传感器提离值对管道漏磁检测的影响

目前,漏磁(magnetic flux leakage, MFL)检测无损已成为对在役油气管道缺陷进行检测的主要方法之一[1]。腐蚀缺陷处的漏磁场强度与缺陷的大小、管壁内部磁场的强弱以及传感器距被测管道表面的距离即提离值等密切相关,这些因素会同时影响检测的灵敏度和可靠性。合理选择上述参数对能否获得最优的检测结果至关重要。当传感器在管道内表面扫查时,管道内表面起伏不平的腐蚀缺陷、焊缝等均会致使提离值变化。提离值的变化或称波动可被看作干扰信号,它会对检测结果带来不利影响,因而需加以抑制。

文[2]中研究过传感器提离值对漏磁场的影响,但只笼统提出传感器提离值与被测信号之间存在递减关系。文[3]中提出,在检测灵敏度范围内增大提离值,可减小提离值波动的影响,但他们考察的提离值范围仅限于0.2～1.4 mm,但实际上,很多物理因素都极易造成管道内表面有2 mm左右的不平顺波动,即这种考虑基本无实际应用意义;且他们也未研究在较高检测灵敏度要求下如何进一步增大提离值。在实际的管道检测工程应用中,由于传感器模块带外封装,且管道内表面存在不平顺,使传感器的提离值通常不低于3 mm。如何在实际工程条件下既能达到较高的检测灵敏度,又可以使用较大的提离值,以减小提离值波动的影响,是一个还未解决但又急需攻克的技术问题。

本文针对采用永磁体作励磁的漏磁检测器,从磁路设计角度分析腐蚀缺陷漏磁场与空气耦合磁场之间的关系,以数值计算方法仿真提离值对测量结果的影响,进而提出,通过改进检测器结构,可以抑制和削弱提离值波动的负面影响。

1　提离值与漏磁场强度的关系

为研究传感器提离值d对腐蚀缺陷漏磁检测的影响,对一个典型的金属腐蚀缺陷进行了仿真计算研究。

管道漏磁检测系统中采用的磁传感器是Hall传感器,具有体积小、响应频带宽、测量范围大等优点。利用Hall传感器检测管道腐蚀缺陷的方法如图1所示。

鉴于外壁缺陷和内壁缺陷的漏磁信号的特征相类似,故仅以外壁缺陷为例。仿真模型所采用的结构参数包括:管道内径1.016 m,管道壁厚14.6 mm,管道检测器的两永磁体即两磁极中心之间的距离1 m,磁极与管壁之间的距离(即钢刷长度)500mm,缺陷深度7.3 mm,长度和宽度均为10 mm,传感器的提离值从0.5 mm至16 mm,从小到大依次取12个值。本模型采用自适应的有限元网格划分方法,对管壁局部加以细化[4],并在模型周围的空气边界上加上边界条件限制。图2为不同提离值下,仿真计算得到的漏磁场强度。其中定义漏磁场轴向分量为Bz,Bz的最大值和最小值之间的差值为Bppz。简便起见,也称Bppz为漏磁场峰谷值。图3为提离值与漏磁场峰谷值之间的关系。从图3可见,漏磁场峰谷值随提离值的增大迅速降低。为了提高检测灵敏度,提离值还是越小越好。但在传感器的检测灵敏度达到检测要求的前提下,对提离值的选择,应以最大限度地减小检测误差为原则[5]。在实际检测中,传感器的提离值常因为工件表面存在缺陷、焊缝及原本的不平顺等而有波动。这种波动无疑会对检测到的漏磁场信号产生负面影响,造成相应的检测误差。还以上面这个模型为例,图4显示的仿真计算结果,是对于多个确定的提离值,其若存在±0.5 mm的波动所导致的检测平均误差。