1引言
管道檢測是一個涉及多學科領域的研究項目，在漏磁、超聲，渦流等檢測方法中漏磁檢測技術是一種應用廣泛、技術較成熟的檢測技術[1]。在管道漏磁檢測領
域，采用周向勵磁的高精度管道漏磁在線檢測系統（智能PIG）來檢測管道軸向導向的狹窄裂紋、焊縫、機械損傷和腐蝕凹坑等缺陷[2]。周向勵磁裝置由于各個
工作區的磁路較長，不易使被測管道達到傳統漏磁檢測中所需的過飽和程度，通過改進磁化裝置來盡可能滿足周向勵磁對管道的磁化要求成為這一技術的關鍵[3,4]。為了滿足設計要求，本文將管道內的磁通密度值作為研究對象，應用ANSYS
有限元軟件進行仿真運算[5,6]，提出了一種保證檢測裝置磁路設計方案可行性
的設計方法。
2周向勵磁的磁化節設計
周向勵磁漏磁檢測技術通過永磁體磁化形成四個周向分布的工作區，在管道缺陷處由于磁場畸變會形成漏磁場，通過沿管壁內側分布的霍爾傳感器檢測到漏磁信號，分析信號曲線來實現對管道缺陷的檢測。
圖1 周向勵磁裝置截面圖
如圖1 是周向勵磁裝置的周向截面圖，其中1線表示延長線過管道截面圓心通過管道壁的一條直線， 2線表示存在缺陷的工作區內傳感器沿內壁分布一段曲線，3線表示無缺陷的工作區內傳感器沿內壁分布一段曲線，4線表示管道內二分之一壁厚的一段曲線。分析將周向勵磁ANSYS仿真磁感應強度矢量圖（如圖2）中第一象限工作區作為磁路設計的研究對象，并將其轉化為等效模型如圖3所示。
圖2 磁感應強度B矢量圖 圖3 四分之一磁路等效模型
3管道內的磁通密度
針對磁路等效模型利用等效網絡解析法，做出其等效網絡并列出方程，進而選擇與確定各部分磁體的工作點并計算空間各部分的磁導[7]。磁路方程推導如下：
磁路第一基本方程：
（1）
磁路第二基本方程：
（2）
磁阻與磁導的關系：
（3）
若
經過屬于 
回路的總磁阻為
，則由式（1），（2），（3）可以導出回路的克�？路蚍匠蹋�4）：
（4）
通過式（4）可得我們需要的方程組（5）
（5）
式中，R1至R11為等效模型中的各部分磁阻，f1至f6為各回路磁通量，Hm1和Hm2為兩塊永磁鐵的磁場強度，Lm1和Lm2為兩塊永磁鐵磁化方向的長度。被測管道內通過的磁通為f3。若管道矩形截面積為S則管道內的平均磁通密度值為f3/S。由于管道存在一定的厚度，圖1中的1線通過管道內外壁線段上的磁通密度分布曲線如圖4所示，管道中間的磁通密度值較大，而由于存在部分磁力線流經空氣形成閉合回路的原因，管道貼近內側和外側管壁處的磁通密度值都較小。二分之一壁厚曲線上的磁通密度的基值較大，在外界條件發生變化時，其曲線上變化幅度較大易于觀察分析，所以擬采用管道二分之一壁厚曲線上的磁通密度作為研究對象。后續分析選取圖1中的4線作為基準研究曲線。
圖4 管道內磁通密度分布圖 圖5 X50管道的BH曲線圖
采用X50型號材料的管道作為分析對象，由其BH曲線（如圖5所示）可以看出，磁通密度值1.8T為臨界飽和值，通過改變磁路的幾何和材料參數使得圖1中4線上的磁通密度值發生變化，選取磁通密度最小值1.3T和最大值2.1T來分析管道在極不飽和及過飽和這兩個極限情況下，周向勵磁漏磁檢測裝置的可檢出性和穩定性，通過分析不同設計方案所對應的磁通密度值來檢驗裝置實現漏磁檢測的可行性。
4周向勵磁的磁路特性
4.1可檢出性分析
在管道內側缺陷位置處，添加七個不同大小的常規缺陷進行仿真，其中一個是管道中的極小干擾缺陷，可以近似的認為是管道內壁不光滑引起的常規干擾，其它六個是需要檢測出的管道缺陷。
圖1中2線上傳感器所測得的磁通密度值，在管道處于過飽和時（圖6），傳感器所得的常規缺陷曲線和干擾缺陷曲線有較大差異，能夠容易的加以區分，保證缺陷可檢出性；而在管道處于極不飽和時（圖7），兩類缺陷曲線則難以區分。
圖6 傳感器磁通密度 2.1T 圖7 傳感器磁通密度 1.3T
4.2穩定性分析
圖1中4線處對七個不同大小常規缺陷檢測得到管道內二分之一壁厚曲線上的磁通密度值，同時在3線處可得到其它工作區傳感器測量的磁通密度基值變化圖。由于管道缺陷處產生漏磁的原因，管道處于極不飽和時，缺陷附近管道內的磁通密度值出現大幅度的下降（如圖8），直接導致其它工作區內傳感器的測量基值發生變化（如圖9），當管道其它位置再次出現缺陷時，缺陷漏磁信號的幅值變小，給管道缺陷的判斷造成困難也無法保證檢測的穩定性。
圖8 管道內磁通密度1.3T 圖9 傳感器磁通密度 1.3T
而當管道處于過飽和時，缺陷附近管道內的磁通密度值基本不變（如圖10），也不會影響到傳感器的測量基值（如圖11），保證了周向勵磁漏磁檢測的穩定性。由于周向勵磁檢測有多個工作區，不同于傳統的軸向勵磁方式，在管道處于不飽和狀態時，某一工作區內的漏磁檢測會受到其它工作區的影響，給檢測信號的后續分析和缺陷判斷帶來很大的困難。因此，對于周向勵磁檢測裝置而言，保證四個漏磁檢測工作區的獨立性也是非常重要的。
經過如上分析可得周向勵磁管道漏磁檢測裝置需滿足如下結論：
圖10 管道內磁通密度2.1T 圖11 傳感器磁通密度 2.1T
1）可檢出性
管道在永磁體勵磁裝置的磁化作用下，其內部的磁通密度需達到一定量值。當管道存在缺陷和外界干擾的情況下，通過對比不同時刻傳感器所得的漏磁通密度值，能夠清晰的分析出缺陷的存在。
2）穩定性
當管道無缺陷時，沿管壁內側分布各個霍爾傳感器的測量基值是不變的。當存在缺陷時，管道截面積變小在缺陷處形成漏磁場的同時會減小管道內的磁通密度，進而改變測量基值。如果傳感器的測量基值波動過大，就會對后期的信號分析帶來困難。
5結論
采用管道內二分之一壁厚曲線上的磁通密度值來表征被測管道飽和度，改變檢測裝置的幾何參數和材料參數將管道內磁通密度值從1.3T至2.1T依次批量仿真，判斷設計方案是否能較好的同時滿足可檢出性和穩定性來驗證磁路設計的可行性。經過計算得管道內磁通密度值達1.9T時，可滿足磁路設計的要求。
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