0 引言

随着经济的持续、快速发展，我国油气管道数量大幅增加，并向着长距离、高参数和大型化方向发展，对油气管道的定期检测也越发重要。常规的管道漏磁内检测主要用于检测管壁金属损失，难以检测应力集中区域、分辨腐蚀和机械划伤缺陷^[1-7]。磁巴克豪森噪声(MBN)法作为一种磁性无损检测方法，可以检测铁磁性材料的应力集中和微结构损伤等缺陷，具有广阔的工程应用前景^[8]。常规的磁巴克豪森噪声检测多为静态检测，无法满足管道的高速、长距离检测需求，美国西南研究院(SWRI)首先提出了连续巴克豪森检测概念，利用直流线圈激励进行MBN应力检测^[9]。国内对于连续巴克豪森噪声的研究相对较少，王平等^[7]提出过利用直流电源激励磁巴克豪森噪声，用于钢轨表面应力的检测^[10]。但应用于管道内检测的磁巴克豪森技术，国内尚未见报导，将磁巴克豪森技术应用在内检测器上，可使长距离管道应力内检测成为可能，工程前景广阔。

漏磁检测器励磁节穿过管道时磁化管壁，会产生MBN噪声，管道的磁化效果对CBN信号的获取有较大影响。笔者基于磁巴克豪森内检测研究需要，通过ANSYS仿真，分析磁化器结构参数对管道磁化效果的影响，为连续巴克豪森信号的研究提供参考，同时为管道应力内检测设备的开发奠定基础。

1 技术原理 1.1 MBN检测技术原理

铁磁性材料在外部磁场的作用下会发生磁化，在磁化过程中，材料内部会发生磁畴的转动和磁畴壁的位移，伴随着这一变化会产生非连续的、阶跃的电磁脉冲信号，在材料表面可以使用检测线圈拾取到该信号，即磁巴克豪森噪声信号^[11]。

传统磁巴克豪森检测系统中，通常使用交变磁场激励铁磁性材料来获取MBN噪声，检测系统原理如图 1所示。由激励线圈产生交替变化的磁场，在交变磁场中，磁畴与磁畴壁会发生反复翻转与位移，从而周期性的释放大量MBN信号。通过对MBN信号的分析，可以获取材料应力集中和机械损伤等信息。

1.2 连续巴克豪森噪声(CBN)检测

连续巴克豪森信号是通过直流恒定磁场在铁磁性材料表面的移动来实现材料内磁畴的转动与磁畴壁位移，从而激励出MBN信号，CBN检测原理如图 2所示^[12]。传感器可以不断感受到变化的磁状态，在合理的滤波与放大后可以获得连续的巴克豪森信号，该信号会随着材料表面压力变化而产生明显的改变。

铁磁性材料的磁化程度会较大影响连续巴克豪森信号强度，一般认为在材料磁化曲线膝点处，MBN信号最为明显。因此，设计合理的励磁装置是获取CBN信号的基础。

2 管道磁化有限元模型的建立与求解

基于三维有限元磁化方法，采用自顶向下的方式分别建立电磁铁磁化模型与永磁铁磁化模型(见图 3)。其中，电磁铁励磁模型如图 3a所示，使用电工纯铁作为铁芯，其尺寸为150 mm×50 mm×90 mm，极间距80 mm，接触面气隙3 mm；线圈安匝数2 000安匝。管道使用X52管线钢，规格∅323.9 mm×8 mm，管材的磁特性曲线如图 4所示^[13]。

采用三维静态磁标量法分析，定义单元类型为SOLID 96六面体8节点单元，设置智能网格划分并对管壁等局部细化处理，以source 36电流源单元建立的“跑道型”线圈。使用DSP求解，得到管道磁化模型磁场分布特征，处理后结果如图 5所示。

永磁励磁模型如图 3b所示，分别由磁轭、永磁体和极靴构成。模型外形尺寸与电磁铁相同，轭铁和极靴材料选用电工纯铁，永磁铁选用钕铁硼N38，厚度10 mm，相对磁导率1.099，矫顽力为890 000 A/m。网格划分与求解过程同电磁铁，处理后结果如图 6所示。

3 传感器位置优化

从管壁磁感应云图上看，两磁极之间的管壁区域磁通密度较大且均匀，磁极之外磁通密度很小，电磁铁励磁与永磁铁励磁结果类似，在工程应用后期可以使用永磁铁代替直流电磁铁进行管道磁化。

在管道上取深度为1 mm的圆周路径，获取管壁周向位置磁场分布特征，如图 7所示。其中Bx与By分别表示管壁周向与径向磁感应度。从图可知，在磁极区域前后管壁磁通的大小和方向都发生了改变，且周向改变更明显，该变化导致磁畴壁位移和磁畴翻转，从而产生巴克豪森噪声。因此该位置附近也是检测直流MBN信号的理想位置，将传感器轴线与周向磁通方向平行放置，更容易检测到巴克豪森信号。

4 管道励磁参数定量分析 4.1 直流激励参数分析

通过仿真计算不同气隙高度下，电磁铁激励安匝数与管壁磁化效果的关系。保持电磁铁几何结构不变，激励强度的范围设置为200～3 500 A·匝，气隙高度为0.1、1.0和3.0 mm。通过程序循环，得到2磁极间X52管道直流激励磁化规律，结果如图 8所示。当气隙高0.1 mm时，管壁磁感应强度随着电磁铁激励安匝数的增加而快速增大，当管道磁化到近饱和区域时，其增速变小。当激励强度不变时，气隙的增大会使管道磁化程度明显变弱。

由材料磁化曲线可知，X52钢的磁导率在点(1 000, 652)处达到最大，该点是B-H曲线的最大斜率点(1 000，0.82)，即磁化曲线的膝点。铁磁性材料磁化过程中，膝点处磁畴翻转最为剧烈，产生的巴克豪森噪声效果最明显。因此，在图 8中磁化特性曲线与虚线的交点处，最容易获得连续MBN噪声信号，MBN信号特征敏感。

4.2 永磁激励参数分析

永磁铁尺寸35 mm×50 mm×10 mm，磁轭长150 mm。将磁铁与管道表面的气隙距离从0～15 mm变化时，管道中心的磁感应强度变化规律如图 9所示。随着气隙的增加，磁化器对管壁的效果明显降低，当气隙高度约7mm时，管壁磁化到膝点。

永磁体径向截面积35 mm×50 mm，磁轭长120 mm，气隙3 mm。当磁体厚度从4 mm增加到15 mm时，管道中心的磁感应强度变化规律如图 10所示。由图可知，管道磁感应强度随磁体厚度的增加而增大，但效果不明显。

5 结论

(1) 通过管道周向励磁仿真，确定了管道磁巴克豪森应力内检测系统中传感器的布置位置与角度。在靠近磁极的位置管壁磁通变化梯度最大，磁感应线的大小和方向都发生了改变，检测到连续磁巴克豪森噪声信号效果更佳。

(2) 通过管道励磁数值模拟，定量计算了不同励磁参数下管壁磁化的规律，初步确定了电磁和永磁激励下获取磁巴克豪森信号的励磁参数，为管道磁巴克豪森应力内检测励磁装置的设计提供了依据。