油气管道相邻缺陷三维建模及漏磁场有限元仿真分析

侯少星 赵 番 邱 俊 李 玮

上海市特种设备监督检验技术研究院 （上海 200062）

上海压力管道智能检测工程技术研究中心 （上海 200062）

随着我国经济的不断发展，对能源的需求日益增加，其中石油、天然气产品的供应尤为重要。石油、天然气主要通过油气管道进行输送[1-2]，截至2017 年年底，我国的在役油气管道总里程累计约1.331×105km[3]。随着管道建成时间的推移，为了保证油气管道的安全运行，法律法规规定需要对油气管道进行定期检验。

就目前的工程实践而言，对油气管道进行内检测是降低、消除油气管道风险或事故隐患最有效的技术措施[4]。目前，常采用漏磁检测、超声检测、电磁超声检测等无损检测方式来检测管道上存在的金属损失或裂纹等缺陷[5]。其中，漏磁检测是最有效、最实用的内检测技术，可以识别并检测出油气管道的体积型缺陷，且检测适应性强、范围广、价格合适，是目前应用最广泛、最成熟的技术[6]。

1 管道相邻缺陷及有限元仿真方法的应用

在油气管道的检验中，对管道异常处进行开挖验证后，检验出多处管道相邻缺陷，如图1 所示。

图1 管道上发现的近邻缺陷

在管道上因近邻缺陷造成的金属损失处，会形成局部应力集中区，加速缺陷生长，导致管道发生结构性失效或损坏[7]。基于漏磁检测的技术原理来说，由于近邻缺陷作用导致磁场发生相互作用，所以近邻缺陷处的磁场信号与单一缺陷处的磁场信号有所不同。因此，研究近邻缺陷处的漏磁场分布可以提高漏磁检测对缺陷的识别能力，从而更好地维护管道，保障管道的安全运行。

目前研究管道缺陷处漏磁场分布主要采用有限元数值求解的方法。二维有限元法已经被应用于研究不同形状、材料的缺陷，同时也被证明是一种有效的方法[8]。因此可以通过对管道上的近邻缺陷进行三维建模，研究不同方向、间距及个数的近邻缺陷对漏磁场分布的影响。

2 管道相邻缺陷三维建模与参数设置

从电磁场原理来说，采用永磁体对管道相邻缺陷磁化后，对磁场进行静态磁场求解。本次选用ANSYS Maxwell 软件，该软件是工业界领先的电磁仿真软件，通过有限元分析计算，可以解决本次仿真所需的静态磁场仿真求解问题。

管道直径为508 mm，壁厚为15 mm。鉴于缺陷尺寸为管道壁厚量级，所涉及的漏磁检测器携带的永磁体所形成的磁极跨距小于500 mm，并且磁极将与管道壁以及检测器上背铁形成封闭的磁极回路，因此选取管道长度为1 000 mm 可满足“管道无限长”的仿真条件。

为了研究相邻缺陷对磁场的分布影响，本次仿真设计了4 对相邻缺陷模型。

模型一：轴向相邻缺陷，其中包含2 个轴向长度为t（t 为管道壁厚），周向宽度3 t，深度0.5 t 的矩形槽缺陷，相邻缺陷之间轴向间距为t。

模型二：轴向相邻缺陷，其中包含3 个轴向长度为t，周向宽度3 t，深度0.5 t 的矩形槽缺陷，相邻缺陷之间轴向间距为t。

模型三：周向相邻缺陷，其中包含2 个轴向长度为3 t，周向宽度t，深度0.5 t 的矩形槽缺陷，相邻缺陷之间周向间距为t。

模型四：周向相邻缺陷，其中包含3 个轴向长度为3 t，周向宽度t，深度0.5 t 的矩形槽缺陷，相邻缺陷之间周向间距为t。

4 对相邻缺陷模型平面示意图如图2 所示。

图2 相邻缺陷平面示意图

为了保证建立的相邻缺陷模型以及缺陷间距可以通过输入不同的参数而变化，便于研究相邻缺陷间的漏磁信号分布特征，采用参数化建模的方法。这样可以大大缩短建模时间，并且实现更改缺陷参数自动生成模型，从而更加有效地进行仿真分析。检测器仿真模型包括永磁体、钢刷、背铁、管道4 个部分，根据已有的管道漏磁内检测器的参数进行设计。同样也可以根据实际情况和仿真情况进行更改。

相邻缺陷模型一是一对周向矩形缺陷，缺陷沿x 轴对称分布。在软件中建立“相邻缺陷模型一”。

相邻缺陷模型二是相邻缺陷模型一的衍生，探究双侧均有相邻缺陷时漏磁信号的分布特征。模型二中共有3 个缺陷，中间缺陷在x 轴上，其他2 个缺陷沿z 轴对称分布。在Maxwell 中建立“相邻缺陷模型二”。

相邻缺陷模型三是一对轴向矩形缺陷，缺陷的长边沿管道轴向，2 个缺陷沿管道周向对称分布。

相邻缺陷模型四是相邻缺陷模型三的衍生，共有3 个缺陷，中间缺陷在x 轴上，其他2 个缺陷沿管道周向对称分布。

随后对模型组成部分的材质进行定义。

永磁体：需要将管壁饱和磁化，永磁体材料为漏磁检测器普遍使用的钕铁硼，其剩磁强度Br=1.18 T，矫顽力Hc=-880 Ka/m，电导率S=625 000 S/m。

管道：材质为目前油气管道普遍使用的X52 钢，采用单一磁导率简化计算，满足静态磁场求解需要。

为了简化计算，背铁和钢刷使用与管道相同的X52 钢。其余区域的材质设置为空气。最终相邻缺陷的三维模型如图3 所示。

图3 相邻缺陷模型三维模型

为了更好地观察求解后的数据，在缺陷四周布置了数据观察区域，在缺陷和管道表面正上方设置datawindow。dataline 是沿管道轴向分布、提离值为2 mm、长为永磁体跨距一半的“漏磁信号采集线”；datalineC 是沿管道周向分布、提离值为2 mm、长为永磁体跨距一半的“漏磁信号采集线”；dataspace 为提离值为2 mm、长为永磁体跨距一半、宽度为40°的圆弧“漏磁信号采集面”，如图4 所示。

图4 相邻缺陷模型的数据观察区域

为了平衡求解速度和提高求解精度，对项目模型进行了分区域、分尺寸网格剖分。首先将管道三段化，含缺陷管道段（pipeline）的网格最大长度建议为2 mm；数据观察区域（dataView）和缺陷区域（defect）为精确求解区域，网格最大长度建议为1 mm；其他求解区域（region）网格最大长度建议为100 mm。图5 所示为经过有限元网格剖分后的示意图，缺陷及其周围的网格剖分十分密集，可以保证求解精度。

图5 缺陷以及管道网格剖分示意

经过参数化建模和分区域的网格剖分后，对该模型进行有限元数值求解，采用1%的自适应求解精度。

3 相邻缺陷漏磁仿真信号结果及有限元分析

相邻缺陷模型的漏磁信号磁场场图如图6 所示。相邻缺陷线图如图7～图10 所示。

图6 相邻缺陷模型漏磁信号场图

图7 相邻缺陷模型一漏磁信号强度沿缺陷分布

图8 相邻缺陷模型二漏磁信号强度沿缺陷分布

图9 相邻缺陷模型三漏磁信号强度沿缺陷分布

图10 相邻缺陷模型四漏磁信号强度沿缺陷分布

从4 个相邻缺陷模型的漏磁场强度分布可以看出，沿管道轴向分布的相邻缺陷的漏磁场分布与单一轴向缺陷的漏磁场分布较为一致。相邻磁场的信号采集线生成的磁场分布图显示，轴向的2 个和3个相邻缺陷的漏磁场轴向分量满足双峰特性。这说明轴向分布的相邻缺陷对漏磁场的影响较小，可以近似看作一个单一类型的缺陷。

对于管道周向分布的相邻缺陷，在漏磁场周向分量中心点有额外的信号峰值，这与单一缺陷的漏磁信号不同。同时，从信号采集线生成的漏磁场分布可以看出，轴向分布的相邻缺陷间的漏磁场同样存在信号峰值。这表明相邻缺陷对漏磁场分布的相互作用。因此，对于周向分布的相邻缺陷，在检测环境良好的情况下，可以通过漏磁检测识别出。

4 结语

对于相邻缺陷的漏磁检测，有限元仿真是一种效率和可靠性高的方法，可以有效反映相邻缺陷的磁场分布。可以通过设计不同类型的相邻缺陷研究其对漏磁场的影响，从而提高漏磁检测的精度，识别油气管道缺陷，保障油气管道安全有效运行。