薛鵬

國家管網(wǎng)集團（徐州）管道檢驗檢測有限公司

 

摘要：為了提高對打孔盜油的防范能力，掌握盜油孔（支管）漏磁檢測信號的演變規律，采用電磁有限元仿真研究了不同類(lèi)型盜油孔（支管）的漏磁信號理論圖像與實(shí)際檢測信號圖像的差異及其影響因素，表明典型盜油孔信號具有較顯著(zhù)的特點(diǎn)，位于管道上部的小尺寸圓形減薄信號以及特殊的增厚畸變信號可能為非典型盜油孔（支管）信號，為漏磁檢測數據判讀工作提供理論支持，也為盜油孔（支管）識別工作提供經(jīng)驗與借鑒。

關(guān)鍵詞：漏磁場(chǎng)；盜油孔；有限元仿真

 

打孔盜油嚴重威脅管道安全，一旦發(fā)生油品泄漏事故，會(huì )造成嚴重的環(huán)境污染和財產(chǎn)損失。根據漏磁檢測原理能夠檢測出管道本體及附在管道本體的所有鐵磁性特征[1-4]，對盜油閥的檢測效果較好。通過(guò)現場(chǎng)開(kāi)挖驗證與檢測數據對比，歸納出盜油閥漏磁檢測信號的典型圖像，為數據分析提供了寶貴經(jīng)驗。實(shí)際檢測工作常遇見(jiàn)多種非典型盜油孔（支管）檢測圖像，給數據分析人員帶來(lái)困擾。采用仿真手段研究不同類(lèi)型盜油孔（支管）的漏磁信號理論圖像，可為數據分析工作提供理論支持。

1  漏磁檢測原理與分析

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(zhù)改變，這種磁場(chǎng)被稱(chēng)為“漏磁場(chǎng)”，可經(jīng)過(guò)霍爾元件轉化為感應電壓信號。當環(huán)境條件不發(fā)生變化時(shí)，霍爾電動(dòng)勢直接反映的是霍爾元件法線(xiàn)方向的磁感應強度大小。磁感應強度的變化反映了管體不連續處（或突變處）的特征體積變化，因此漏磁檢測信號能夠反映管道金屬體積的減少或增加，加之盜油孔信號具有一定的規律性，能夠被數據分析人員識別。如圖 1所示。

圖 1 漏磁檢測原理示意圖

1.2  牽拉試驗

為了采用數值模擬方法研究盜油孔（支管）漏磁場(chǎng)信號，開(kāi)展了盜油孔（支管）牽拉試驗研究。預制了多種規格的焊接盜油支管于牽拉試驗管上，同方位軸向布置，布置間距需保證信號不會(huì )產(chǎn)生交互干擾。以卷?yè)P機為牽引動(dòng)力源并保持穩定牽引速度，確保檢測器處于有效運行速度區間，使得管道磁化良好，探頭緊貼管體內壁保持提離值恒定。

檢測信號經(jīng)過(guò)數據處理等步驟，可視化展現盜油孔漏磁信號曲線(xiàn)，如圖 2所示。盜油孔（支管）漏磁信號具有以下特征：徑向信號，外層為負峰—正峰增厚信號，內層為正峰—負峰減薄信號；軸向信號，外層為負向的增厚信號，內層為正向的減薄信號。同時(shí)，渦流通道有顯著(zhù)信號波動(dòng)。

圖 2 盜油孔（支管）漏磁檢測曲線(xiàn)

2  盜油孔漏磁檢測仿真驗證

2.1  仿真與數據處理

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

圖 3 有限元模型及網(wǎng)格剖分

穩態(tài)仿真提取的漏磁場(chǎng)為沿著(zhù)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，對穩態(tài)仿真數據進(jìn)行了相應的去底噪處理。將漏磁檢測數據與仿真數據進(jìn)行對比，形成軸向、徑向方向的漏磁場(chǎng)分量曲線(xiàn)圖形。

2.2  對比驗證

將仿真數據與牽拉試驗數據、現場(chǎng)檢測數據進(jìn)行對比（圖 4、圖 5），可以發(fā)現徑向、軸向漏磁信號相位一致，徑向信號中負—正峰代表增厚，正—負峰代表減薄，增厚及減薄信號的相對幅值基本一致；軸向信號中負向單峰代表增厚，正向單峰代表減薄，增厚及減薄信號的相對幅值基本一致；驗證了仿真信號的形態(tài)與牽拉試驗、現場(chǎng)檢測數據的一致性，可以開(kāi)展仿真研究。

圖 4 仿真—試驗信號曲線(xiàn)對比（支管1） 

3  盜油孔（支管）漏磁信號仿真研究

建立了五種類(lèi)型盜油孔（支管）仿真，如圖 6所示。類(lèi)型一：支管通孔，支管內徑與開(kāi)孔直徑一致；類(lèi)型二：開(kāi)孔直徑小于支管內徑；類(lèi)型三：開(kāi)孔直徑小于支管內徑，支管壁厚不均勻；類(lèi)型四：開(kāi)孔直徑小于支管內壁，開(kāi)孔軸心與支管軸心存在偏移；類(lèi)型五：異物伸入主管。分別開(kāi)展仿真試驗，根據漏磁場(chǎng)仿真信號圖，考察影響因素。由于盜油支管角焊縫高度與支管壁厚對信號曲線(xiàn)的影響趨勢一致，角焊縫高度作為變量對信號曲線(xiàn)的影響不再贅述。

圖 6 盜油孔（支管）仿真類(lèi)型示意圖

3.1  類(lèi)型一

試驗序號1、2、3、4開(kāi)孔直徑 d 均為20 mm，支管內徑 Di與開(kāi)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(zhù)壁厚增加，減薄信號幅值降低，僅有減薄信號，該信號特征常見(jiàn)于站內的儀表支管。由于開(kāi)孔特征與支管壁厚特征在管道軸向的距離接近，兩者漏磁信號的交互作用顯著(zhù)，減薄信號將增厚信號覆蓋。當支管厚壁達到6 mm呈現增厚信號，但增厚與減薄信號幅值較小，過(guò)渡狀態(tài)難以辨識。

圖 7 類(lèi)型一漏磁場(chǎng)仿真信號圖

3.2  類(lèi)型二

試驗序號1、2、3、4開(kāi)孔直徑 d 均為20 mm，支管內徑 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，減薄信號與增厚信號此消彼長(cháng)，過(guò)渡狀態(tài)易辨識。減薄信號與增厚信號幅值，與支管壁厚（或角焊縫高度）的相對大小有關(guān)。

圖 8 類(lèi)型二漏磁場(chǎng)仿真信號圖

3.3  類(lèi)型三

試驗序號1、2、3、4開(kāi)孔直徑 d 均為20 mm，支管內徑 Di 均為40 mm，支管壁厚 t 均為4 mm，內徑偏差△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（左側），信號形態(tài)未發(fā)生顯著(zhù)變化；支管壁厚減薄的一側（右側），信號形態(tài)發(fā)生變化，支管壁厚（或角焊縫）不均勻，影響了圖形的對稱(chēng)性。

圖 9 類(lèi)型三漏磁場(chǎng)仿真信號圖

3.4  類(lèi)型四

試驗序號1、2、3、4開(kāi)孔直徑 d 均為20 mm，支管內徑 Di 均為 40 mm，支管壁厚 t 均為4 mm，開(kāi)孔中心偏移△d分別為0、1 mm、3 mm、5 mm。

如圖 10所示，開(kāi)孔位置向右側發(fā)生偏移，減薄信號隨之右移。隨著(zhù)開(kāi)孔中心偏移增大，左側壁厚與開(kāi)孔信號的交互作用減弱，右側壁厚與開(kāi)孔信號的交互作用增強，左側增厚信號幅值增大，右側增厚信號幅值減小。開(kāi)孔位置影響了圖像的對稱(chēng)性。

圖 10 類(lèi)型四漏磁場(chǎng)仿真信號圖

3.5  類(lèi)型五

試驗序號1、2、3、4開(kāi)孔直徑d均為20 mm，支管內徑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，凸出管道內壁，改變了探頭運動(dòng)軌跡（圖 11）。通過(guò)簡(jiǎn)化探頭與異物的幾何形狀來(lái)研究探頭的運動(dòng)軌跡：第一階段，探頭緊貼內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(guò)異物下端，迅速發(fā)生回彈轉動(dòng)直至探頭緊貼內壁；第四階段，探頭緊貼內壁沿軸向平移。

圖 11 探頭運動(dòng)軌跡示意圖

通過(guò)幾何關(guān)系求解軌跡坐標，得到場(chǎng)變量提取路徑。如圖 12所示，盜油孔（支管）漏磁信號發(fā)生畸變，該信號曲線(xiàn)與常見(jiàn)盜油孔（支管）信號不同，隨著(zhù)異物伸入深度的增加，徑向分量中開(kāi)孔信號越不易辨識；軸向分量中減薄信號出現異常相位，隨著(zhù)異物伸入深度的增加，異常幅值增大。

圖 12 類(lèi)型五漏磁場(chǎng)仿真信號圖

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，探頭經(jīng)過(guò)將與管壁發(fā)生提離，信號發(fā)生畸變，可能影響減薄信號的識別。整個(gè)探頭發(fā)生浮動(dòng)，數個(gè)漏磁檢測通道信號發(fā)生“漂移”，產(chǎn)生了特殊的信號畸變圖像。如圖 13所示，在實(shí)際檢測工作中，曾發(fā)現類(lèi)似信號，并開(kāi)挖確認了盜油孔（支管）的存在，由于探頭提離產(chǎn)生的信號畸變明顯，非典型盜油孔漏磁信號軸向分量與仿真信號畸變相位相反。

圖 13 非典型盜油孔信號

4  結語(yǔ)

通過(guò)漏磁有限元仿真與牽拉試驗數據對比分析理論信號與實(shí)際信號方法，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）參數對漏磁信號曲線(xiàn)的影響規律。通過(guò)牽拉試驗、數值模擬、現場(chǎng)開(kāi)挖相互印證，表明典型盜油孔信號具有較顯著(zhù)的特點(diǎn)，依托大量已開(kāi)挖驗證的典型信號圖譜，可以開(kāi)展基于深度學(xué)習的盜油孔檢測方法研究，以期實(shí)現盜油孔信號的高效篩查。應該注意的是，位于管道上部的小尺寸圓形減薄信號以及特殊的增厚畸變信號可能為非典型盜油孔（支管）信號，需要補充開(kāi)展盜油孔樣管的牽拉試驗研究，涵蓋膠黏、薄焊盜油閥、異物伸入等“非典型”情況，不斷完善漏磁信號圖譜數據庫。

 

參考文獻：

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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(cháng)輸管道檢驗檢測工作。聯(lián)系方式：18552922728，xuepeng01@pipechina.com.cn。