管道环焊缝缺陷漏磁检测仿真模拟

　　摘要：基于漏磁检测技术基本原理，采用有限元方法，应用COMSOL软件对管道环焊缝及焊缝处常见缺陷磁化后产生的漏磁场进行了仿真模拟，得到描述磁场分布特征的磁通密度径向和轴向分量分布曲线。通过改变焊缝余高以及焊缝处凹坑、错边和咬边的几何参数，得到了不同缺陷类型在不同尺寸下的磁场分布。结果表明：管道环焊缝磁场分布呈增厚特征，且随着焊缝余高的增加，磁通密度径向和轴向分量值均明显增大;焊缝与其中心缺陷呈两者复合的磁场分布特征。焊缝中心凹坑磁场分布呈减薄特征，且磁通密度轴向和径向分量峰的峰宽均随凹坑直径的增加近线性增大;随着错边量的增加，缺陷处磁通密度分布曲线的峰值均明显增大;随着咬边深度的增加，咬边位置的磁通密度减小。

　　关键词：管道环焊缝;径向励磁;焊缝缺陷;磁通密度;有限元模拟

　　0 前言

　　焊接過程受焊道设计、工艺、材料、环境等多方面因素的影响，不可避免地会出现各种缺陷。这些缺陷的存在可能会造成管道开裂、油气泄露甚至爆炸等严重事故[1]。为了保证管道安全运输，需要定期对其进行无损检测和安全评估。目前常用的无损检测方法有涡流检测、射线照相检测、超声检测、磁粉检测和漏磁检测法等。其中漏磁检测技术具有检测灵敏度高、不需要耦合剂、受外界干扰小、检测速度快且易实现自动化，更适于大面积、长距离管道的快速检测，是目前国内外应用最为普遍的管道内检测技术[2-5]。

　　文中基于漏磁检测原理，应用COMSOL软件，采用径向励磁方法对管道环焊缝及焊缝处常见缺陷进行三维仿真，得到了不同焊缝缺陷的磁通密度径向和轴向分量的分布规律，为管道焊缝缺陷漏磁信号特征识别提供理论依据，同时对径向励磁在铁磁性材料漏磁检测中的可行性和适用性进行了理论探讨。

　　1 漏磁检测技术的基本原理

　　传统的管道漏磁检测以轴向励磁检测为主。由于铁磁性材料磁导率高，当管道被磁化时，磁感线会被约束在管道内部，且几乎没有磁力线从表面穿出，被检测工件表面几乎没有漏磁场。若管道存在裂纹、凹坑等切割磁力线的缺陷，由于缺陷处磁阻远大于管材，就会有部分磁感线从管壁漏出，从而形成漏磁场。利用管道上方的磁敏传感器可以检测到相关信号变化，从而判断缺陷的存在和相关特征[6-10]。

　　为了使检测器检测效果达到最佳状态，传统漏磁检测技术需要将管道等铁磁性材料磁化至饱和或近饱和，这可能会带来很多问题。首先，将管道磁化到饱和后退去磁场会有很大的剩磁，会对二次检测造成严重干扰;其次，轴向励磁很多时候采用线圈磁化，要形成强磁场则需要很大的安匝数，从而使得电流的热效应不可忽视，长时间工作可能会对检测装置的寿命产生一定影响[11-12]。

　　径向励磁和轴向励磁类似，其基本原理如图1所示，通过在检测器探头内部集成一块永磁铁，检测器在管道内运行过程中管道内表面被永磁铁磁化。径向励磁不同于轴向励磁之处在于：径向磁感线垂直于管道轴向方向并穿过表面回到磁铁。对于正常的无缺陷管道，其内表面是光滑的平面，在探头磁铁和管道内表面之间会形成相对稳定的磁场;而当管道存在缺陷时，原有磁场的分布状态会被改变，通过在磁铁和管壁间安装霍尔元件可采集探头位置管道内表面的磁场信号，通过进一步比较分析磁场分布特征可判断缺陷的存在及特征，既可达到检测的目的，又不需要采用强磁场对管道进行磁化[13]。

　　为了验证上述方法的可行性和有效性，下面采用有限元模拟方法对上述径向励磁过程进行仿真分析。上述过程的有限元模型如图2所示(考虑仅为验证该方法的可行性，这里采用平板代替管道进行几何模型的简化分析)，无缺陷和有缺陷时有限元计算得到的磁力线分布如图3所示，相应的磁通密度分布曲线如图4所示。设模型中管子径向(即壁厚方向)为坐标轴x方向，轴向(管道长度方向)为y方向，即Bx为磁通密度径向分量，By为磁通密度轴向分量。

　　由图3可知，无缺陷时，管体经过励磁后，由于其磁导率远大于空气，因此绝大部分磁通从管体内通过构成回路。在距平板上表面1 mm处沿平板长度方向提取磁场分布，结果显示其径向分量Bx为一恒定值(见图4a，磁力线均匀通过管体形成稳定磁场)，轴向分量By为一条近乎为零的水平线(见图4b);而有缺陷时，缺陷边缘处磁力线发生明显畸变(见图3)，并且在相同提离值位置可以看到不同的磁场信号，有缺陷时磁通密度径向分量Bx呈一典型的凸峰，轴向分量By则沿缺陷中心呈一负一正的两个对称峰。可见，采用径向励磁方法模拟有缺陷的漏磁通是可行且有效的。

　　2 环焊缝及其中心缺陷有限元模型

　　2.1 三维几何模型

　　焊缝及其中心凹坑、错边和咬边缺陷的三维几何模型如图5所示，为便于比较分析，采用尺寸为150 mm×50 mm×9 mm的平板代替管道进行有限元建模与计算分析;永磁体尺寸40 mm×30 mm×5 mm，永磁体与板面距离为5 mm。同时，模型中考虑了焊缝表面余高的影响。

　　2.2 材料属性

　　由漏磁检测原理可知，模型中的关键部件有管道、永磁体和空气罩，模型中需分别对这些部件的材料属性进行定义。文中以Q235管材为研究对象，已知空气的相对磁导率大小为1.0，磁铁采用永磁体，相对磁导率为1.045、矫顽力为960 000 A·m-1。

　　2.3 网格划分

　　在有限元模拟计算中，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时也会增加计算量喝计算时间。有限元网格模型如图6所示，焊缝处采用均匀致密的网格以提高计算精度，远离焊缝中心部分则采用较疏的六面体扫掠网格来缩短计算时间。

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文章名称： 管道环焊缝缺陷漏磁检测仿真模拟

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