他区间网格间距为50 mm。

图3 多频电磁仿真模型剖面图Fig.3 Sectional view of multi-frequency electromagneticsimulation model

3)模型径向:0～0.073 5 m区间网格间距为5 mm,0.073 5～0.079 5 m区间网格间距为0.5 mm,0.079 5～1.5 m区间网格间距为50 mm,1.5～5 m区间网格间距为100 mm。网格划分结果见图4。

通过在模型的不同区域合理设置不同的网格大小,可提高计算效率且能够得到缺陷位置的准确信息。网格划分参数如下。

与在真空中传播相比,电磁波在土壤中传播时会被介质吸收衰减部分能量[19],但电磁波只要是在各向同性均匀介质中传播时,由缺陷导致的管道周围磁场变化规律将是一致的。因此,本次仿真将管道周围介质简化成真空,研究金属损失缺陷对流经的交变电流及管道周围磁场的影响特征。

记行和、列和为S，则6abc=S3+2(a3+b3+c3)-3S(a2+b2+c2)，对另外两行有类似的等式，三式相加得到：6(abc+def+ghi)=3S3+2P-3SQ，其中P是全部9个数的立方和，Q是平方和.同理6(adg+beh+cfi)=3S3+2P-3SQ.故(6)得证.

2)模型周向:网格按3度为间隔进行等间隔划分。

利用ANSYS有限元仿真软件对管道、内/外壁金属损失缺陷及管道周围真空区域进行建模,见图3。模型参数为:管道规格为Φ159×6 mm,管道长度为11 m,管道内为真空介质,管道外设置半径为5 m的圆柱形真空区域;缺陷位于管道5.5 m位置、12点钟方位,缺陷长度为50 mm、缺陷宽度为50 mm,外壁缺陷深度分别设置为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm,内壁缺陷深度分别设置成3 mm、4 mm、5 mm。

图4 模型网格划分图Fig.4 Mesh division diagram of model

分别在不同的仿真模型管道上加载5个频率(f1=8 Hz、f2=67 Hz、f3=167 Hz、f4=340 Hz、f5=630 Hz)的交变电流,电流从管道一端流向另一端,交变电流的幅值设置为10 A,采用谐波响应分析求解方法进行计算。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 缺陷对电流的影响

对管道施加含有多个频率的交变电流,交变电流在钢质管道中从一端流向另一端。由于交变电流在管道中流动时存在趋肤效应,导致不同频率交变电流的趋肤深度存在差异。交变电流在埋地钢质管道上流动时趋肤深度计算公式如下:

其中弹簧也是悬架中“承载”元件，由弹簧支撑的车身重量称为车辆悬挂质量(簧上质量)，车轮和车轴以及不是弹簧支撑的汽车其他部件称为非悬挂质量(簧下质量)。如图3所示。

为了研究管道缺陷对流经电流的影响特征,分别读取无缺陷管道、含3 mm外壁金属损失缺陷管道及含 3 mm 内壁金属损失缺陷管道三个仿真模型在缺陷及其附近位置(模型5.425～5.575 m管段)的电流密度分布,见图5。由图5可知:当交变电流流经无缺陷管道时,电流密度分布均匀且相互平行,见图5-a);当交变电流流经管道外壁及内壁金属损失缺陷时,电流流向均发生了变化[20],见图5-b)、5-c)。

a)无缺陷管道电流密度分布a)Current density distribution ofdefect-free pipelines

为了研究金属损失缺陷对管道周围磁场分布的影响,设定磁感应强度数据提取路径line1,line1为在管道正上方距管道中心1.5 m处与管道轴向平行的一条直线,line1线的长度与管道长度相同。分别提取无缺陷、含外壁金属损失缺陷及含内壁金属损失缺陷三个模型仿真计算果在line1上的磁感应强度值B,将各个频率的磁感应强度值B除以对应频率的电流值得到line1上不同频率的B/I曲线,见图6。由图6可知：当管道无缺陷时,line1上各点所有频率的B/I值相同,B/I曲线呈一条直线,见图6-a);当管道存在外壁缺陷时,所有频率的B/I值在缺陷及其附近产生了异常,见图6-b);当管道存在内壁缺陷时,低频率的B/I值在缺陷及其附近位置产生了异常,而高频率的B/I曲线变化不明显,见图6-c)。因此,通过分析管道上方磁感应强度与相应频率电流的比值B/I是否发生异常,可判定管道是否存在缺陷;进一步分析发生异常信号的频率范围,可实现对管道内、外壁金属损失缺陷的区分。

2.2.2 缺陷对磁场的影响

本文以福州马尾大桥为背景工程，针对大跨度空腹式钢-混凝土混合变截面连续梁桥的桥型新颖、设计与构造复杂、跨度大等特点[10-11]，利用桥梁专用软件MIDAS/Civil进行数值模拟分析，以主跨钢箱梁长度为变化参数，探讨恒、活载比例分配以及恒、活载作用下主梁受力性能及变化规律，提出受力合理且相对经济的钢箱梁长度建议。

a)无缺陷管道仿真模型line1上B/I曲线图a)B/I curves on line1 of the non-defect pipeline simulation model

在line1上5.5 m位置(缺陷所在位置里程)分别提取无缺陷管道、含不同深度外壁金属损失缺陷管道及含不同深度内壁金属损失缺陷管道的模型仿真计算得到的磁感应强度值B,将各个频率的磁感应强度值B与对应频率的电流值相除得到不同缺陷深度的B/I曲线,见图7。可见,当管道存在外壁金属损失时,缺陷位置所有频率成分对应的B/I值均比无缺陷位置的B/I值大,且随着缺陷深度的增大,B/I值变化幅度逐渐增大;当管道存在内壁金属损失时,缺陷位置低频成分对应的B/I值较无缺陷位置的B/I值大,且内缺陷深度越大,B/I值变化幅度越大。因此,当管道存在不同深度的金属损失缺陷时,管道周围不同频率的B/I值变化量存在差异,通过分析不同频率的B/I值变化程度可实现对金属损失缺陷的量化。

a)不同深度外壁金属损失缺陷的B/I曲线图a)B/I curves of metal loss defects on the outer wall at different depths

3 多频电磁信号实验

为了验证多频电磁检测技术理论及仿真分析的正确性,搭建了多频电磁试验平台。试验平台主要包含如下模块:多频任意信号编辑软件、信号发生器、多频电流激励源、含缺陷管道、磁场传感器、数据采集装置及上位机软件,各模块见图8。通过本试验系统可以同时在管道上施加含任意多个频率范围为0.01 μHz～150 kHz 的交变电流,最大电流可以达到20 A,磁场信号采集单元可以实现对nT级磁场信号的稳定采集并实时传输到上位机显示、存储。

3、调整播期和播深：根据土壤温度回升情况决定播期，寒冷地区要避免早播。在保墒情的前提下，播深尽可能不超过5厘米。

a)电流激励源a)Current excitation source

利用多频信号编辑软件编制含有5个频率(f1、f2、f3、f4、f5)的信号曲线,信号发生器将信号曲线生成多频交变电压信号传输给电流激励源,电流激励源对信号发生器产生的电压信号进行放大后以恒定的电流输出到被检管道两端,总电流大小为20 A。实验管道规格为Φ159×6 mm,加工的人工外缺陷位于管道中间位置(设定为0 m位置),缺陷大小为Φ50×3 mm。磁场传感器与被检管道的相对位置见图8,分别在管道轴向上-3.5 m、-3 m、-2.5 m、-1.5 m、-0.5 m、-0.1 m、-0.05 m、0 m、0.05 m、0.1 m、0.5 m、1.5 m、2.5 m、3 m、3.5 m位置采集并记录管道周围的磁场信号。

将采集到的各频率磁感应强度除以对应频率的电流大小得到管道不同位置的B/I曲线,见图9。由图9可知,管道缺陷位置所有频率的磁感应强度与相应频率电流的比值B/I均呈现异常特征,缺陷及其附近位置的 B/I 值较无缺陷位置的B/I值大,这一变化特征与仿真分析结果一致。

图9 缺陷管道多频电磁检测实验结果图Fig.9 Experimental results of multi-frequency electromagneticdetection of defective pipelines

4 结论

1)当管道无缺陷时交变电流在管道上均匀分布,line1上各个频率的磁感应强度与相应频率电流的比值B/I相同;当管道存在外壁金属损失缺陷时,缺陷会对施加在管道上所有频率的交变电流流动方向产生影响,导致line1上缺陷及其附近位置所有频率的磁感应强度与相应频率电流的比值B/I均发生了异常;当管道存在内壁金属损失缺陷时,缺陷对施加到管道上的低频率交变电流的流动方向产生了较大影响,line1上缺陷及其附近位置只有低频率的磁感应强度与相应频率电流的比值B/I发生了异常。通过分析line1上不同频率的B/I值是否发生变化确定管道是否存在金属损失缺陷;分析 B/I 值发生变化的频率范围可区分缺陷位于管道内壁还是外壁。

2)当管道金属损失缺陷深度不同时,管道周围不同频率的磁感应强度与相应频率电流的比值B/I产生的异常存在差异,通过分析不同频率磁感应强度与相应频率电流的比值B/I变化量可以实现对缺陷深度的量化。

3)本研究采用的有限元仿真分析方法和实验测试设备,为开发基于多频电磁的埋地钢质管道金属损失缺陷非开挖检测设备提供了基础和参考。