大尺寸脉冲涡流检测热力管道腐蚀缺陷

1 概述

供热管道随着服役时间的增长，会发生腐蚀、变形甚至破裂

，这些损伤严重威胁管道的运营安全，造成严重的经济损失。及时有效地检测在役管道的运营状况是保障能源安全输送的重要环节之一，其中检测热力金属管道的腐蚀状况是管道安全性评价的关键依据。

脉冲涡流检测技术是建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁无损检测方法，常规的脉冲涡流检测装置一般采用小尺寸放置式线圈，用于检测复杂构件不同深度的缺陷。基于脉冲涡流检测的特点，本文提出大尺寸探头脉冲涡流检测技术，用于实现埋深在1 500 mm以内的热力管道非开挖在役无损检测，建立了脉冲涡流检测热力管道的电磁场模型，利用基于非均匀网格技术的时域有限差分算法正演热力管道模型的脉冲涡流响应特征，设计相应的检测实验来验证正演结果的可靠性。脉冲涡流法受周围地形、热力管道运营情况的影响较小，并且可以较为准确地获得被检管道的缺陷信息，具有良好的应用前景。

由图6(a)可知,弯曲梁的受力情况与微纳测头受Z向载荷时支撑梁的受力情况是一致的，故支撑梁弯曲时试函数与式(1)相同。

3.将需要改扩建的教学科研用房、师生活动用房和行政管理用房等存量项目，鉴于前面分析的原因，适用于ROT模式，付费机制可以采用政府付费或者可行性缺口补助。

近年来，“双创”浪潮如雨后春笋般涌现。在教育部提出的方针和政策的指引下，应用型本科院校的创新创业教育开展得如火如荼,各类课程也将对学生创新意识的激发和创业能力的培养融入其中，紧跟时代的需求，积极改革。电子商务是创新创业的重要载体和平台，电子商务课程改革势在必行。

2 方法

2.1 大尺寸脉冲涡流检测

脉冲涡流(pulsed eddy current，PEC)检测技术也称为暂态涡流检测技术，其基本原理是采集线圈关断后被检试件产生的电磁场，通过分析被检试件感应出来的涡流场得到试件的厚度或缺陷等信息

。与传统涡流检测不同，脉冲涡流检测采用的激励是方波或阶跃信号，传感器采集的是以被检试件为中心的系统脉冲或者阶跃响应。因此，接收信号频率成分丰富，在较大距离下仍可得到检测信号，对大面积的金属腐蚀检测有效。

根据管道的埋深，设计大尺寸脉冲涡流检测探头，外观见图1a。探头外壳采用高级尼龙材质一体成型，坚固耐磨，不易变形，铜质漆包线线圈嵌入外壳槽中并封装。外框为脉冲涡流信号发射线框，边长为1 000 mm，内框为感应信号接收线框，边长为500 mm。此种检测探头称为中心回线检测装置，既能够减小收发线圈间互感，又能与被检管道有较好的耦合。通过改变发射和接收线圈的匝数、线圈边长、线圈直径、线路中阻尼电阻等方法实现匹配，尽可能使接收线圈工作在临界阻尼状态，这样才能使接收的信号不振荡失真，并准确反映检测目标的信息。通过综合调整检测系统参数，发现发射线圈为30匝、直径为1 mm且接收线圈为60匝、直径为1 mm时，对埋深在1 500 mm以内的管道能够获得较好的检测信号。

首先，农业龙头企业生产生活条件差，特别是种养企业生产环境差，没有稳定的职称、收入与福利保障，难以吸引优秀人才。

脉冲涡流检测原理见图1b。大尺寸脉冲涡流检测探头平铺放置在热力管道上方地面上，并在发射线圈中加载阶跃电流，则在一定时间内，线圈周围建立稳定的一次磁场。关断激励电流时，管道周围已经形成的一次磁场在一定时间内逐步减弱直至消失

，在一次磁场减弱的过程中周围空间会形成变化的二次磁场。二次磁场会使接收线圈中形成逐渐减弱的感应电动势。在电流完全关断以后，间隔一段时间，尽可能使一次磁场的影响消除。利用接收线圈两端感应电压反映二次磁场的信息，以此判断热力管道的腐蚀状况。

2.2 时域有限差分算法[4-6]

根据时域有限差分算法的原理，编制计算软件对模型进行仿真模拟。脉冲涡流检测涉及的电磁场是时间域电磁场，时域有限差分算法是一种直接在时间域求解电磁场的方法，可展现电磁场在地下随时间传播的全过程。其主要原理是以有限差分算法为基础，利用离散方程组对电磁场进行数值模拟，将连续的电磁场方程组离散成有限差分方程组，并在空间域和时间域中采样电磁场。采用时域有限差分算法计算脉冲涡流电磁场时，为了获得稳定的数值解，并尽可能减少计算时间，需要综合考虑网格剖分、激励源的施加和边界条件的处理。经过时域有限差分数值模拟过程，最终得到接收线圈两端的感应电压。

在发射线圈(探头)所影响的范围内(2.5 m之内)，主要影响接收线圈的感应电动势的因素就是管道的阻抗。检测环境中空气、土壤和管道内介质的阻抗对感应电动势的影响微乎其微。因此整个模型中不需要考虑空气、土壤和管道内的介质。管道无保温层。

① 非均匀网格剖分

在环状腐蚀长度保持不变的情况下，通过调整腐蚀深度来观察壁厚变化对脉冲涡流感应电压的影响。保持腐蚀长度为100 mm不变，腐蚀深度分别为3.5 mm、10.5 mm、17.5 mm和28 mm时，对应腐蚀相对深度分别为10%、30%、50%和80%的模型，其他参数与标准管一致。分析环状槽中心位置正上方测点的感应电压特征，见图5～6。图5中对中期信号区间感应电压局部放大，可以看出感应电压整体变化趋势较大，且感应电压相差较大。随着壁厚减薄程度的增大，金属减少量增大，感应电压分离趋势明显，且感应电压逐渐减小。图6中对晚期信号区间感应电压局部放大，可以看出感应电压整体呈直线下降趋势，随着壁厚减薄程度的增大，感应电压逐渐增大，但晚期感应电压差异远小于中期感应电压差异。

建立有限空间的仿真模型，即三维截断空间模型，对此模型区域进行非均匀网格剖分，然后对单元节点进行排序。为了将自变量离散化，在单元节点、空间坐标位置之间建立映射关系。在单元网格棱边和面中心上施加电场和磁场的偏微分方程并且计算单元网格中的未知量。为了达到网格剖分效率和精度之间的平衡，在热力管道周围使用细网格划分，离热力管道较远的部分采用渐进网格划分，见图2。

② 初始条件

桑干河流域地处内陆高原，属北温带较干燥的大陆性气候，受季风影响强烈，并具有山区气候特征。根据山阴县县城气象站资料，多年平均降水量362.4 mm，主要集中在7～8月份，多年平均气温7.6℃，年内1月份平均气温最低，7月份平均气温最高，多年平均风速为2.6 m/s，汛期最大风速达20.0 m/s，多年平均蒸发量为1 967 mm，最大冻土深为1.47 m，无霜期为171 d，出现大风天数为17.4 d。

② 不同腐蚀深度

设置截断边界且在边界处施加吸收边界条件，模拟电磁波在截断边界处向无限空间传播的过程，并使截断边界处不引起电磁波的明显反射，即三维截断空间模型。本文选取适合热力管道模型的三维截断边界的吸收边界条件，它是基于卷积和复频移递归的理想匹配层(Perfectly Matched Layer，PML)的拉伸坐标形式，具有很强的鲁棒性，且该方法在非均匀、有损耗、各向异性、色散或非线性介质模型中不需要进行任何修改就可以应用，针对细长结构、尖角或低频激励的复杂电磁结构也具有较好的吸收效果。

3 结果与讨论

3.1 模型仿真结果

管道敷设时，受实际环境的影响而存在不同的埋深。设置5种管道埋深：500 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm，在管道中间位置设置长度为100 mm、深度为3.5 mm的环状腐蚀，其余参数与标准管相同。分析环状腐蚀中心位置正上方测点的感应电压特征，见图9。不同埋深下的观测曲线差异明显，感应电压随管道埋深增大而逐渐减小。这是因为一次磁场的传播与距离有关，埋深越大，穿过管道的衰减信号越小，接收线圈的感应电压也就越小。

① 不同腐蚀长度

用初始条件来表征场源的施加过程。地面网格上施加电压，电压的峰值是5 V，激励时间为2 s，电压施加在发射线圈两端。在磁场扩散未到达热力管道过程中，使用均匀半空间的方程解电磁场的分布情况，并且场源使用电磁场施加在地面空气边界条件上的延拓网络。热力金属管道腐蚀检测是小范围的检测，埋深较浅，可以把局部土壤介质看作均匀无变化。

保持腐蚀深度为10.5 mm不变，通过模拟不同腐蚀长度来代表面积型腐蚀的大小，分析环状腐蚀缺陷中心位置正上方地面处测点的感应电压特征，见图4。图4中对中期信号区间感应电压局部放大，可以看出不同腐蚀长度的管道感应电压整体变化趋势较大，且感应电压相差较大。随着腐蚀长度的增大，金属量减少量增大，感应电压逐渐减小。

③ 边界条件

为增加经济效益，也可把形体优美（不管大小个）灵芝挑选出来，刷掉孢子粉和泥土，放至蒸锅内蒸红（5～10分钟），出锅晒干或烘干，精心保管，留做工艺灵芝。

综上所述，观测中期的脉冲涡流响应信号能够较好地反映腐蚀信息，随着金属减少量的增大，感应电压逐渐减小。当腐蚀长度为100 mm、腐蚀相对深度为10%时，中期信号仍有较好的反映。

凹槽深度为1.5 mm时，不同腐蚀长度的管道模型腐蚀中心位置测点的中期和晚期信号区间感应电压衰减曲线见图10～11。从图10～11的局部放大图中可以看出，不同长度的腐蚀，中期和晚期单点衰减曲线区分明显，感应电压变化趋势一致。图10的中期信号区间，随着腐蚀长度的增大，金属减少量增大，感应电压逐渐减小，且感应电压变化明显。图11的晚期信号区间，随着腐蚀长度增大，金属减少量增大，感应电压增大，感应电压的变化量小于中期信号区间的变化量。

根据实际应用情况，选取了3种管径的埋地管道进行数值模拟，外直径分别为219 mm、273 mm和325 mm。在管道中间位置设置长度为100 mm、深度为3.5 mm的环状腐蚀，其他参数与标准管相同。分析环状腐蚀中心位置正上方测点的感应电压特征，见图7～8。图7中对中期信号区间感应电压局部放大，不同管径感应电压变化趋势相同，但随着管径增大，感应电压变化趋势分离点提前，分离前感应电压随着管径的增大而减小，分离后感应电压随管径的增大而增大。图8中晚期信号区间感应电压局部放大，可以看出感应电压整体呈直线下降趋势，但随着管径的增大而增大。

④ 不同埋深

为了分析热力管道腐蚀缺陷产生的脉冲涡流响应特征，设计不同长度和不同深度的环状凹槽缺陷来模拟管道腐蚀，采用时域有限差分算法对模型进行正演计算，观察探头接收线圈感应电压变化情况。环状凹槽腐蚀模型剖面见图3。分别设置腐蚀长度为100 mm、150 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm的模型，管道长度

为4 000 mm，外直径

为273 mm，标准壁厚

为35 mm，管道中心埋深为1 000 mm。本文中，中心埋深指管道中心距地表的距离。埋深指管道顶点距地表的距离。设置标准管为无腐蚀的管道，其他参数与上述一致。

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3.2 试验验证结果

通过对仿真结果的分析，可以得到腐蚀长度、腐蚀深度、管径、埋深等因素变化产生的脉冲涡流响应特征，感应电压与影响因素之间呈现一定关系，但这些关系是否正确还需通过模型试验来验证。由于仿真结果是在理想化的假设条件下通过近似计算得到的电磁场，与实际的检测结果在数值上必然存在一定差异。因此，试验验证主要从定性角度来验证感应电压的变化特征。试验场地选择周围没有明显金属物质和人文电磁干扰的场地进行，试验模型采用热力管道常用的20号钢无缝钢管。管道外径为140 mm，标准壁厚为8 mm，长度为4 000 mm，在管道中心位置打磨环状凹槽来模拟腐蚀缺陷，凹槽长度分别为200、400、600 mm，凹槽深度为1.5、3、4.5 mm。管道中心埋深为1 000 mm，施加的电压为12 V，电流为4 A，频率为12 Hz。

① 不同腐蚀长度

③ 不同管径

本着持续改善的原则，还应从课程内容更新、考核内容与考核方法等方面入手，使该课程逐渐形成系统、柔性、完善的多元化教学体系。

② 不同腐蚀相对深度

凹槽长度为200 mm时，不同腐蚀相对深度的管道模型腐蚀中心位置测点的中期和晚期信号区间感应电压衰减曲线见图12～13。可以看出，不同腐蚀相对深度，中期和晚期单点衰减曲线区分明显，感应电压变化趋势一致。图12的中期信号区间，随着腐蚀相对深度增大，金属减少量增大，感应电压逐渐减小，且感应电压信号变化明显。图13的晚期信号区间，随着腐蚀相对深度增大，金属减少量增大，感应电压增大，感应电压的变化量小于中期信号的变化量。

③ 不同管径

混凝-加核絮凝组合工艺将无机混凝与有机混凝相结合，既能体现出有机混凝与无机混凝的“吸附架桥”作用，又能发挥出介孔材料的“加速沉降”作用，携带出更多的污染物，恰当地弥补了无机混凝法与有机混凝法各自存在的缺陷，对大分子有机污染物、胶体状污染物和一部分细小悬浮物处理效果明显，但是对小分子有机污染物处理效果较差。

设置2种不同管径的模型，外直径分别为140 mm和160 mm，腐蚀长度200 mm，腐蚀深度1.5 mm。2种管径模型腐蚀中心位置测点的中期和晚期信号区间感应电压衰减曲线见图14～15。可以看出，不同管径模型的中期和晚期单点衰减曲线区分明显，感应电压变化趋势一致。感应电压均随着管径增大而增大。在管道壁厚及腐蚀处剩余壁厚相同的条件下，管径越大，管体的金属量越大，产生的脉冲涡流响应信号就会越强，即感应电压越大。

④ 不同埋深

设置不同埋深的热力管道进行试验，埋深分别为600、800、1 000、1 400 mm，外直径为140 mm，腐蚀长度200 mm，腐蚀深度1.5 mm。管道模型腐蚀中心位置测点的感应电压衰减曲线见图16。曲线前期重合，中期信号区间开始分离，相同时刻随着管道埋深增加，感应电压减小。根据脉冲涡流检测原理，引起这种变化的原因是随着管道埋深增大，一次磁场衰减深度产生变化及二次磁场向上传播距离变化引起感应电压减小。

4 结论

① 利用非均匀网格的时域有限差分算法仿真模拟了不同长度、不同深度的环状凹槽，以及不同管径和不同埋深的情况，对于大多数情况，中期感应电压差异大于晚期感应电压差异，因此选择中期信号区间的感应电压来分析。

② 在中期信号区间内，凹槽长度或深度增加，金属量减少量增大，则感应电压越小。随着管道埋深增大，感应电压逐渐减小。试验得到的规律与仿真模拟一致。

③ 不同管径的模拟结果显示，在中期信号区间会出现一个趋势反转点，在反转点以前，随着管径增大，感应电压逐渐减小；在反转点之后，随着管径增大，感应电压逐渐增大。在试验中，中期信号区间放大结果显示，随管径增大，感应电压增大。

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