油气管道裂纹远场涡流检测的仿真分析 Reference：利用有限元分析原理建立远场涡流仿真模型，并对管道裂纹的检测过程进行分析首先，由麦克斯韦方程组推导出远场涡流的轴对称数学模型，分析磁场在管壁的径向传播特性；再采用局部分析法在ANSYS软件中进行模型优化，减小其计算规模，并估计管道内壁磁场的轴向分布；最后，通过仿真模型得到不同裂纹作用下的检测信号，并讨论了该信号相位与裂纹几何参数，如深度、宽度等之间的对应关系仿真结果为实际开展远场涡流裂纹检测提供了有效参考Keys：裂纹；远场涡流；有限元；仿真TE873：1004-132X(2009)12-1450-050 引言油气管道服役期间，除了存在腐蚀坑状缺陷外，还可能形成许多危险性大的裂纹缺陷，如应力腐蚀裂纹、氢致裂纹和疲劳裂纹等这些裂纹在管内油气压力作用下很容易快速扩展，造成管壁开裂由于管道裂纹的形成机理较复杂、检测结果影响因素多，因此与腐蚀缺陷相比，油气管道裂纹的检测技术要复杂得多目前的管道裂纹检测方法主要有超声波检测法、漏磁检测法、射线检测法、涡流检测法等超声检测法需要耦合剂，故该方法在天然气管道中的应用受到了限制；漏磁检测法在裂纹检测方面的能力有限，特别是对于闭合裂纹而言，该方法是无效的；射线法需要放射源，实际检测过程中存在污染；常规涡流检测技术由于受到集肤效应的影响，难以探测出管道外表面的裂纹缺陷，同时，该方法易受提离效应以及被测试件电磁特性不均匀等因素的影响，且其检测信号复杂，检测结果判断困难。
远场涡流(remote field eddy current，RFEC)检测是近几年来迅速发展的一种新的无损检测技术它采用涡流弱场效应，通过拾取穿过管壁后又返回管内的涡流信号，检测管道内壁、外壁缺陷和管壁的厚薄变化情况相对于其他管道无损检测技术，该方法具有不需要耦合剂、受提离效应影响小、内外壁灵敏度相同等优点，因此日益受到重视，国内外学者针对该检测技术也开展了大量研究在现有远场涡流有限元仿真分析的基础上[12]，本文针对油气管道裂纹缺陷的实际情况，提出一种利用局部分析法提高远场涡流模型分析效率的方法，系统分析了管道裂纹几何形态对检测信号特征值的影响关系，并给出了相应的影响规律曲面，为优化检测器的结构设计、提高油气管道缺陷检测和评估提供了参考1 远场涡流及其数学模型[来自wwW.lw5u.cOm] 1.1 远场涡流基本原理由于油气管道埋藏于地下，只能采用管道内部的检测器完成裂纹检测，典型的远场涡流内检测装置的结构如图1所示该装置主要包括与管道同轴放置的低频交流线圈（激励线圈）、检测线圈，以及一些必要的机械固定和动力装置通过放大电路对激励线圈通以驱动电流并产生低频交流磁场，该磁场向管道两端传播时分别有两条不同的耦合路径，如图1所示。
一条路径是管道内部的直接耦合路径（直接耦合），这种耦合与传统涡流检测的原理相似，受铁磁性管壁的强导磁作用影响，其耦合能量以近似指数关系迅速衰减另一条路径是：交流磁场由激励线圈附近管壁中的周向涡流引发，在激励线圈附近穿出管道壁，并沿管道外表面传播，最后在检测线圈附近穿过管壁，重新进入管道中，该传播方式被称为远场（间接）耦合激励线圈附近直接耦合能量要远大于两次穿越管壁的间接耦合能量，因此，间接耦合能量的作用不明显但随着与激励线圈之间的距离逐渐增大，直接耦合路径能量衰减得非常迅速，远场耦合能量逐渐成为主导将直接耦合能量占主导的区域称为近场区，间接耦合能量占主导的区域称为远场区，两个区域的分界位置由管壁的厚度、磁导率、电导率和激励频率等因素决定，通常情况下在距激励线圈两倍管道内径左右的位置进入远场区处在远场区时，检测线圈感应到的磁场能量主要来自于间接耦合，它由激励线圈出发并两次穿越管壁，因此，对其检测得到的信号中携带了激励线圈和检测线圈附近管壁的结构信息根据理论研究，远场区的相位滞后可以近似用一维集肤效应公式计算因此，在其他参数保持不变的情况下，检测线圈感应到的磁场信号的幅值和相位与管壁的厚度密切相关。
若管道内外壁出现裂纹等缺陷，相当于管壁的局部等效壁厚发生变化，会导致远场耦合磁场的大小和相位随之变化，从而可通过检测线圈进行探测该技术与传统的涡流检测技术相比，有效克服了涡流集肤深度的限制，为油气管道内外壁无损检测提供了一种有效手段1.2 油气管道远场涡流检测的数学模型当低频交变电流通过激励线圈时，会圈的周围空间产生一个缓慢变化的时变磁场，进而激发出相应的时变电场在该电场的作用下，金属管壁内将形成涡流场；同样，该涡流场又会产生对应的时变磁场所以，激励线圈附近磁场是融线圈电流场和管壁涡流场共同作用的矢量和可用麦克斯韦方程组对该电磁场现象进行描述：2 裂纹远场涡流检测仿真建模采用ANSYS分析软件进行有限元仿真实验ANSYS的多物理场耦合计算能力十分突出，非常适于对带有涡流的电磁场进行瞬态仿真分析典型的远场涡流内检测装置结构如图1所示若暂不考虑管道中的缺陷，远场涡流明显是轴对称的，因此，可取其轴截面建立如图2所示的分析模型仿真实验中设置的有关参数如下：管道的外径lOOmm，内径80mm，厚度lOmm，管道相对磁导率u=70，管道电导率a=7×106 S/m;激励线圈100匝，通以12V、30Hz的正弦交流激励信号，其外径80mm，内径60mm，宽度20mm，相对磁导率u=1，线圈电导率d-3.3 XlO7S/m。
但实际进行远场涡流模型仿真分析实验时，直接建立模型的规模非常巨大，剖分和求解过程都非常困难主要原因在于，一方面，远场涡流是一个开域问题，主要是由管外空气中的磁场分布决定，因此，为了得到[来自WWW]精确解，往往需要将有限元模型规模尽量扩大以减小因模型尺寸带来的偏差，通常取激励线圈两侧10倍外径处作为模型边界；另一方面，远场涡流绝大部分能量集中在激励源附近的近场区，而模型研究对象则在远场区，其磁场强度变化基本呈指数衰减在进行仿真分析时必须精细剖分才能保证所需的分析精度本课题组经过大量对比研究发现，由远场区裂纹所引起的磁场扰动仅局限于缺陷附近有限区域内，对整个磁场分布的影响很小，即具有明显的局部性，因此，若以无裂纹整体管道远场涡流模型的仿真分析结果作为近似边界条件，只对裂纹变化区域进行局部仿真以获得裂纹响应信号，便可有效地减小分析模型的规模，本文称之为局部分析法表1给出了各种模型规模的对比情况进行仿真分析时，无需重复仿真整体模型，只要修改有裂纹区域的局部模型，这样能大幅降低模型求解复杂度3 仿真实验与结果分析3.1 裂纹远场涡流检测的仿真实验在ANSYS软件中建立油气管道远场涡流检测的仿真分析模型，在无裂纹情况下仿真得到远场涡流的磁场分布（对数磁力线分布），如图3所示。
从图3中可见，磁场能量大部分集中于线圈附近的近场区，管道内的远场区以及管道外的磁场非常弱；磁场的变化速率总体上呈现不同的指数衰减，其中管道壁的径向磁场衰减最快，其次是近场区的轴向磁场，而衰减最慢的是散布在管道外部的磁场本文实验中用管壁表面的凹型槽作为裂纹缺陷进行仿真分析，虽然实际管道裂纹的形态要更为复杂，但通过凹型槽可分析裂纹周向和径向尺寸对响应信号的影响，这也是目前所普遍采用的分析思路图4给出了采用局部分析法分别对管道内外壁相同尺寸凹型槽缺陷进行磁场分布仿真的结果，其中，凹型槽距激励源3倍管径，其轴向宽度为lOmm，径向深度4mm(管壁厚度的40%)通过对比不难看出，除了裂纹附近的磁力线分布略有区别外，其他部分的磁力线分布几乎是一致的由于裂纹附近磁场分布的差别，当以磁场幅值作为检测信号时，内表面裂纹的信号峰值要大一些，而外表面裂纹的检测信号略宽但以检测信号的相位作为判断依据时，管道内外表面的裂纹则表现出几乎相同的特征所以，仿真结果验证了远场涡流相位检测方法对管壁内外表面裂纹具有相同灵敏度的结论3.2 裂纹几何尺寸与检测信号的关系分析由于远场涡流相位检测方法对油气管壁内外表面裂纹具有相同的灵敏度，因此，本文在研究裂纹检测信号与其几何尺寸的关系时仅分析管壁外表面存在裂纹的情况。
对于油气管道表面裂纹来说，一般认为对构件力学性能影响最大的形状参数是裂纹深度裂纹深度是管道等承压设备缺陷评价的主要指标，也是评价管道安全性能的主要依据．为此，先分析裂纹深度对远场涡流检测信号的影响规律实验时，在保持裂纹轴向宽度不变( 5mm)的情况下，裂纹深度分别取0. 5mm、Imm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm和9mm进行多次远场涡流检测的仿真分析，观察检测信号的相位信息与裂纹深度之间的变化关系，可得到裂纹深度对信号相位的影响曲面，如图5所示再保持裂纹深度不变(Smm，即管壁厚度的50%)，改变裂纹轴向宽度进行远场涡流检测仿真实验其中，裂纹宽度在0～lOmm范围内每隔Imm实验1次，同时，为分析远场涡流对细微裂缝的检测效果，再在O～lmm的宽度范围内进一步细化，每隔0. Imm取样1次图6给出了远场涡流检测信号相位与裂纹宽度之间的关系曲面若将裂纹远场涡流相位信号的峰值（即图5、图6中影响曲面的峰谷值）作为特征值，便可对待检测管道裂纹的几何参数进行量化分析相位特征值与裂纹深度及宽度的关系如图7所示从图7a可以看出，若裂纹宽度确定，管道裂纹的深度与远场涡流检测相位特征值之间呈近似指数关系，当裂纹深度小于2mm（约为管壁厚度的0～20%）时，相位特征值没有明显的变化，因此，这个深度应是远场涡流检测裂纹深度的极限。
而随着裂纹深度的增加，相位特征值变化越发明显，逐渐进入裂纹深度检测的灵敏区图7b则说明管道裂纹的宽度与相位特征值之间呈近似对数关系，即使裂纹宽度很小，例如0. 1mm，仍有可检测的相位特征值而当裂纹宽度增大时，相位特征值的变化逐渐缓慢，特别是当裂纹宽度大于lOmm之后，特征值变化逐渐趋向于零，此时对裂纹的宽度进行量化难度很大4 结论仿真分析结果表明，当管道裂纹宽度不变时，远场涡流检测的特征值与深度之间呈现近似指数关系因此，该检测方法对裂纹深度具有较强的敏感性，但不能适用深度小于2mm的表面裂纹的检测要求当管道裂纹深度确定时，检测特征值与裂纹宽度之间呈现近似对数关系因此，远场涡流方法对狭窄裂缝的检测依然有效，但对于宽度大于lOmm的裂纹，其检测特值值变化不明显，难以进行准确量化当然，由于仿真分析时需要设定一定的假设条件，裂纹几何形态也理想化为矩形槽，而实际测试过程中的条件则更为复杂，裂纹的形态也千差万别，因此，实验检测值与仿真分析结果在数值上往往存在一定的误差但作为一种辅助分析手段，利用仿真模型分析得到的理想矩形槽宽度、深度变化对检测检测信号影响的基本规律，仍然可对优化检测器的结构设计、确定远场涡流检测能力、提高油气管道缺陷评估提供有效的参考。