Relationship between the overlap of internal and external defects and the leakage magnetic field signal of ferromagnetic components
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摘要:
基于漏磁检测原理,利用COMSOL有限元仿真软件模拟了含缺陷小管径薄壁管道的漏磁检测信号特征,研究了管壁内外侧都存在缺陷时漏磁场信号的变化情况；同时,采用局部直流磁化及控制变量的方法研究了管壁内外侧缺陷的漏磁场信号分布。结果表明,管道壁厚在超过6 mm时得到的漏磁场信号切向分量的双波峰间峰值差较小,内外侧缺陷的重合度在小于40%时已不易于判定；当缺陷宽度小于2 mm时,漏磁场切向分量分布图中的双波峰间峰值差变化较小,从而无法对内侧缺陷参数进行判定。该结果为研究内外侧缺陷的重合度与漏磁信号之间的关系以及薄壁管道的安全评定提供了一定依据。
Abstract:Based on the principle of magnetic flux leakage detection, the magnetic flux leakage signal characteristics of small-diameter thin-walled pipes with defects was simulated by using the finite element software COMSOL, and the change of magnetic flux leakage signals was studied when there were defects on both the inner and outer sides of the pipe wall. At the same time, the magnetic flux leakage field signal distribution of internal and external defects in the pipe wall was studied by using local DC magnetization and method of controlling variables. The results showed that, as the wall thickness increased to 6 mm, the overlap of internal and external defects with an overlap degree of 40% was no longer easy to determine; when the width of the defects was less than 2 mm, the differential change of double peak values was small in the tangential component distribution of the leakage field, which made it impossible to determine the parameters of the defects on the inner side. This result provided a basis for the study of the relationship between the overlap of the internal and external defects and the magnetic flux leakage signal, as well as the safety assessment of thin-walled pipes.
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钢管的无损检测方法主要包括超声检测、磁粉检测、漏磁检测、涡流检测等。其中,在不添加耦合剂和不对管道进行破坏的前提下,漏磁检测方法可以对管道内外壁的缺陷进行检测和识别,且在工程上较易进行操作[1]。
近年来,随着漏磁检测在石油业、矿业、航空航天等领域的广泛应用,仅对管道内外侧缺陷进行区分已经无法满足日益增长的检测要求。在内外侧缺陷漏磁信号区分领域,王荣彪等[2]提出了一种基于交流磁化调制的钢管内外侧缺陷检测方法,提高了内侧缺陷检测灵敏度,对于更大壁厚的内侧缺陷有良好的检出效果。李广凯等[3]利用内壁缺陷被磁化后,阻抗图中相位不变的特点,通过数据分析区分内壁缺陷和外壁缺陷。呼婧等[4]通过在磁多极子场上建立动态漏磁场,并对缺陷信号的上升沿和下降沿进行系数拟合,提取出内外缺陷的特征参数规律。LONG等[5]通过设计一种带有偏心磁路支路的复合漏磁检测方法,对检测区域进行磁集中测试来区分管道的内外侧缺陷。肖奇等[6]提出了一种多频电磁平衡检测方法,以电压峰值为特征对内外侧缺陷进行区分。
但上述方法只能对单侧缺陷进行区分,而未考虑到管道内外侧都出现缺陷的情况,即当管壁内外两侧缺陷共存时,两侧缺陷在与管壁表面垂直的方向上有重合部分,扫查中得到的漏磁场信号数据就不是单一漏磁场所产生的。当内外侧缺陷重合度较高时,重合处区域的名义厚度较薄,容易造成安全事故。笔者对管道内外侧都存在缺陷时的情况进行研究,利用有限元计算得出漏磁场的信号分布情况,旨在为含内外侧缺陷薄壁管道的安全运行评定提供依据。
1. 漏磁无损检测技术
1.1 漏磁检测原理
漏磁检测原理如图1所示,在将待测钢板磁化至饱和状态后,磁感应线重新排布,如果钢板表面没有缺陷,则磁感应线在钢板内部分布均匀,外侧表面无磁感应线泄漏,如果被磁化了的钢板上存在裂纹或蚀坑,由于缺陷处的空气磁导率远小于钢板的,钢板材料内部的磁感应线则会泄漏到材料表面上方,在材料表面形成的漏磁场,该漏磁场可以通过传感器检测出来从而实现缺陷的检出。
1.2 内外侧缺陷漏磁特性
与外侧缺陷在钢板外侧表面形成的漏磁场相比,内侧缺陷在钢板外侧表面也会产生磁感应线的“外逸”现象（见图2）,但是其产生的漏磁信号强度较低。
2. 漏磁场模型建立
2.1 交直流磁化对比
在漏磁检测中,磁化方式的选取一直比较重要。常见的磁化方式有直流磁化、交流磁化、永磁磁化、复合磁化等,目前工业上主要采用的是直流线圈磁化。
交流磁化通过对线圈施加交流电进行激励从而产生交变磁场,由于趋肤效应的存在,交变磁场只在钢板表面和近表面分布。故该方法只能对钢板外表面缺陷和近表面缺陷进行检测,检测的深度随着交流频率的增加而减小,且钢板外表面尺寸较小的缺陷不易检出,具有一定的局限性。
直流磁化可通过随时调节激励电流的大小来改变磁化场的强度,从而形成稳定的漏磁场,且对构件的内侧缺陷具有一定的检测能力[7-9]。
2.2 直流磁化模型分析
首先在COMSOL有限元仿真软件中选择“磁场”模块,建立管壁的局部模型,为简化计算,此处使用钢板代替管壁。根据实际检测的需求,采用局部磁化的方式对钢板进行磁化。为了获得稳定的背景磁场,且不在铁磁性构件表面产生趋肤效应,采用直流磁化的方式。钢板材料选择“Low Carbon Steel 1008”,其为各向同性的非线性铁磁性材料,磁轭选择软铁,线圈匝数为2 000匝,钢板内外侧缺陷漏磁检测模型如图3所示。
对图3中钢板外侧表面漏磁场信号进行矢量分解,其结果如图4所示。在钢板外侧表面任意一点产生的漏磁场信号都可以分解为外侧缺陷在外表面产生的漏磁场磁感应强度Bo及内侧缺陷在外表面空间中产生的漏磁场磁感应强度Bi,将Bo、Bi在二维平面中分解为法向、切向分量,漏磁场法向分量总磁感应强度可写为
(1) 漏磁场切向分量总磁感应强度为
(2) 式中：Boy、Box分别为外侧缺陷在检测区域产生的漏磁场法向、切向分量；Biy、Bix分别为内侧缺陷在检测区域产生的漏磁场法向、切向分量。
3. 内外侧缺陷漏磁场信号分析
上述分析从理论上验证了漏磁检测技术的合理性,即在钢板外表面检测到的漏磁场信号为外侧缺陷和内侧缺陷在同一点产生的漏磁场信号的线性叠加。进一步通过COMSOL软件进行仿真,对不同重合度下内外侧缺陷的漏磁场信号的影响因素进行精确度验证。
3.1 漏磁场切向信号与法向信号
以内外侧缺陷重合度100%为例,检测到的漏磁场信号分布曲线如图5所示。如图5（a）所示,漏磁场的法向分量信号与外侧单侧缺陷产生的漏磁场信号一致,主要变化为峰值的改变；如图5（b）所示,当内外侧都存在缺陷时,漏磁场切向分量信号图呈双波峰状,这与外侧单侧存在缺陷的漏磁场信号图形状参数相似,并且随着提离值的增大,在钢板外侧表面检测到的漏磁场径向分量峰值逐渐减小。在提离值为1 mm时不再出现双波峰现象,因此在提离距离大于1 mm时无法从切向分量分布图中识别出内部缺陷,为了获取良好的漏磁场信号切向分量数据,笔者选取0.2 mm提离值下的漏磁场切向分量信号进行分析。
3.2 管道壁厚对漏磁场信号的影响
计算不同壁厚的管道缺陷漏磁场信号,内外侧缺陷采用相同的特征参数设置,缺陷宽为6 mm,深为1.5 mm。分别计算壁厚为4,5,6 mm时,不同重合度下缺陷的漏磁场切向信号,其结果如图6所示。
由图6可知,内外侧缺陷重合度一定时,随着壁厚的变化,在钢板外表面检测到的漏磁场信号幅值发生了变化,壁厚越大,漏磁场信号越小；随着重合度的减小,右侧波峰值增大,左侧波峰值减小,双波峰间的峰值差逐渐增大。结合漏磁场信号的叠加原理可以理解为,当内外侧缺陷的重合度改变时,即随着两侧缺陷重合宽度的变化,内侧缺陷的中心位置发生了偏移,其在外侧表面形成的漏磁场切向分量峰值对漏磁场切向分量的总磁感应强度产生了影响,因而左右侧波峰值出现了不同。不同壁厚及重合度下漏磁场信号双波峰间的峰值差如表1所示。
Table 1. 不同管道壁厚及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（仿真）重合度/% 壁厚/mm 4 5 6 90 10.142 4.439 2.428 80 19.650 8.569 4.683 70 27.723 12.103 6.632 60 33.465 14.802 8.149 50 37.016 16.514 9.143 40 38.237 17.154 9.560 30 37.013 16.680 9.384 20 33.098 15.103 8.647 由表1可以看出,随着壁厚的增加,双波峰的峰值差随着内外侧缺陷重合度的降低而逐渐增大,当壁厚超过6 mm时,峰值差变化较小；当重合度低于40%时,峰值差增幅较小,即此时不易通过双波峰间的峰值差识别出内外侧缺陷重合度或不易准确判定内外侧缺陷的重合度。
3.3 缺陷深度对漏磁场信号的影响
杨志军等[10]通过仿真及试验证明了漏磁场信号峰值与单侧缺陷的深度成正比。笔者利用控制变量法对缺陷深度的变化与漏磁场信号之间的关系进行分析。设置钢板厚度为4 mm,保持缺陷宽度6 mm不变,仅改变缺陷深度,通过有限元软件进行计算,得到的漏磁场切向分量分布曲线如图7所示,可见,与单侧缺陷结论类似,漏磁场信号峰值与缺陷深度之间有着类似正比的关系。
不同重合度下漏磁场切向分量随深度变化的双波峰间的峰值差如表2所示。由表2可以看出,随着缺陷深度的增大,在钢板外侧表面可检测到的漏磁场信号峰值逐渐增大；漏磁场切向分量双波峰间的峰值差随着内外侧缺陷重合度的降低而增大。
Table 2. 不同缺陷深度及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（仿真）重合度/% 深度/mm 1.3 1.5 1.7 90 5.481 10.142 13.690 70 14.672 27.618 37.813 50 19.419 37.016 50.930 30 19.603 37.113 51.000 3.4 缺陷宽度对漏磁场信号的影响
一般认为,漏磁场的法向分量信号曲线最能反映缺陷的宽度特征,设置钢板厚度为4 mm,保持缺陷深度为1.5 mm不变,改变缺陷宽度,利用有限元软件绘制出的漏磁场切向分量信号曲线如图8所示。分别对2,3,4,5 mm宽度下的缺陷进行仿真,结果表明,漏磁场切向分量的双波峰间距主要受外侧缺陷的宽度变化影响,缺陷宽度越大,双波峰峰值间距越大；由于在钢板外侧表面检测到的内侧缺陷信号较弱,当缺陷宽度小于2 mm时,随着重合度的变化,漏磁场切向分量双波峰间的峰值差最大不超过6 mT,即不易对内侧缺陷参数进行判定。
不同重合度下漏磁场切向分量随缺陷宽度变化的双波峰间的峰值差如表3所示。由表3可以看出,在内外侧缺陷重合度一定的情况下,随着缺陷宽度的增大,在钢板外侧表面可检测到的漏磁场信号峰值逐渐增大；当内外侧缺陷重合度小于30%时,漏磁场切向分量双波峰间的峰值差变化较小,不易对内侧缺陷进行识别判定。
Table 3. 不同缺陷宽度及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（仿真）重合度/% 宽度/mm 5 6 7 90 6.516 8.222 9.839 80% 12.753 15.920 18.796 70% 18.168 22.341 25.920 60% 22.332 27.016 30.818 50% 24.989 29.809 33.577 40% 26.004 30.706 34.321 30% 25.277 29.631 32.999 20% 22.739 26.404 29.309 4. 现场检测试验及分析
搭建简易漏磁检测平台,对上述仿真进行试验验证,检测试验平台构成如图9所示。
4.1 钢板厚度比较
分别在厚度为4,5,6 mm的钢板两侧加工不同重合度的缺陷,保持缺陷深度为1.5 mm,宽度为6 mm不变,得到的漏磁场切向分量信号如图10所示,不同板厚下双波峰间的峰值差如表4所示。
Table 4. 不同板厚及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（试验）重合度/% 板厚/mm 4 5 6 70 1.548 1.08 0.47 50 4.151 1.05 0.856 30 4.212 1.029 0.848 由图10及表4可知,随着板厚的增加,双波峰的峰值差随着内外侧缺陷重合度的降低而逐渐增大,当板厚超过6 mm时,峰值差变化较小,仅通过传感器检测到的切向分量信号难以判别重合度,与仿真分析所得结论一致。
4.2 缺陷深度比较
分别在钢板两侧加工不同深度的缺陷,并改变缺陷的重合度,保持钢板厚度4 mm,宽度6 mm不变,得到的漏磁场切向分量信号如图11所示,不同深度下双波峰间的峰值差如表5所示。
Table 5. 不同缺陷深度及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（试验）重合度/% 深度/mm 1.3 1.5 1.7 70 1.484 1.548 1.886 50 3.057 4.151 5.543 30 3.050 4.212 5.467 由图11及表5可知,随着缺陷深度的增大,在钢板外侧表面可检测到的漏磁场信号峰值逐渐增大；漏磁场切向分量双波峰间的峰值差随着内外侧缺陷重合度的降低而增大,与仿真分析结果一致。
4.3 缺陷宽度比较
分别在钢板两侧加工不同宽度的缺陷,并改变缺陷的重合度,保持钢板厚度4 mm,缺陷深度1.5 mm不变,得到的漏磁场切向分量信号如图12所示,不同宽度下双波峰间的峰值差如表6所示。
Table 6. 不同缺陷宽度及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（试验）重合度/% 宽度/mm 5 6 7 70 1.548 1.598 2.497 50 4.151 4.464 4.521 30 4.212 4.754 4.789 由图12及表6可知,在内外侧缺陷重合度保持不变的情况下,随着缺陷宽度的增大,钢板外侧表面可检测到的漏磁场信号峰值逐渐增大；当内外侧缺陷重合度小于30%时,漏磁场切向分量双波峰间的峰值差变化较小,不易对内侧缺陷进行判定,与仿真分析结果一致。
5. 结论
基于漏磁检测原理,利用COMSOL有限元仿真软件模拟了含缺陷小管径薄壁管道的漏磁检测信号特征,并进行了检测试验,研究了管壁内外侧都存在缺陷时漏磁场信号的变化情况,得出以下结论。
（1）管道壁厚越大,在外侧检测到的内外侧缺陷的漏磁场信号越弱,壁厚在超过6 mm时得到的漏磁场信号切向分量双波峰间峰值差较小；当内外侧缺陷重合度低于50%时,尽管可以检测出内外侧缺陷的存在,但难以对重合度进行判定。
（2）内侧缺陷宽度小于2 mm时,在外侧表面检测到的漏磁场信号不能反映出内侧缺陷的存在,即最小可检出的内外侧缺陷同时存在的宽度为2 mm。
（3）与外侧单侧缺陷类似,缺陷的漏磁场信号特征主要受外侧缺陷影响。
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Table 1 不同管道壁厚及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（仿真）
重合度/% 壁厚/mm 4 5 6 90 10.142 4.439 2.428 80 19.650 8.569 4.683 70 27.723 12.103 6.632 60 33.465 14.802 8.149 50 37.016 16.514 9.143 40 38.237 17.154 9.560 30 37.013 16.680 9.384 20 33.098 15.103 8.647 
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Table 2 不同缺陷深度及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（仿真）
重合度/% 深度/mm 1.3 1.5 1.7 90 5.481 10.142 13.690 70 14.672 27.618 37.813 50 19.419 37.016 50.930 30 19.603 37.113 51.000
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Table 3 不同缺陷宽度及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（仿真）
重合度/% 宽度/mm 5 6 7 90 6.516 8.222 9.839 80% 12.753 15.920 18.796 70% 18.168 22.341 25.920 60% 22.332 27.016 30.818 50% 24.989 29.809 33.577 40% 26.004 30.706 34.321 30% 25.277 29.631 32.999 20% 22.739 26.404 29.309
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Table 4 不同板厚及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（试验）
重合度/% 板厚/mm 4 5 6 70 1.548 1.08 0.47 50 4.151 1.05 0.856 30 4.212 1.029 0.848
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Table 5 不同缺陷深度及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（试验）
重合度/% 深度/mm 1.3 1.5 1.7 70 1.484 1.548 1.886 50 3.057 4.151 5.543 30 3.050 4.212 5.467
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Table 6 不同缺陷宽度及重合度下漏磁信号双波峰间的峰值差（试验）
重合度/% 宽度/mm 5 6 7 70 1.548 1.598 2.497 50 4.151 4.464 4.521 30 4.212 4.754 4.789
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