张海锭，苏真伟，林仙土，李海鹏

（四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

1 引 言

天然气是公认的优质、高效清洁能源，和石油相比在安全、环保等方面有诸多优点。我国石油短缺，而天然气储量十分丰富。压缩天然气（CNG）作为汽车替代燃料，近年来得到迅猛发展，目前全国储气井数量已超过3000口，并且每年以800口的速度递增。

当前，我国大量储气井已进入中老年期，存在安全隐患。但是迄今为止，我国还没有相应的技术装备和手段来对CNG储气井的安全隐患进行有效的检测，缺少储气井安全评估方法和管理规范。文献检索表明，超声波（UT）检测和漏磁通量（MFL）检测是当前世界上最常用的两种油气管道管内智能检测技术。UT测量精度高，能分辨管内壁和外壁缺陷，不受管道材质约束，能够测量渐变腐蚀。但是UT存在检测盲区，只能对光洁表面检测，使用前必须清洗管道，需要耦合剂。MFL检测对突变缺陷敏感，无盲区，能对管壁进行全面检测，对被测表面的光洁度要求低，不需要耦合剂，更适用于CNG储气井井筒腐蚀的检测。

2 漏磁检测原理

漏磁检测由磁化器、空气隙、管壁组成闭合磁路，如图1所示。管壁被磁化后，在缺陷及其表面形成漏磁场，漏磁场的形状及强度和缺陷的形状有一定的对应关系。应用传感器测量这个漏磁场，得到测量信号，分析后可检测出管壁的缺陷。

按照磁化方式来分，漏磁检测可以分为直流磁化、交流磁化、复合磁化，综合磁化等。直流磁化又可分为直流电流磁化和永磁磁化。直流磁化需对被测工件进行饱和磁化，优点是测量深度较深，可以测量被测件内外壁的缺陷。交流磁化由于集肤效应的影响，磁力线聚集在被测件表面，所以只能测量表面缺陷，不能测量外壁缺陷，优点是不用进行饱和磁化。其中直流磁化和交流磁化应用较多，复合磁化和综合磁化比较复杂，目前应用不多。

图1 漏磁检测原理图

1965年美国AMF公司研制出第一台漏磁检测器。之后，英美俄等发达国家都成立了专门研制基于漏磁的管道检测公司，如BG、Pipetronic等公司的漏磁爬猪，检测精度达到了0.05T。

20世纪80年代末，我国开始引进和研制漏磁检测仪器。2001年沈阳工业大学和新疆三叶管道技术有限责任公司成功研制了直径377mm的管道漏磁在线检测系统，并在输油管道中进行实测试验。近年来，漏磁已大量应用于钢管检测，但国内目前还没有专门检测CNG储气井的漏磁检测装置。

3 漏磁场的有限元模拟分析

储气井结构如图2所示。井筒垂直埋于100～300m地层中，其周围灌注水泥，保护井筒免受地层介质腐蚀。井筒采用API无缝钢管，管内径156mm，外径177mm。这样的结构决定了必须采用磁化器内置的检测方式。

图2 储气井结构图

漏磁场的模拟分析采用ANSYS有限元软件。ANSYS是一种计算机数值分析软件，在与力学、材料学、电磁学、热学等学科相关的实际工程中得到广泛应用。用ANSYS进行仿真必需施加边界条件，边界条件可以采用远场或者采用足够宽的空气层来模拟。如采用空气层，气层厚度一般是所仿真的关键区域的7～8倍。鉴于井筒相对磁化装置无限长，如采用远场来模拟边界条件，井筒和空气难以区分，所以所建模型中在轴向方面井筒长度及相应的空气层是磁化装置的17倍长。磁化装置置于模型中间，在径向方面，以空气层代替水泥及土壤模拟边界条件，空气层相对井筒两边各延伸8倍宽度。应用集肤深度公式 δ=1计算得，δ=0.4mm。在集肤深度内划分了两层网格。用自由网格和映射网格相结合的方式划分网格，在缺陷和钢管表面等关心区域进行了局部细划。网格划分如图3所示。

可调的参数有衔铁和钢管的空气隙、衔铁半径R、衔铁宽度K、衔铁长度C、线圈电压。得出的主要结论如下：

（1）对1～12 mm的空气隙进行模拟时，空气隙与磁化强度呈非线性关系，随着磁化间隙增大，磁化强度逐渐减小。

（2）对5～60mm的衔铁半径进行模拟时，随着衔铁半径的增加磁化强度也在增加，但是增加幅度不大，为减小装置重量和体积考虑，应以20～30mm为宜。

（3）对5～60mm的衔铁宽进行模拟时，随着衔铁宽度的增加磁化强度大体上也在增加，但是增加的幅度不大，同样为减小体积和重量，应选择5～20mm。

（4）对30～130mm的衔铁长进行模拟时，随着衔铁长度的增加磁化强度也在增加，刚开始幅度较大，后面逐渐饱和。同样为减小体积和重量，取衔铁长度为50mm。

（5）对5～30 V的线圈电压进行模拟时，磁化强度与线圈电压成正比，对线圈施加的电压能更好的提高磁化强度，不仅比较方便，而且提高的幅度要大得多，但是电流大了，还要考虑发热问题。

基于以上的模拟结果，选定空气隙3 mm，衔铁半径20mm，衔铁宽20mm，衔铁长50mm，线圈电压30V，频率为1kHz。然后建模分析缺陷信号波形，得出结论如下：

（1）在宽度固定为2 mm时，对深度为1～7 mm的缺陷漏磁场进行模拟。结果如图4所示，说明在宽度一定的情况下，缺陷深度越大信号峰值越高，曲线越陡峭，越有利于缺陷的检出。

（2）在深度固定为2mm时，对宽度分别为1mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm 的缺陷漏磁场进行模拟。结果如图5所示，在深度一定的情况下，刚开始随着宽度的增加信号的峰值也增加，信号越陡峭，在达到峰值后开始出现双峰，双峰距离增大，双峰值逐渐减小。

4 漏磁检测装置总体设计

如图6所示，漏磁检测系统由电源、磁化装置、检测探头、A/D模块、计算机等组成。磁化装置将钢管磁化后，由检测探头检出信号，再由A/D采集，最后在计算机中显示分析结果。

图6 漏磁检测装置的总体结构图

4.1 磁化装置

磁化装置在漏磁检测中起关键作用，磁化强度不够就无法检测出缺陷。磁化装置采用高磁导率、低矫顽力的锰锌铁氧体作为磁芯，在磁芯上缠绕一定匝数的线圈。磁化强度大小由线圈匝数和通过线圈的电流调节。

4.2 检测探头

检测探头由PCB板和hal3503霍尔元件组成，Hal3503固定在PCB板上面，PCB板固定在缠绕好的线圈上。Hal3503分辨率7.5～15.4mV/mT，为了不漏检并且提高扫描速度，霍尔元件必须均匀分布在PCB板外围。PCB布版如图7所示。

4.3 数据采集

数据采集由台达PLC模块DVP-14SS和A/D模块DVP-04AD组成，DVP-14SS自带485接口，可以和计算机进行串行通信，DVP-04AD是 14位A/D转换器，输入电压范围±10VDC，分辨率1.25mV，有4个输入通道。

4.4 计算机显示

采用Visual studio 2005 C#编程，利用RS232串口和DVP-14SS通讯，可以显示4通道的波形，实时显示检测数据。串口通信采用C#自带串口组件serialPort，波形显示采用Web组件C1.Win.C1Chart。流程图如图8所示。

4.5 漏磁检测装置

总体检测装置如图9所示，从左上到右下分别是井筒、磁化装置和检测探头、直流电源、DVP-14SS和DVP-04AD、RS485到RS232转接器。软件用户界面如图10所示。

图8 流程图

5 结束语

实验室实验表明，系统可以检测出CNG储气井的缺陷，检测精度可从2方面进一步提高：

（1）从硬件入手，增大磁化强度和传感器灵敏度；

（2）采用人工神经网络等技术，提高数据处理精度。

存在的主要问题有2个方面：（1）漏磁检测对渐变性腐蚀不敏感，而CNG储气井在使用过程中大量的腐蚀是渐变性的；（2）漏磁检测的磁化系统和检测系统体积较大，而老式的CNG储气井井口不能拆卸，很难实现无损检测。

进一步的工作是在提高检测精度的基础上，设计适应于老式井口的磁化检测系统，并考虑超声波检测的互补性，研制漏磁和超声综合检测系统。

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