CN108037177B - 漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁‑结构耦合方法，具体为：一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化赋值；二、选择结构应力分析单元类型，进行管道焊缝建模，施加位移和载荷边界条件；三、基于VCCT技术，构造初始微裂纹，按照能量释放率准则，进行裂纹扩展计算；四、根据裂纹扩展过程中的张开距离和扩展长度，进行裂纹位置处空气网格重构；五、根据管道焊缝结构特点，在管道焊缝裂纹处，构造永磁铁、衔铁、极靴的管道外检测磁化结构模型；六、设计管道焊缝上方圆弧路径，提取磁‑结构耦合计算结果并分析漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程；七、重复三至六，反复计算分析，至管道断裂。本发明可判据管道焊缝损伤程度。

Description

漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法

技术领域

本发明涉及油气集输工程技术领域中的管道焊缝在役检测方法，具体涉及漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法。

背景技术

在油气管道长周期运行情况下，可能发生腐蚀穿孔、开裂、密封失效等导致油品泄漏而引发的重大火灾或爆炸等重大事故，对人民生命财产安全和生态环境构成严重威胁。常见的损伤失效模式易发生在应力集中区域，特别是油气管道焊缝区域的焊道上及其热影响区，应力集中部位在压力、介质等的共同作用下易产生应力腐蚀开裂和诱发裂纹等。诸多灾难性事故源于在管道流体内压作用下的裂纹的快速扩展，有必要开展油气管道焊缝裂纹的在役检测与评价研究，对保障国家公共安全具有十分重要的安全意义与经济价值。因而开展在役检测管道焊缝裂纹扩展关键技术与方法研究具有重要意义。

目前，对于油气管道焊缝的检测，通常采用射线探伤、超声测厚等无损检测方法。兴起于上世纪60年代的漏磁检测技术，集无损检测、磁性物理学、金属学等学科于一体，具有较高的检测可靠性、易于自动化、检测效率高等优点，被广泛应用到罐区储罐底板以及管道的检测中。而对管道焊缝的漏磁检测技术在国内还不是很成熟、应用较少，并且该方法源自工程实践，缺乏系统的机理研究，并且管道开裂是动态过程，如何描述裂纹扩展过程中的漏磁场特征对于漏磁法检测管道焊缝具有重要意义。国内外学者对管道裂纹扩展过程中应力分析开展了大量工作，但本发明提出的管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法属于国内外首创，旨在通过漏磁检测手段来衡量裂纹扩展程度，判据管道焊缝损伤程度。目前经过国内外文献检索，尚未发现油气管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法的相关技术，本发明将填补这一领域的技术空白。

受外载荷作用，结构材料裂纹有三种扩展方式或类型，分别是张开型、滑开型和撕开型。其中张开型裂纹，在垂直于裂纹面方向外加应力作用下，裂纹尖端张开扩展，其扩展方向与外加应力方向垂直，通常称为Ι型裂纹。

圆柱壳体的纵向裂纹，在环向拉应力作用下的裂纹扩展属于这种类型裂纹。本发明所研究的油气管道焊缝的纵向裂纹，在流体内压作用下，产生环向拉应力作用下的裂纹扩展属于张开型裂纹，即Ι型裂纹。

在实际工程的断裂分析中，由于闭环解析解的稀缺性，有限元数值建模分析技术已经成为该领域不可或缺的工具之一。国内外学者已经提出了若干基于有限元分析的应变能量释放率的数值计算方法，其中虚拟裂纹闭合法（Virtual crack closure technique,VCCT）是最典型的一种，是基于断裂力学方法来研究裂纹扩展问题的重要工具。而VCCT针对线状裂纹和面状裂纹沿的断裂力学参量进行求解，具有对有限元网格尺寸不敏感和对裂纹尖端无需特殊处理等优点，充分体现了计算精度和计算效率的有效平衡。

发明内容

本发明的一个目的是提供漏磁法检测在役管道焊缝裂纹的磁-结构耦合方法，这种漏磁法检测在役管道焊缝裂纹的磁-结构耦合方法用于通过漏磁检测手段来衡量裂纹扩展程度，判据管道焊缝损伤程度，指导油气管道焊缝的预测维修，为在役油气管道提供快速反应决策。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种漏磁法检测在役管道焊缝裂纹的磁-结构耦合方法：

步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化赋值，包括几何尺寸参数、材料参数、载荷参数；

（1）将管道、焊缝、微裂纹、磁化结构、周围空气的几何参数赋值;

a、二维管道几何参数包括管道内径D _i ，外径D _o ；

b、焊缝几何参数包含焊缝熔宽B ₁ ，余高H ₁ ；

c、微裂纹几何参数包含微裂纹在管道焊缝位置、微裂纹初始长度l _c，确定裂纹路径上未扩展长度l _n ；

d、磁化结构几何参数包括气隙高度A _H ，气隙、极靴、磁铁的宽度CT _W ，极靴高度JX _H ，磁铁高度CT _H ，衔铁高度XT _H ；

e、周围空气几何参数包括磁化结构上方气隙高度UP _AL ，管道下方气隙高度、管道左右两侧气隙宽度O _AL ；

（2）将管道、焊缝、磁化结构、周围空气的材料参数赋值；

b、设定焊缝材料属性与管道一致；

c、磁化结构材料参数包括永磁铁材料铷铁硼Nd-Fe-B的磁特性曲线B-H值，衔铁、极靴的材料工业纯铁的磁特性曲线B-H值；

（3）给管道流体内压载荷、励磁载荷赋值；

步骤二、选择结构应力分析单元类型，进行管道焊缝建模，施加位移和载荷边界条件；

a、选择结构应力分析单元类型为平面应变单元PLANE182；

b、在保证精度前提下，为了提高计算效率，节省计算时间，在管道焊缝区域网格加密，远离该区域网格稀疏；

c、根据几何尺寸建面，划分网格，用映射网格划分方法mapped划分成四面体；

d、施加位移边界条件；

e、施加载荷边界条件：初始内压P、最大内压P _e ；

f、载荷步i初始值i=0；

步骤三、基于VCCT技术，构造初始微裂纹，按照能量释放率准则，进行裂纹扩展计算；

a、指定裂纹扩展路径，在路径上形成界面单元，选择单元类型INTER202；

b、在扩展路径上，删除预设微裂纹位置长度为l _c 的界面单元，使该位置构造出初始微裂纹；

c、在界面单元处创建接触关系，其中：目标单元选用TARGE169，接触单元选用CONTA171；

d、裂纹扩展计算方法设置，打开自动载荷步；

e、由于采用线性强化弹塑性模型，在非线性设置中，限制塑性应变；

f、指定裂纹尖端T，裂纹扩展算法采用VCCT；

i、计算裂纹扩展长度l _e ，比较l _e 与l _n 。若l _e <l _n ，进行步骤四；若l _e ≥l _n ，管道断裂，结束。

j、记录开始扩展载荷步i，此载荷步赋给j，j=i；

步骤四、根据裂纹扩展过程中的张开距离和扩展长度，进行裂纹位置处空气网格重构；

a、提取裂纹扩展中的载荷步j的结果，根据裂纹扩展过程中的变形量，更新节点坐标；

b、更换单元类型为PLANE13，将管道平面应变单元PLANE182更改为二维磁场单元PLANE13；

c、根据裂纹张开距离和扩展距离，在裂纹轮廓节点处生成关键点，关键点连线，由线围起来形成面，赋予空气单元属性，进行裂纹位置处空气网格重构；

步骤五、根据管道焊缝结构特点，在管道焊缝裂纹处，构造永磁铁、衔铁、极靴的管道外检测磁化结构模型；

a、构造管道外表面与磁化结构之间的气隙磁场单元；

b、为适应管道曲率，构造圆弧极靴磁场单元，以保证极靴与管道间距离相对均匀；

c、构造磁铁、衔铁的磁化结构磁场单元；

d、构造磁化结构周围空气磁场单元、管道内部流体磁场单元；

e、施加远场边界，进行磁场分析计算；

步骤六、设计管道焊缝上方圆弧路径，提取磁-结构耦合计算结果并分析漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程；

a、为与管道焊缝外形轮廓相匹配，设计距离管道和焊缝的提离值均为1mm圆弧路径，将磁-结构耦合计算结果映射到模型中圆弧路径上，进而查看路径上相应结果项的分布规律；

b、提取提离值1mm的圆弧路径上的漏磁场磁感应强度水平分量Bx和垂直分量By，并根据漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程；

步骤七、重复步骤三至步骤六，反复计算分析，直到l _e ≥l _n 、管道断裂，结束。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明可实现管道焊缝不同位置分布裂纹、不同长度裂纹等多工况下的裂纹扩展的磁-结构耦合分析。根据计算不同位置分布裂纹的扩展结果，从管道焊缝中心裂纹向热影响区裂纹方向裂纹越易扩展，更易断裂破坏，得到管道焊缝不同位置分布微裂纹扩展趋势的影响，衡量裂纹所在位置的危险等级。

（2）本发明通过不同位置裂纹漏磁场磁感应强度分量峰值出现位置，可判断裂纹处于管道焊缝的位置，为管道焊缝不同位置裂纹的识别研究提供理论依据；当裂纹开始扩展时，根据描述裂纹扩展过程中的4个特征值：张开距离、裂纹扩展长度、磁感应强度水平分量Bx峰值、磁感应强度垂直分量By峰值的变化趋势，可判断裂纹是否扩展及扩展进程，从而判据管道焊缝损伤程度。

（3）本发明所提出的磁-结构耦合方法对漏磁法检测在役管道焊缝提供理论基础，为实际工程中在最低风险情况下及时维修或更换油气管道提供理论依据，避免恶性事故发生、保障油气管道安全稳定运行具有切实的理论意义和广阔的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明中磁-结构耦合方法的流程图；

图2是本发明中管道焊缝有限元模型图；

图3是本发明中裂纹扩展过程图；

图4是本发明中裂纹扩展过程中网格重构图；

图5是本发明中磁化结构示意图；

图6是本发明中磁场分析的网格划分图；

图7是本发明中提取结果的圆弧路径图；

图8是本发明中管道焊缝微裂纹位置分布图；

图9是本发明中管道焊缝裂纹多种位置磁感应强度分量对比曲线；

图10是本发明中位置1处裂纹扩展过程中磁感应强度曲线；

图11是本发明中位置2处裂纹扩展过程中磁感应强度曲线；

图12是本发明中位置3处裂纹扩展过程中磁感应强度曲线；

图13是本发明中特征值随压力载荷变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1所示，以焊道中心分布微裂纹（图8中位置3处分布裂纹）为例，这种漏磁法检测在役管道焊缝裂纹的磁-结构耦合方法如下：

步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化赋值，包括几何尺寸、材料参数、载荷参数等参数。

（1）将管道、焊缝、微裂纹、磁化结构、周围空气的几何参数赋值。

a、二维管道几何参数包括管道内径D _i = 400mm，外径D _o = 416mm；

b、焊缝几何参数包含焊缝熔宽B ₁ =18mm，余高H ₁ =2mm；

c、微裂纹几何参数包含微裂纹在管道焊缝位置（图8中位置3处分布裂纹），微裂纹初始长度l _c=4mm，从而确定裂纹路径上未扩展长度l _n =( D _o －D _i )/2+H ₁ －l _c =6mm；。

d、磁化结构几何参数包括气隙高度A _H =5mm，气隙、极靴、磁铁的宽度C _TW = 52mm，极靴高度JX _H = 20mm，磁铁高度CT _H = 15mm，衔铁高度XT _H = 25mm；

e、周围空气几何参数包括磁化结构上方气隙高度UP _AL = 200mm，管道下方气隙高度、管道左右两侧气隙宽度O _AL = 100mm。

（2）将管道、焊缝、磁化结构、周围空气的材料参数赋值。

本发明将管道焊缝简化成平面应变模型，对于Ι型裂纹临界的平面应变状态下，由式G_IC（1）求出。

（1）

b、设定焊缝材料属性与管道一致；

c、磁化结构材料参数包括永磁铁材料铷铁硼（Nd-Fe-B）的磁特性曲线B-H值，衔铁、极靴的材料工业纯铁的磁特性曲线B-H值；

（3）给管道流体内压载荷、励磁载荷赋值。

a、初始内压P=1MPa、最大内压P _e =20MPa；

b、沿永磁体高度方向加永磁体矫顽力、数值大小为919000 A/m。

步骤二、选择结构应力分析单元类型PLANE182，进行管道焊缝建模，施加位移和载荷边界条件。

a、选择结构应力分析单元类型为平面应变单元PLANE182；

b、在保证精度前提下，为了提高计算效率，节省计算时间，在管道焊缝区域加密，远离该区域稀疏。在管道焊缝处设置离散单元尺寸0.5mm，远离这个区域、在距离2倍焊缝熔宽尺寸位置处设置离散单元尺寸2mm；

c、根据几何尺寸建面，划分网格，用映射网格划分方法mapped划分成四面体；

d、如图2所示，施加位移边界条件：在管道圆周方向0°、180°约束x方向和y方向自由度；在管道圆周方向270°约束x方向自由度；

e、施加载荷边界条件：初始内压P=1MPa、最大内压P _e =20MPa。

f、载荷步i初始值i=0。

步骤三、基于VCCT技术，构造初始微裂纹，按照能量释放率准则，进行裂纹扩展计算。

a、指定裂纹扩展路径，在路径上形成界面单元，选择单元类型INTER202；

b、在扩展路径上，删除预设微裂纹位置长度为l _c 的界面单元，使该位置构造出初始微裂纹；

c、在界面单元处创建接触关系，其中：目标单元选用TARGE169，接触单元选用CONTA171，在接触单元选项设置中，将K(10)=2，在每个迭代步中更新接触刚度；

d、裂纹扩展计算方法设置，打开自动载荷步；

e、由于采用线性强化弹塑性模型，在非线性设置中，限制塑性应变为0.25；

f、指定裂纹尖端T，裂纹扩展算法采用VCCT；

i、计算裂纹扩展长度l _e ，比较l _e 与l _n 。若l _e <l _n ，进行步骤四；若l _e ≥l _n ，管道断裂，结束。

j、记录开始扩展载荷步i，此载荷步赋给j，j=i。

步骤四、根据裂纹扩展过程中的张开距离l _o 和扩展长度l _g ，进行裂纹位置处空气网格重构。网格重构方法是裂纹动态扩展、网格动态重构过程，是实现油气管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法的关键技术。

a、提取裂纹扩展中的载荷步j的结果，根据裂纹扩展过程中的变形量，更新节点坐标，裂纹扩展过程如图3所示；

b、更换单元类型，将平面应变单元PLANE182更改为二维磁场单元PLANE13；

c、根据裂纹张开距离和扩展距离，在裂纹轮廓节点处生成关键点，关键点连线，由线围起来形成面，对面划分网格，赋予空气单元属性，进行裂纹位置处空气网格重构。裂纹扩展过程中网格重构如图4所示。

步骤五、根据管道焊缝结构特点，在管道焊缝裂纹处，构造永磁铁、衔铁、圆弧极靴的管道外检测磁化结构模型。

a、构造管道外表面与磁化结构之间的气隙磁场单元，高度为5mm；

b、为适应管道曲率，构造圆弧极靴磁场单元，以保证极靴与管道间距离相对均匀；

c、构造磁铁、衔铁的磁化结构磁场单元；

d、构造磁化结构周围空气磁场单元、管道内部流体磁场单元；

e、施加远场边界，进行磁场分析计算。

根据如图5的磁化结构尺寸，对磁化结构及其周围空气、管内流体划分磁场单元，如图6所示。

步骤六、设计管道焊缝上方圆弧路径，提取磁-结构耦合计算结果并分析漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程。

a、为与管道焊缝外形轮廓相匹配，设计距离管道和焊缝的提离值均为1mm的圆弧路径，将磁-结构耦合计算结果映射到模型中圆弧路径上，进而查看路径上相应结果项的分布规律，圆弧路径如图7所示；

b、提取提离值1mm的圆弧路径上的漏磁场磁感应强度水平分量Bx和垂直分量By，并根据漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程；

c、重复步骤三~步骤六，反复计算分析，直到l _e ≥l _n 、管道断裂，结束。

根据本实施方式的步骤，编制了参数化命令流，可计算漏磁法检测管道焊缝不同位置分布裂纹、不同长度裂纹等多工况下裂纹扩展的磁-结构耦合分析。如图8所示是管道焊缝微裂纹位置分布图，从热影响区位置到焊道中心位置沿圆弧方向选取弧长的0、1/2、1处，预设这3种位置的微裂纹，图8中所示的位置1、位置2、位置3。从图8中，表示出裂纹在这3种位置时的微裂纹初始长度l _c，裂纹路径上未扩展长度l _n ，裂纹尖端T。

经过求解计算，得到图9所示的管道焊缝多种位置裂纹扩展过程中的漏磁场磁感应强度水平分量Bx和垂直分量By，图9中所提取的是每种裂纹扩展过程中最后一步、即失稳断裂前的漏磁场分量，为对比分析，还建立了管道无焊缝和管道焊缝无缺陷的模型，并分别提取相应路径上的磁感应强度分量，将漏磁场磁感应强度分量对比曲线共同表述为图9。并提取不同压力作用下漏磁法检测这3种位置裂纹扩展过程中的磁感应强度分量分别如图10~图12。

漏磁检测是建立在铁磁性材料高磁导率特性基础上的。在管道焊缝漏磁检测系统中，磁敏元件所采集到的磁感应强度B主要包括3个部分，

式（2）中：

B ₁ -空气耦合磁场 (T)；

B ₂ -焊缝产生漏磁场 (T)；

B ₃ -缺陷产生的漏磁场 (T)。

从图9可以看出，无论管道是否存在焊缝或缺陷，空气耦合磁场都会存在，当管道存在焊缝时(无缺陷时，B ₃ =0)，相比管道无焊缝时，漏磁场磁感应强度垂直分量呈现了先出现一个波谷、后出现一个波峰的曲线，这是由于焊缝材质是铁磁性的，部分磁力线沿焊缝穿过，导致通过管道的磁通量密度减少，这使原来漏磁场与空气耦合场所形成的平衡被打破，焊缝产生的漏磁场B₂与空气耦合磁场B ₁ 发生了叠加，呈现的曲线是B ₁ 叠加上B ₂ 的结果。当管道焊缝位置3存在裂纹时，垂直分量呈现了先出现一个波谷、后出现一个波峰的曲线。扫描方向一定的前提下，与仅存在焊缝时的垂直分量波峰波谷出现顺序相反。这是由于裂纹处的管道焊缝变薄，从而使此处磁通量密度增大，漏磁通密度也随之增大，裂纹产生漏磁场B ₃ 占主导，呈现的曲线是B ₁ 叠加上B ₂ 和B ₃ 的结果。当管道焊缝位置1存在裂纹时，由于裂纹存在的位置，偏离磁化结构的中心线，焊缝信号与裂纹信号发生了叠加，漏磁场磁感应强度水平分量和垂直分量曲线均呈现出不对称的曲线特征，磁感应强度分量曲线均在仅存在焊缝时多一个波峰，且峰值出现在裂纹位置，裂纹产生漏磁场B ₃ 占主导，呈现的曲线是B ₁ 叠加上B ₂ 和B ₃ 的结果。同理，管道焊缝位置2存在裂纹时，由于裂纹所处位置逐渐向焊缝中心位置偏移，所产生的漏磁场磁感应强度分量峰值也随之向焊缝中心处偏移。因而可根据峰值出现位置，判断裂纹所处的位置。从图9还可以看出，从管道焊缝位置1、2、3变化过程中，磁感应强度水平分量Bx峰值、磁感应强度垂直分量By峰值均随之减小，由此可衡量裂纹所在位置的危险等级。

从图10~图12可以看出，随着管道内流体对管道施加的内压的增加，裂纹扩展驱动力越大，裂纹扩展的张开距离l _o 随之增加。当压力载荷增加到一定值时，裂纹开始扩展，随着压力继续增加，裂纹扩展长度l _g 随之增加。从图10~图12可以看出，位置1处的裂纹在P=8.3256MPa开始扩展，位置2处的裂纹在P=11.2356MPa开始扩展，位置3处的裂纹在P=12.4356 MPa开始扩展。裂纹从位置1处向位置3处变化时越不容易扩展。提取图10~图12中3种裂纹位置的漏磁场磁感应强度水平分量Bx峰值和垂直分量By峰值，并与其对应的压力载荷、裂纹扩展的张开距离l _o 、裂纹扩展长度l _g 共同列表1所示。为更加直观表征随压力载荷的增加裂纹扩展情况，将表1中的每种位置的裂纹扩展过程中的4个特征值进行归一化，如图13所示。描述裂纹扩展过程中的4个特征值：张开距离l _o 、裂纹扩展长度l _g 、磁感应强度水平分量Bx峰值、磁感应强度垂直分量By峰值。从图13还可以看出，裂纹刚开始扩展，裂纹张开距离l _o 出现陡增趋势；随着裂纹扩展长度l _g 增加，裂纹张开距离l _o 增加幅度依然较大；同时由于张开距离l _o 、裂纹扩展长度l _g 的陡增，Bx峰值与By峰值也出现了陡增的趋势。因而可从磁场特征值Bx峰值、By峰值判据裂纹是否扩展及扩展进程。

本发明可计算漏磁法检测管道焊缝不同位置分布裂纹、不同长度裂纹等多工况下裂纹扩展的磁-结构耦合分析，衡量裂纹扩展进程及危险等级。

表1 不同载荷作用下多种位置处裂纹扩展过程中的特征量

本发明将虚拟裂纹闭合法应用到含裂纹管道焊缝有限元模型中计算应变能量释放率。应变能量释放率G是指裂纹扩展能量率，是材料断裂韧性的度量参数值。

本发明提出一种基于磁-结构耦合算法的油气管道焊缝裂纹扩展的漏磁场表征方法，以指导油气管道焊缝的预测维修，为在役油气管道提供快速反应决策。

Claims (1)

1.一种漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法，其特征在于：所述漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法，包括以下步骤：

步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化赋值，包括几何尺寸参数、材料参数、载荷参数；

（1）将管道、焊缝、微裂纹、磁化结构、周围空气的几何参数赋值;

a、二维管道几何参数包括管道内径D _i ，外径D _o ；

b、焊缝几何参数包含焊缝熔宽B ₁ ，余高H ₁ ；

c、微裂纹几何参数包含微裂纹在管道焊缝位置、微裂纹初始长度l _c，确定裂纹路径上未扩展长度l _n ；

d、磁化结构几何参数包括气隙高度A _H ，气隙、极靴、磁铁的宽度CT _W ，极靴高度JX _H ，磁铁高度CT _H ，衔铁高度XT _H ；

e、周围空气几何参数包括磁化结构上方气隙高度UP _AL ，管道下方气隙高度、管道左右两侧气隙宽度O _AL ；

（2）将管道、焊缝、磁化结构、周围空气的材料参数赋值；

a、选择管道材料为Q235钢，材料本构采用线性强化弹塑性模型，材料参数包括磁特性曲线B-H值、弹性模量E、泊松比、屈服强度、切线模量E₁、断裂韧度K_IC、平面应变模型的临界应变能量释放率G_IC；

b、设定焊缝材料属性与管道一致；

c、磁化结构材料参数包括永磁铁材料铷铁硼Nd-Fe-B的磁特性曲线B-H值，衔铁、极靴的材料工业纯铁的磁特性曲线B-H值；

d、空气相对磁导率；

（3）给管道流体内压载荷、励磁载荷赋值；

步骤二、选择结构应力分析单元类型，进行管道焊缝建模，施加位移和载荷边界条件；

a、选择结构应力分析单元类型为平面应变单元PLANE182；

b、在保证精度前提下，为了提高计算效率，节省计算时间，在管道焊缝区域网格加密，远离该区域网格稀疏；

c、根据几何尺寸建面，划分网格，用映射网格划分方法mapped划分成四面体；

d、施加位移边界条件；

e、施加载荷边界条件：初始内压P、最大内压P _e ；

f、载荷步i初始值i=0；

步骤三、基于VCCT技术，构造初始微裂纹，按照能量释放率准则，进行裂纹扩展计算；

a、指定裂纹扩展路径，在路径上形成界面单元，选择单元类型INTER202；

b、在扩展路径上，删除预设微裂纹位置长度为l _c 的界面单元，使该位置构造出初始微裂纹；

c、在界面单元处创建接触关系，其中：目标单元选用TARGE169，接触单元选用CONTA171；

d、裂纹扩展计算方法设置，打开自动载荷步；

e、由于采用线性强化弹塑性模型，在非线性设置中，限制塑性应变；

f、指定裂纹尖端T，裂纹扩展算法采用VCCT；

g、采用能量释放率准则，进行裂纹扩展计算，计算每个载荷步i的能量释放率G_I，i=i+1，通过比较Ι型裂纹有限元网格节点计算的能量释放率G_I和所选取的管道材料的临界应变能量释放率G_IC之间的大小判定管道焊缝中裂纹是否扩展；

h、若，裂纹未扩展，通过自动载荷步施加压力增量，增量为P_e/n，自动选取；若，裂纹开始扩展，在裂纹扩展过程中，通过自动载荷步施加微小压力增量，增量为P_e/m；

i、计算裂纹扩展长度l _e ，比较l _e 与l _n ；若l _e <l _n ，进行步骤四；若l _e ≥l _n ，管道断裂，结束；

j、记录开始扩展载荷步i，此载荷步赋给j，j=i；

步骤四、根据裂纹扩展过程中的张开距离和扩展长度，进行裂纹位置处空气网格重构；

a、提取裂纹扩展中的载荷步j的结果，根据裂纹扩展过程中的变形量，更新节点坐标；

b、更换单元类型为PLANE13，将管道平面应变单元PLANE182更改为二维磁场单元PLANE13；

c、根据裂纹张开距离和扩展距离，在裂纹轮廓节点处生成关键点，关键点连线，由线围起来形成面，赋予空气单元属性，进行裂纹位置处空气网格重构；

步骤五、根据管道焊缝结构特点，在管道焊缝裂纹处，构造永磁铁、衔铁、极靴的管道外检测磁化结构模型；

a、构造管道外表面与磁化结构之间的气隙磁场单元；

b、为适应管道曲率，构造圆弧极靴磁场单元，以保证极靴与管道间距离相对均匀；

c、构造磁铁、衔铁的磁化结构磁场单元；

d、构造磁化结构周围空气磁场单元、管道内部流体磁场单元；

e、施加远场边界，进行磁场分析计算；

步骤六、设计管道焊缝上方圆弧路径，提取磁-结构耦合计算结果并分析漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程；

a、为与管道焊缝外形轮廓相匹配，设计距离管道和焊缝的提离值均为1mm圆弧路径，将磁-结构耦合计算结果映射到模型中圆弧路径上，进而查看路径上相应结果项的分布规律；

b、提取提离值1mm的圆弧路径上的漏磁场磁感应强度水平分量Bx和垂直分量By，并根据漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程；

步骤七、重复步骤三至步骤六，反复计算分析，直到l _e ≥l _n 、管道断裂，结束。