一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型量化计算方法

本发明属于长输油气管道内检测领域，涉及一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型量化计算方法。

背景技术：

1、漏磁检测技术作为无损检测技术的一种，广泛应用于铁磁性构件的检测与评估中。与其他无损检测技术(超声、涡流、射线检测等)相比，因其具有无需耦合剂、受外界环境干扰小、易于实现自动化检测、检测速度快、对体积型缺陷敏感、可判断缺陷几何形态等优点，而被广泛应用于油气管道的在线内检测领域中。管道漏磁内检测技术的基本目标是根据缺陷漏磁信号分布特征，完成对管道体积缺陷参数的量化计算，进而依据计算结果，视情维护，决定管道是否继续运行或维修、换管等后续风险处理措施。因此管道漏磁内检测信号数学模型计算的优劣性和准确性，直接影响了检测数据的分析质量和量化精度，也是该检测技术精确检测的前提和基础。但由于管道缺陷磁域分布复杂，不同信号特征与不同缺陷参数形成多量级对应，工况参数对信号特征影响因素众多,导致现有数学模型所计算缺陷特征与其漏磁信号特征无法准确对应。为此需要一种新型的管道缺陷漏磁信号数学模型，进而建立漏磁信号与缺陷形貌、多种检测参数之间关系的精准量化计算与分析方法。

技术实现思路

1、对于管道缺陷漏磁信号的计算，一般采取磁荷模型这种“磁性对磁性”的计算方法，其计算的检测信号结果往往与实际检测缺陷有着较大的误差。为了实现漏磁信号与管道缺陷形貌、多种检测参数之间关系的精准量化关系计算，我们将铁磁材料在静磁场下微观磁化特性计算引入麦克斯韦方程，利用磁电耦合方法建立管道缺陷漏磁信号数学模型，并提出相关具体的解析计算方法，进而将电学参数引入到了磁学计算方程中，以设计一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型量化计算方法，以提高漏磁检测信号对缺陷评估的量化精度。

2、步骤1)：缺陷漏磁信号计算

3、在管道漏磁内检测中，当管道受检测器激励磁场磁化时，若被检测管道存在缺陷，由于缺陷处主要被空气、油品等其他杂质填充，相比于铁磁性材料，缺陷处磁导率较小，磁阻较大，当磁力线穿过缺陷处的铁磁性材料，磁力线将绕开低磁导率缺陷，沿磁化方向的缺陷两侧会有磁力线泄漏，形成缺陷漏磁信号。这里首先利用管道壁在被磁化时形成的静电场，完成对管道及其缺陷形成的磁空间分布计算，进而量化计算出管道缺陷漏磁信号。在麦克斯韦方程下，管道在激励磁场下形成磁场与其周围电场可表示为：

4、

5、式中m为铁磁材料磁化强度，e为铁磁材料周围电场，χ为介子磁化率,s为铁磁介子横截面积，μ0为真空磁导率，σ0为介子电导率，ε0为介电常数，为电场随时间的变化率。

6、由式(1)可知，磁化强度m的产生使管道壁原有电场e发生改变，产生极化电荷，极化电荷在介子表面做局部运动进而激发移位电流：式中id即为移位电流。由此可见：激励磁场、磁化强度、及移位电流三者有很好的耦合关系。我们基于这种耦合关系首先将沿管道轴向长无线小的一个单位管段，等效为一个移位电流模拟的磁偶极子，以此磁偶极子圆心o1为原点，建立三维直角坐标系，其中x轴，y轴，z轴，分别对应管道的轴向，周向，和径向。在此磁偶极子上任取一个矢量半径为r的两个对称电流元则这两个电流元在空间任意测试点p(x，y，z)产生的磁感应强度db1、db2分别为：

7、

8、

9、式中为电流元与测试点p的距离,r为p点到o1距离。对式(2)、(3)进一步进行球坐标系求解后得：

10、

11、式中φ0为op与x轴夹角，θ为磁偶极子半径与z轴夹角，θ0为p点所在子午面相对于z轴所在子午面转角。式(4)带入式(2)、式(3)并进一步运算后得：

12、

13、对式(5)沿管体周向积分，并带入式(1)得沿管道轴向无限小的单位管段的磁空间分布方程：

14、

15、

16、其中

17、为了进一步通过这个单位管段的磁分布方程得到整个管道的磁空间分布方程，我们建立一个管长为l、管径为r的一个管道，并以管道中心o为原点建立一个三维笛卡尔坐标系。设在管道到上任意单位管段，圆心为o1，o o1的距离为x′，管段宽度为dx1。此时，我们利用式(6)、式(7)的单位管段磁空间分布方程，沿管道轴向积分，便可得到整体管道的磁空间分布方程：

18、

19、

20、在式(8)、式(9)中，当管道产生缺陷，缺陷会改变方程中的单位管段半径r(x)，进而改变管道的整体磁空间分布，使管体磁力线发生变化，产生缺陷漏磁信号。缺陷的长、宽、深等参数会由方程沿管体轴向积分和半径变化精准反应，进而实现对管道缺陷漏磁信号的精准量化计算。

21、我们可以看到，在式(8)、式(9)中缺陷漏磁信号计算结果除与轴向积分长度和管体半径有关，还与管道的磁化强度m有关，所以为了进一步提高量化精度，我们还要进一步对激励磁场下管道磁化强度进行进一步量化计算。

22、步骤2)：激励磁场下管道磁化强度计算

23、在管道的漏磁内检测过程中，管道通过检测器励磁所产生的磁化强度m可表示为：

24、mirr＝m-mrev    (10)

25、mrev＝c(man-mirr)    (11)

26、式中，c为可逆磁化系数。mrev为由磁壁弯曲造成的可逆磁化强度，mirr为钉扎点引起的不可逆磁化强度，man为理想磁化强度可表示为：

27、

28、式中，ms为材料饱和磁化强度；a为磁化曲线形状系数。将式(10)代入式(11)并对激励磁场h微分得：

29、

30、在实际磁化过程中，位错的积累阻碍了磁畴的运动，造成磁滞损耗。因此，根据能量守恒定律，实际的磁化能是无滞回磁化能减去磁滞损耗能。由此，铁磁材料在磁化过程消耗能量epin可表示为：

31、

32、式中μ0是真空磁导率，k是材料钉扎系数，代表磁滞特性。参数k的变化会影响磁滞回线面积，k值越大能量损耗就越多，因此数值越大磁滞回线面积越大，反之亦然。根据能量守恒定律将式(14)进一步推导为:

33、

34、式中δ为方向系数，he为等效磁场，可表示为：

35、

36、式中f为系统能量值，α为分子场参数，σ为应力值，λ为磁滞伸缩系数，可表示为：

37、λ＝γ1m2+2γ2m4    (17)

38、式(17)中，γ1、γ2为应力决定参数，可通过泰勒级数展开得到：

39、

40、将式(15)、(16)分别对激励磁场h微分并,与式(13)、(17)联立求解得管道磁化强度与激励磁场关系方程：

41、

42、作为一种优选方案，本发明还包括数学模型对管道内检测中漏磁信号的解析计算方法。其方法为：针对管道漏磁内检测特性及检测环境，利用所建立数学模型，对管道缺陷形貌与漏磁信号关系及多项管道漏磁内检测参数影响特性进行解析计算及分析。

43、作为一种优选方案，在解析计算模型中设置管壁表面上含有缺陷，以管道中心为原点建立三维笛卡尔坐标系，坐标系的x轴、y轴、z轴分别对应管道的轴向、周向和径向。管壁表面上含有缺陷，缺陷长、宽、深分别为：w、d、h。缺陷轴向坐标位于x轴零点处。此时，以式(19)计算缺陷在激励磁场下的磁化强度。并带入式(8)、(9)对不同缺陷尺寸及检测参数下的漏磁信号进行计算分析。

44、作为一种优选方案，设置管道长度为5000mm，直径为1000mm，管道壁厚度为18mm。

45、作为一种优选方案，本发明数学模型的具体参数设置及计算分析包括以下步骤：

46、1)缺陷尺寸对漏磁信号强度影响特性计算分析

47、设置缺陷提离值与周向偏移量均为0mm，扫描路径沿x轴+20mm--20mm。分别在三组不同缺陷尺寸下计算漏磁信号，并同时提取其轴向峰值和径向峰谷值(信号强度)，并以信号强度的变化梯度比对进行特性分析。其中三组缺陷尺寸为：(1)长度为15mm、宽度为65mm，深度分别为2mm-9mm(间隔1mm)；(2)宽度为65mm，深度为7mm，长度分别为5mm-75mm(间隔10mm)；(3)长度为15mm、深度为7mm，宽度分别为5mm-75mm(间隔10mm)。

48、2)缺陷尺寸对漏磁信号宽度影响特性计算分析

49、提取上述计算数据中不同缺陷尺寸下漏磁信号的宽度(切向波峰宽度和法向波峰波谷宽度)，得漏磁信号宽度随缺陷尺寸变化特性图，并以信号强度与信号宽度的变化梯度比对进行特性分析。

50、3)探头周向偏移对漏磁信号强度影响特性计算分析

51、设置检测器探头提离值为0mm，扫描路径沿x轴+20mm--20mm，缺陷尺寸为15**65mm*7(长*宽*深)。在不同探头周向偏移下计算漏磁信号，并提取其切向峰值和法向峰谷值，以此进行特性分析。其中探头周向偏移变化范围为：0mm-5mm(间隔1mm)。

52、4)探头提离值对漏磁信号强度影响特性计算分析

53、设置检测器探头周向偏移为0mm，扫描路径沿x轴+20mm--20mm，缺陷尺寸为15**65mm*7(长*宽*深)。在不同探头提离值下计算漏磁信号，并提取其切向峰值和法向峰谷值，以此进行特性分析。其中探头提离值变化范围为：0.0mm-2.5mm(间隔0.5mm)。

54、作为一种优选方案，本发明还包含了含多种缺陷管道的漏磁检测器拖拉实验，以模拟实际管道漏磁内检测环境，验证数学模型计算分析的正确性。

55、作为一种优选方案，以含多种不同尺寸缺陷管道作为实验材料，将管道漏磁内检测器放入实验管道中，将卷扬机连接到漏磁内检测器，利用卷扬机带动管道漏磁内检测器在管道内行走，模拟管道漏磁内检测过程。管道漏磁内检测器在行进过程中利用其励磁系统(永磁铁，钢刷)对管道进行励磁，并同时利用其沿管道周向360度分布的检测器探头采集检测信号。

56、作为一种优选方案，选取的x70管道长5m，直径1000mm，壁厚18mm。

57、作为一种优选方案，漏磁内检测器包括主钢刷，检测器探头，驱动皮碗，支撑皮碗，里程轮。主钢刷连接永磁铁可以对管道加入1400a/m的励磁强度。检测器沿管道周向含有多个检测器探头，其测量精度可达5×10-3ut。支撑皮将检测器前后压差隔绝，产生工程检测中的前进动力。里程轮用于检测器位置定位功能。驱动皮碗在实验过程连接卷扬机，为实验过程提供动力。

58、本发明有益效果。

59、本发明基于管道在静磁场中的磁电耦合特性，将铁磁材料的微观磁化特性计算引入麦克斯韦方程，建立了管道缺陷漏磁信号数学模型。以此计算长、宽、深等管道缺陷特征对漏磁信号的强度、宽度、零点等信号特性的对应关系，并基于数值梯度，得出了不同缺陷特征与信号特性的量级对应关系。计算分析了在不同周向偏移及提离值下，漏磁信号变化规律，以此得出了检测器探头提离值设定方法及沿周向多探头检测器设计规律。实现了管道漏磁内检测信号对管道缺陷的精准量化表征。

技术特征：

1.一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型量化计算方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型量化计算方法，其特征在于解析计算模型中设置管壁表面上含有缺陷，以管道中心为原点建立三维笛卡尔坐标系，坐标系的x轴、y轴、z轴分别对应管道的轴向、周向和径向。管壁表面上含有缺陷，缺陷长、宽、深分别为：w、d、h。缺陷轴向坐标位于x轴零点处。此时，以式(19)计算缺陷在激励磁场下的磁化强度。并带入式(8)、(9)对不同缺陷尺寸及检测参数下的漏磁信号进行计算分析。

3.根据权利要求1所述一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型

技术总结
一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型量化计算方法属于长输油气管道内检测领域，尤其涉及一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型量化计算方法。本发明提供一种管道内检测中缺陷漏磁信号的新型量化计算方法。本发明包括以下步骤：步骤1)：缺陷漏磁信号计算；步骤2)：激励磁场下管道磁化强度计算。本发明还包括数学模型对管道内检测中漏磁信号的解析计算方法。

技术研发人员：张贺,郭颖,李云轩,李安,石永强,郎宪明,郑福印
受保护的技术使用者：辽宁石油化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5