CN113092572A

CN113092572A - 一种管道达到磁饱和所需磁化强度的确定方法

Info

Publication number: CN113092572A
Application number: CN202110381961.1A
Authority: CN
Inventors: 徐杰; 饶连涛; 毛瑞麒; 樊宇; 陈正; 范贺良; 高翰林; 郝大洋; 刘国兴; 满铮
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-04-09
Also published as: CN113092572B

Abstract

本发明提供了一种管道达到磁饱和所需磁化强度的确定方法。首先，在给定管道材质的基础上，通过一定磁化强度的磁化器，对不同壁厚管道进行磁化；其次，采用仿真方法对磁化后管道的磁场分布进行模拟计算；然后，提取不同磁化强度下管道的磁饱和壁厚转变点；将所得的不同磁化强度下的磁饱和壁厚转变点和磁化强度进行曲线绘制，确定磁饱和壁厚转变点和磁化器磁化强度之间的关系；最后，可以根据管道材质和壁厚来确定使管道达到磁饱和所需要的磁化器的磁化强度。本发明充分利用管材的B‑H曲线和管道在不同磁化强度下的磁场分布以及管道磁饱和壁厚转变点之间的关系，提供了一种针对不同管道壁厚和材质来确定使其达到磁饱和所需磁化强度的新思路。

Description

一种管道达到磁饱和所需磁化强度的确定方法

技术领域

本发明涉及漏磁无损检测技术领域，尤其适用于不同管道壁厚和材质的磁化器磁化强度的确定方法。

背景技术

油气长输管道是我国重要能源基础设施，我国目前已建成了“三纵四横、连通海外、覆盖全国”的油气管网，油气管道已成为中国经济发展的重要命脉。随着管道服役时间的增长，由于管道质量、腐蚀以及外力破坏等多种原因，会造成管道发生诸多缺陷，导致管道使用强度降低，可能发生开裂、油气泄露甚至爆炸等严重安全事故。在役管道内外壁缺陷和大面积管壁减薄均是严重的安全隐患。因此，准确检测在役管道的壁厚对于管道完整性评估和寿命预测具有重大意义。

漏磁检测作为管道无损检测的常用方法之一，具有对管道环境要求不高，无需耦合、适用范围广、价格低廉等优点，应用非常广泛。但在漏磁检测中，对于不同壁厚及材质管道磁化强度的精确量化方面仍有许多问题需要解决，这对于漏磁检测信号的有效识别具有重要作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种基于不同管道壁厚和管道材质达到磁饱和所需磁化器磁化强度的确定方法。

为实现上述目的，本方法采用的漏磁检测的方法包括以下步骤：将无缺陷的不同壁厚T_p的管道在不同磁化强度H_c下磁化，然后获取管道表面处于磁化器中心位置的磁通密度B₀。将磁通密度B₀随壁厚T_p变化的曲线求取微分，得到磁饱和壁厚转变点T_x，将不同磁化强度H_c下得到的磁饱和壁厚转变点T_x进行曲线绘制，从而可对不同壁厚和材质的管道确定使其达到磁饱和所需的磁化强度H_c。

本发明具体包括以下步骤：

Step 1：构建磁化器模型，对给定管材设定不同的磁化强度H_c。

Step 2：建立不同磁化强度H_c下不同壁厚T_p的管道磁化模型，形成不同磁化强度H_c下不同壁厚T_p的样本库。

Step 3：采用有限元仿真软件对Step 2中样本库进行仿真模拟计算，并提取管道表面处于磁化器中心位置的磁通密度B₀。

Step 4：绘制样本库中不同磁化强度H_c下的磁通密度B₀随壁厚T_p变化的曲线B₀-T_p。

Step 5：对Step 4的曲线求取一阶微分，获得该磁化强度H_c下的磁饱和壁厚转变点T_x（即该磁化强度下管道达到磁饱和的临界壁厚值）。

Step 6：改变磁化强度H_c，重复Step 3 ~ Step 5，对样本库中所有不同磁化强度H_c下的不同壁厚T_p进行数据提取和曲线绘制。

Step 7：将不同磁化强度H_c和对应的磁饱和壁厚转变点T_x进行曲线绘制。

Step 8：根据管材的B-H曲线（铁磁材料磁化特性曲线）在Step 7中所得的曲线上绘制磁饱和值水平线。

Step 9：随机选取壁厚T_p，可验证Step 7中曲线的准确性。

可调节的磁化器参数有：磁铁矫顽力、磁铁长度、磁铁宽度、磁铁厚度、磁极间距。

对于Step 1中的磁化强度H_c是基于仿真软件材料库中的永磁体H_c，并以该值为基准，在±60%范围内外推得到H_c值。

对于Step 5，B₀-T_p曲线一阶微分急剧下降的点（即该曲线下降速率急剧增加的点），对应管材B-H曲线的饱和点（即B-H曲线开始线性上升时所对应的B值），此点即为管道的磁饱和壁厚转变点T_x。在相同磁化强度下，当管道壁厚T_p大于T_x值时，管道将由磁饱和变为不饱和状态，而当管道处于未饱和状态时，对漏磁信号有很大影响，不利于管道缺陷的有效检出。

对于Step 7中的曲线，依据H_c-T_x的关系，在曲线的上方为不同管道壁厚T_p所对应H_c的磁饱和区域，曲线下方为未饱和区域。

对于Step 8中的曲线，根据管材B-H曲线转变点的磁饱和值绘制的水平直线和B₀的交点与管道T_x对应的磁通密度是吻合的，即T_x对应的磁通密度B₀和管材B-H曲线的磁饱和值是吻合的。

本发明的有益效果在于：利用不同管材的B-H曲线，提出了一种根据管材在不同磁化强度下的磁场分布随管道壁厚不同而发生变化的曲线分析方法，为磁化强度H_c的确定提供了新的思路。因此，可将其作为一种新的根据管道壁厚和材质确定磁化强度的方法。通过改变磁化强度H_c以及管道壁厚T_p，得出磁通密度B₀与管道磁饱和壁厚转变点T_p的关系，从而得出磁化强度H_c和磁饱和壁厚转变点T_x的关系，为给定管道壁厚和材质来确定磁化器磁化强度提供新的思路和方法。

附图说明

图1是发明的流程图；

图2是本发明实施案例的模型示意图；

图3是不同磁化强度H_c随管道壁厚T_p变化的磁通密度B₀分布曲线（部分）图；

图4是1008钢在设定磁化强度H_c下得出的磁通密度B₀与壁厚T_p的关系及其一阶微分图；

图5是管道磁饱和值和磁饱和壁厚壁厚转变点T_x关系示意图；

图6是1008钢的B-H曲线图；

图7是H_c-T_x关系曲线图。

具体实施方式

为了更加清晰地说明使用本发明的目的、方案和优势，以下给出一具体实例来对本发明进行进一步详细说明。另外，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所选取的管壁厚度主要集中在中厚壁厚的管道，但本发明涉及的方法不局限于中厚壁厚管道。对于壁厚较小的薄壁管，由于其易于被磁化至饱和状态，而工程中的永磁体成本主要在于磁化强度较大的永磁体。因此，综合考虑工程实际，本专利主要针对中厚壁厚的管道做探究。

本专利所涉及相关字母含义及单位

名称	符号	单位
			磁化器磁化强度	H<sub>c</sub>	kA.m<sup>-1</sup>
管道表面处于磁化器中心位置的磁通密度	B<sub>0</sub>	mT
			管道壁厚	T<sub>p</sub>	mm
磁饱和壁厚转变点	T<sub>x</sub>	mm

如图1所示，本发明的步骤为：

Step 1：构建磁化器模型，对给定管材设定磁化强度H_c，如图2所示。

选用磁化器磁铁材料为永磁铁，管道采用1008钢（Q235钢），根据其B-H曲线，管道磁化至饱和的磁通密度在1630 mT。

调节磁化器的各项参数，其中可调节的参量包括矫顽力、磁铁长度、磁铁宽度、磁极间距和磁铁厚度。

Step 2：建立不同磁化强度H_c下不同壁厚T_p下的管道模型，构建不同磁化强度H_c下不同壁厚T_p的样本库。

在磁化强度H_c为30 kAm^-1下，将管道壁厚T_p从2 mm ~ 65 mm每间隔5 mm设置一组模型。

将磁化强度H_c在25~80 kAm^-1的范围内每间隔1~10 kAm^-1取值，并在每个磁化强度H_c下分别将管道壁厚T_p从2 mm~ 65 mm每间隔5 mm设置一组模型，建立样本库。

Step 3：采用有限元仿真软件对Step 2的样本库进行仿真数值模拟计算，并提取管道表面处于磁化器中心位置的磁通密度B₀。

Step 4：绘制样本库中不同磁化强度H_c下磁通密度B₀随壁厚T_p变化的曲线B₀-T_p，如图3所示。

将曲线开始下降的壁厚T_p附近的数据加密，即在将下降的壁厚T_p附近每隔1mm设置一组模型，重复Step 2~Step 4。

Step 5：对Step 4的曲线求取一阶微分，获得该磁化强度H_c下的磁饱和壁厚转变点T_x，如图4所示。

将Step 4中所得的H_c=30 kA·m^-1下的B₀随T_p变化的曲线B₀-T_p求取一阶微分，在一阶微分突降点的位置即为T_x，曲线横坐标为管道壁厚T_p（单位：mm），纵坐标为磁通密度B₀（单位：mT），如图4所示。

在25~80 kAm^-1的范围内每间隔1~10 kAm^-1选取磁化强度H_c值，将对应磁化强度H_c值下的样本库模型进行计算分析和信号提取，并计算不同磁化强度H_c下对应的磁饱和壁厚转变点T_x。

Step 7：将不同磁化强度H_c和对应的磁饱和壁厚转变点T_x进行曲线绘制，如图5铅垂线引线所示。

Step 8：根据管材的B-H曲线在Step 7中所得的曲线上绘制磁饱和值，如图5水平线引线所示。

1008钢的磁饱和点约为1630 mT，如图6所示，可以看出1630 mT与B₀-T_p曲线的交点与Step 5中所得的磁饱和壁厚转变点T_x相吻合。

Step 9：对Step 7中所得的结果进行曲线绘制，得出磁饱和壁厚转变点T_x和磁化强度H_c的曲线关系图，如图7所示。

由Step 9中绘制的H_c-T_x曲线关系可知，在相同磁化强度H_c下，管道壁厚T_p大于此磁化强度H_c下的磁饱和壁厚转变点T_x时，管道将由磁饱和变为不饱和状态，管道壁厚T_p小于此磁化强度H_c下的磁饱和壁厚转变点T_x时，管道将处于磁饱和状态，即在曲线的上方为管道壁厚T_p对应的磁化强度H_c的磁饱和区域，在曲线的下方为管道壁厚T_p对应的磁化强度H_c的未饱和区域。

Step 10：随机选取一个T_p，可验证Step 9中曲线的准确性。

本案例随机选取了壁厚T_p=47mm，根据Step 9的曲线关系图可求出需要的磁化强度H_c为66537 A·m^-1，将66537 A·m^-1作为设定的磁化强度H_c值，计算不同壁厚T_p下的磁通密度B₀，绘制B₀-T_p的曲线并求解一阶微分，得出的磁饱和壁厚转变点T_x为47mm，结果吻合，因此，本发明提供的方法是可行且准确的。

Claims

1.一种管道达到磁饱和所需磁化强度的确定方法，其特征在于包括以下步骤：将无缺陷的不同壁厚T_p的管道在不同磁化强度H_c下磁化，然后获取磁通密度B₀；将磁通密度B₀随壁厚T_p变化的曲线求取微分，得到磁饱和壁厚转变点T_x，将不同磁化强度H_c下得到的磁饱和壁厚转变点T_x进行曲线绘制，从而对不同壁厚和材质的管道确定使其达到磁饱和所需的磁化强度H_c。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括以下步骤：

Step 1：构建磁化器模型，对给定管材设定不同的磁化强度H_c；

Step 2：建立不同壁厚T_p的管道，并对其在不同磁化强度H_c下的磁场分布进行数值模拟，提取磁通密度B₀；

Step 3：将磁通密度B₀随壁厚T_p变化的关系绘制曲线，求取一阶微分，得到不同磁化强度H_c下的磁饱和壁厚转变点T_x；

Step 4：将磁化强度H_c与磁饱和壁厚转变点T_x进行曲线绘制，获得磁化强度H_c与磁饱和壁厚转变点T_x的关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：Step 1中的磁化强度H_c是基于仿真软件材料库中的永磁体H_c，并以该值为基准，在±60%范围内外推得到H_c值。

4.根据权利要求2的所述方法，其特征在于：在Step 1中，可调节的磁化器参数包括：磁铁矫顽力、磁铁长度、磁铁宽度、磁铁厚度及磁极间距。

5.根据权利要求2的所述方法，其特征在于：在Step 2中，提取管道表面处于磁化器中心位置的磁通密度B₀。

6.根据权利要求2的所述方法，其特征在于：在Step 2中，采用有限元仿真软件进行数值模拟计算并提取磁通密度B₀。

7.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于：在Step 3中，判断磁饱和壁厚转变点T_x的方法为：当管道表面处于磁化器中心位置的磁通密度B₀达到该管材铁磁材料磁化特性曲线的饱和点，管道磁化即达到饱和，对应磁化强度H_c下磁通密度B₀随壁厚T_p变化曲线的一阶微分开始急剧下降的点。

8.根据权利要求2的所述方法，其特征在于：在Step 4中，在曲线的上方为不同管道壁厚T_p所对应磁化强度H_c的磁饱和区域，曲线下方为未饱和区域。