薛鵬

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)（徐州）管道檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司

摘要：為了提高對(duì)打孔盜油的防范能力，掌握盜油孔（支管）漏磁檢測(cè)信號(hào)的演變規(guī)律，采用電磁有限元仿真研究了不同類型盜油孔（支管）的漏磁信號(hào)理論圖像與實(shí)際檢測(cè)信號(hào)圖像的差異及其影響因素，表明典型盜油孔信號(hào)具有較顯著的特點(diǎn)，位于管道上部的小尺寸圓形減薄信號(hào)以及特殊的增厚畸變信號(hào)可能為非典型盜油孔（支管）信號(hào)，為漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)判讀工作提供理論支持，也為盜油孔（支管）識(shí)別工作提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

關(guān)鍵詞：漏磁場(chǎng)；盜油孔；有限元仿真

打孔盜油嚴(yán)重威脅管道安全，一旦發(fā)生油品泄漏事故，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)漏磁檢測(cè)原理能夠檢測(cè)出管道本體及附在管道本體的所有鐵磁性特征[1-4]，對(duì)盜油閥的檢測(cè)效果較好。通過現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證與檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，歸納出盜油閥漏磁檢測(cè)信號(hào)的典型圖像，為數(shù)據(jù)分析提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際檢測(cè)工作常遇見多種非典型盜油孔（支管）檢測(cè)圖像，給數(shù)據(jù)分析人員帶來困擾。采用仿真手段研究不同類型盜油孔（支管）的漏磁信號(hào)理論圖像，可為數(shù)據(jù)分析工作提供理論支持。

1  漏磁檢測(cè)原理與分析

1.1  基本原理

鋼制管道被飽和磁化后，在管壁缺陷附近（或特征變化處）的磁通密度發(fā)生顯著改變，這種磁場(chǎng)被稱為“漏磁場(chǎng)”，可經(jīng)過霍爾元件轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓信號(hào)。當(dāng)環(huán)境條件不發(fā)生變化時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)直接反映的是霍爾元件法線方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化反映了管體不連續(xù)處（或突變處）的特征體積變化，因此漏磁檢測(cè)信號(hào)能夠反映管道金屬體積的減少或增加，加之盜油孔信號(hào)具有一定的規(guī)律性，能夠被數(shù)據(jù)分析人員識(shí)別。如圖 1所示。

圖 1 漏磁檢測(cè)原理示意圖

1.2  牽拉試驗(yàn)

為了采用數(shù)值模擬方法研究盜油孔（支管）漏磁場(chǎng)信號(hào)，開展了盜油孔（支管）牽拉試驗(yàn)研究。預(yù)制了多種規(guī)格的焊接盜油支管于牽拉試驗(yàn)管上，同方位軸向布置，布置間距需保證信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生交互干擾。以卷?yè)P(yáng)機(jī)為牽引動(dòng)力源并保持穩(wěn)定牽引速度，確保檢測(cè)器處于有效運(yùn)行速度區(qū)間，使得管道磁化良好，探頭緊貼管體內(nèi)壁保持提離值恒定。

檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理等步驟，可視化展現(xiàn)盜油孔漏磁信號(hào)曲線，如圖 2所示。盜油孔（支管）漏磁信號(hào)具有以下特征：徑向信號(hào)，外層為負(fù)峰—正峰增厚信號(hào)，內(nèi)層為正峰—負(fù)峰減薄信號(hào)；軸向信號(hào)，外層為負(fù)向的增厚信號(hào)，內(nèi)層為正向的減薄信號(hào)。同時(shí)，渦流通道有顯著信號(hào)波動(dòng)。

圖 2 盜油孔（支管）漏磁檢測(cè)曲線

2  盜油孔漏磁檢測(cè)仿真驗(yàn)證

2.1  仿真與數(shù)據(jù)處理

建立等尺寸仿真模型（圖 3）進(jìn)行驗(yàn)證。漏磁檢測(cè)器最關(guān)鍵的磁回路組件由永磁體、軛鐵、鋼刷、鋼管4部分構(gòu)成。根據(jù)實(shí)際測(cè)量尺寸，建立磁回路組件以及盜油孔（支管）模型，采用縱向截面對(duì)稱的三維1/2模型減小計(jì)算規(guī)模。四面體網(wǎng)格剖分，對(duì)特征區(qū)域及空氣隙進(jìn)行局部加密，用以捕捉關(guān)注區(qū)域的漏磁場(chǎng)變化。以1 mm提離值，對(duì)特征軸向路徑進(jìn)行漏磁場(chǎng)變量提取。

圖 3 有限元模型及網(wǎng)格剖分

穩(wěn)態(tài)仿真提取的漏磁場(chǎng)為沿著軸向變化的底噪磁場(chǎng)與漏磁場(chǎng)的疊加場(chǎng)。為了消除底噪磁場(chǎng)的影響，對(duì)穩(wěn)態(tài)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的去底噪處理。將漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，形成軸向、徑向方向的漏磁場(chǎng)分量曲線圖形。

2.2  對(duì)比驗(yàn)證

將仿真數(shù)據(jù)與牽拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖 4、圖 5），可以發(fā)現(xiàn)徑向、軸向漏磁信號(hào)相位一致，徑向信號(hào)中負(fù)—正峰代表增厚，正—負(fù)峰代表減薄，增厚及減薄信號(hào)的相對(duì)幅值基本一致；軸向信號(hào)中負(fù)向單峰代表增厚，正向單峰代表減薄，增厚及減薄信號(hào)的相對(duì)幅值基本一致；驗(yàn)證了仿真信號(hào)的形態(tài)與牽拉試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性，可以開展仿真研究。

圖 4 仿真—試驗(yàn)信號(hào)曲線對(duì)比（支管1） 

3  盜油孔（支管）漏磁信號(hào)仿真研究

建立了五種類型盜油孔（支管）仿真，如圖 6所示。類型一：支管通孔，支管內(nèi)徑與開孔直徑一致；類型二：開孔直徑小于支管內(nèi)徑；類型三：開孔直徑小于支管內(nèi)徑，支管壁厚不均勻；類型四：開孔直徑小于支管內(nèi)壁，開孔軸心與支管軸心存在偏移；類型五：異物伸入主管。分別開展仿真試驗(yàn)，根據(jù)漏磁場(chǎng)仿真信號(hào)圖，考察影響因素。由于盜油支管角焊縫高度與支管壁厚對(duì)信號(hào)曲線的影響趨勢(shì)一致，角焊縫高度作為變量對(duì)信號(hào)曲線的影響不再贅述。

圖 6 盜油孔（支管）仿真類型示意圖

3.1  類型一

試驗(yàn)序號(hào)1、2、3、4開孔直徑 d 均為20 mm，支管內(nèi)徑 Di與開孔直徑一致均為20 mm，支管壁厚 t 分別為0、2 mm、4 mm、6 mm。

如圖 7所示，隨著壁厚增加，減薄信號(hào)幅值降低，僅有減薄信號(hào)，該信號(hào)特征常見于站內(nèi)的儀表支管。由于開孔特征與支管壁厚特征在管道軸向的距離接近，兩者漏磁信號(hào)的交互作用顯著，減薄信號(hào)將增厚信號(hào)覆蓋。當(dāng)支管厚壁達(dá)到6 mm呈現(xiàn)增厚信號(hào)，但增厚與減薄信號(hào)幅值較小，過渡狀態(tài)難以辨識(shí)。

圖 7 類型一漏磁場(chǎng)仿真信號(hào)圖

3.2  類型二

試驗(yàn)序號(hào)1、2、3、4開孔直徑 d 均為20 mm，支管內(nèi)徑 Di 均為40 mm，支管壁厚 t 分別為0、2 mm、4 mm、6 mm。

如圖 8所示，減薄信號(hào)與增厚信號(hào)此消彼長(zhǎng)，過渡狀態(tài)易辨識(shí)。減薄信號(hào)與增厚信號(hào)幅值，與支管壁厚（或角焊縫高度）的相對(duì)大小有關(guān)。

圖 8 類型二漏磁場(chǎng)仿真信號(hào)圖

3.3  類型三

試驗(yàn)序號(hào)1、2、3、4開孔直徑 d 均為20 mm，支管內(nèi)徑 Di 均為40 mm，支管壁厚 t 均為4 mm，內(nèi)徑偏差△D 分別為0、1 mm、1.5 mm、2 mm。

如圖 9所示，支管壁厚增厚的一側(cè)（左側(cè)），信號(hào)形態(tài)未發(fā)生顯著變化；支管壁厚減薄的一側(cè)（右側(cè)），信號(hào)形態(tài)發(fā)生變化，支管壁厚（或角焊縫）不均勻，影響了圖形的對(duì)稱性。

圖 9 類型三漏磁場(chǎng)仿真信號(hào)圖

3.4  類型四

試驗(yàn)序號(hào)1、2、3、4開孔直徑 d 均為20 mm，支管內(nèi)徑 Di 均為 40 mm，支管壁厚 t 均為4 mm，開孔中心偏移△d分別為0、1 mm、3 mm、5 mm。

如圖 10所示，開孔位置向右側(cè)發(fā)生偏移，減薄信號(hào)隨之右移。隨著開孔中心偏移增大，左側(cè)壁厚與開孔信號(hào)的交互作用減弱，右側(cè)壁厚與開孔信號(hào)的交互作用增強(qiáng)，左側(cè)增厚信號(hào)幅值增大，右側(cè)增厚信號(hào)幅值減小。開孔位置影響了圖像的對(duì)稱性。

圖 10 類型四漏磁場(chǎng)仿真信號(hào)圖

3.5  類型五

試驗(yàn)序號(hào)1、2、3、4開孔直徑d均為20 mm，支管內(nèi)徑Di均為 40 mm，支管壁厚t均為4 mm，伸入深度分別為0、5 mm、10 mm、15 mm。異物伸入管道，凸出管道內(nèi)壁，改變了探頭運(yùn)動(dòng)軌跡（圖 11）。通過簡(jiǎn)化探頭與異物的幾何形狀來研究探頭的運(yùn)動(dòng)軌跡：第一階段，探頭緊貼內(nèi)壁軸向平移至下端觸及異物；第二階段，異物阻擋探頭，探頭產(chǎn)生平動(dòng)的同時(shí)圍繞支座發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直至探頭頂端觸及異物下端；第三階段，探頭頂端經(jīng)過異物下端，迅速發(fā)生回彈轉(zhuǎn)動(dòng)直至探頭緊貼內(nèi)壁；第四階段，探頭緊貼內(nèi)壁沿軸向平移。

圖 11 探頭運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

通過幾何關(guān)系求解軌跡坐標(biāo)，得到場(chǎng)變量提取路徑。如圖 12所示，盜油孔（支管）漏磁信號(hào)發(fā)生畸變，該信號(hào)曲線與常見盜油孔（支管）信號(hào)不同，隨著異物伸入深度的增加，徑向分量中開孔信號(hào)越不易辨識(shí)；軸向分量中減薄信號(hào)出現(xiàn)異常相位，隨著異物伸入深度的增加，異常幅值增大。

圖 12 類型五漏磁場(chǎng)仿真信號(hào)圖

盜油鉆孔可能產(chǎn)生未脫離管壁的碎屑等異物，若異物伸入管內(nèi)，探頭經(jīng)過將與管壁發(fā)生提離，信號(hào)發(fā)生畸變，可能影響減薄信號(hào)的識(shí)別。整個(gè)探頭發(fā)生浮動(dòng)，數(shù)個(gè)漏磁檢測(cè)通道信號(hào)發(fā)生“漂移”，產(chǎn)生了特殊的信號(hào)畸變圖像。如圖 13所示，在實(shí)際檢測(cè)工作中，曾發(fā)現(xiàn)類似信號(hào)，并開挖確認(rèn)了盜油孔（支管）的存在，由于探頭提離產(chǎn)生的信號(hào)畸變明顯，非典型盜油孔漏磁信號(hào)軸向分量與仿真信號(hào)畸變相位相反。

圖 13 非典型盜油孔信號(hào)

4  結(jié)語(yǔ)

通過漏磁有限元仿真與牽拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析理論信號(hào)與實(shí)際信號(hào)方法，建立了多種盜油孔（支管）的有限元仿真模型，研究了盜油孔（支管）參數(shù)對(duì)漏磁信號(hào)曲線的影響規(guī)律。通過牽拉試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)開挖相互印證，表明典型盜油孔信號(hào)具有較顯著的特點(diǎn)，依托大量已開挖驗(yàn)證的典型信號(hào)圖譜，可以開展基于深度學(xué)習(xí)的盜油孔檢測(cè)方法研究，以期實(shí)現(xiàn)盜油孔信號(hào)的高效篩查。應(yīng)該注意的是，位于管道上部的小尺寸圓形減薄信號(hào)以及特殊的增厚畸變信號(hào)可能為非典型盜油孔（支管）信號(hào)，需要補(bǔ)充開展盜油孔樣管的牽拉試驗(yàn)研究，涵蓋膠黏、薄焊盜油閥、異物伸入等“非典型”情況，不斷完善漏磁信號(hào)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：薛鵬，1993年生，碩士研究生，工程師，主要從事長(zhǎng)輸管道檢驗(yàn)檢測(cè)工作。聯(lián)系方式：18552922728，xuepeng01@pipechina.com.cn。