基于三维漏磁测量的腐蚀检测探头设计

　　0 引言

　　近年来， 中国经济发展迅速， 生产企业对于原油天然气需求攀升， 伴之而来的是油气运输需求的增加， 而管道运输是石油天然气的主要运输方式[1]。 油气管道长期服役后， 会因外部干扰、 腐蚀、 管材和施工质量等原因发生失效事故[2]， 安全隐患极大。 隐患的早期排查主要依靠管道内检测技术， 在众多管道内检测技术中， 漏磁检测(MFL)技术最为成熟， 稳定性最高，应用最广泛[3]。 漏磁检测的基本原理是利用外加磁场使管道材料磁化， 当材料有缺陷时导磁率将发生变化， 导致磁力线弯曲畸变， 并有一部分磁力线泄漏出材料表面。 通过检测该泄漏磁场就能有效地识别出缺陷的形状和深度[4]。

　　目前， 国内采用的油气管道漏磁检测器主要是基于一个维度方向上漏磁场的检测[5]， 利用主磁场方向的漏磁通来确定缺陷情况。 虽然能基本定性找出缺陷， 但是却忽略了另外两方向漏磁场分量， 而此分量信号能量比较集中， 携带了大量缺陷信息， 对于我们更精确的确定缺陷的形状和位置有着重要作用。

　　1 三维探测新方法与实现技术

　　漏磁检测原理如图 1 所示。 漏磁场作为空间中连续分布的一种向量场 ，可以用磁偶极子模型来推演[6]， 该模型认为缺陷的漏磁场由极性相反的偶极子产生 。以二维的矩形槽为例， 两个磁偶极子位于缺陷两侧， 磁荷密度分别为+Q 和-Q，由此可得空间中任一点 M(x，y)处产生的漏磁场为：

　　式中： μ0—真空中磁导率。 由式(1)可知， B 为空间中的一个矢量， 通常把其正交分解到 X-Y-Z 方向来进行分析。 对于管道轴向磁化模式， 漏磁场 Bx 是平行于试件表面， 与外加磁场方向平行的分量， 为主磁场分量; 漏磁场 By 是平行于试件表面并与外加磁场方向垂直的分量，为副磁场分量; 漏磁场 Bz 是垂直于试件表面并与外加磁场方向垂直的分量， 为副磁场分量。 如图 3 所示。

　　2 三维漏磁检测探头的设计与分析

　　目前， 我国应用的油气管道腐蚀检测器主要是基于一个维度方向上漏磁场的检测， 受电池容量限制， 沿管道圆周最多布置 500 个传感器， 传感器间距 5~10mm，对于缺陷形状和深度检测精度还存在不足。 特别是对于裂纹缺陷， 分辨率远远不足。 而采用三维检测和高分辨率检测， 需要大量增加传感器数量到 1500~4000 个， 甚至更多， 则供电电池容量需要增加到 3~10 倍， 成为制约管道检测设备制造和检测精度的关键瓶颈。 所以， 针对上述特殊要求， 有必要专门设计适应三维漏磁测量的高性能探头。