FPSO系泊鋼纜漏磁檢測儀磁路設計

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(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

浮式生產儲油卸貨裝置(floating production storage and offloading),FPSO是全海式油田開發的核心單元，在油田的整個開發過程中往往扮演著重要角色，一旦出現問題將造成極為嚴重的后果。目前我國的FPSO大多采用轉塔式系泊系統，要保證此類FPSO的安全，必須要先保證其單點系泊系統的安全。系泊系統鋼纜是整個單點系泊系統的最薄弱環節，除了在日常使用中經常發生斷絲和磨損外，在早期的安裝過程中也經常使錨纜受到損傷，這些損傷都使得其強度降低，增大了事故風險。所以如何科學、準確地檢測FPSO系泊鋼纜，具有非常重要的意義。

目前系泊系統鋼纜的檢測主要采用可視檢驗、直徑測量和內部檢驗三種方法。前兩種可實現水下無損檢測，但是僅能觀察表面狀態，且受海生物的影響，內部檢測屬于破壞性檢測，不能滿足水下無損檢測要求。因此，有必要研發一套適用于水下環境的FPSO系泊鋼纜檢測儀?，F行陸用鋼纜無損檢測主要采用漏磁法，并開發、生產了多種型號的漏磁檢測儀。但是，陸用鋼纜一般直徑較小，且無水密保護裝置。要把漏磁法檢測應用于FPSO系泊鋼纜無損檢測必須重新設計檢測儀的結構和尺寸，其中，系泊鋼纜檢測儀的磁路設計是檢測儀研發的核心內容。

本文應用電磁學有限元分析軟件ANSOFT對FPSO系泊鋼纜檢測儀的磁路部分進行精細建模計算，以減少反復制作樣機的過程，提高設計速度和效率。

1 漏磁檢測原理

從外部向有不連續性的試塊中施加一定的磁場(見圖1)，當外部磁場強度低時，磁力線趨向于繞過不連續性在鋼中互相聚緊，而不通過不連續性的非磁性區[1]。這樣，磁通密度在不連續性區域的上下部位比左右部位要高，材料表面沒有明顯的漏磁通，見圖1a)。隨著外部磁場強度增強，材料內部逐漸趨向磁飽和，此時材料表面開始出現漏磁通，見圖1b)。

磁化設計的目的在于將檢測鋼纜磁化到深度飽和區，使鋼纜內部缺陷處產生漏磁。典型鋼纜深度飽和區對應的磁感應強度在1.75 T附近[2]。

2 初步設計

根據水下系泊鋼纜作業要求，確定水下系泊鋼纜檢測儀磁路結構[3]見圖2。

有研究表明，當鋼纜直徑超過20 mm時，可以用一定數量，均勻分布在鋼絲繩周向上的塊狀永磁來替代圖2中的環形永磁，靠近鋼絲繩表面處用環形銜鐵連接，這樣并不影響勵磁效果，而且可以降低勵磁器的重量。采用等效電路的思想確定磁路構件的材料和初始尺寸見表1。

表1 磁路初步尺寸 mm

圖1 不連續性對磁通的影響

Ds-鋼絲繩公稱直徑;Ls-兩極靴內側間距;Lm-永磁沿鋼絲繩軸向的長度;Tm-永磁沿鋼絲繩徑向的厚度;S-鋼絲繩表面到銜鐵內側的距離;Tx-銜鐵沿鋼絲繩徑向的厚度;q-永磁與鋼絲繩表面的氣隙。圖2 系泊鋼纜漏磁檢測儀磁路結構

采用初始尺寸，建立ANSOFT有限元模型，見圖3。

圖3 ANSOFT有限元模型

利用ANSOFT軟件的后處理功能分析磁路參數。為了觀測鋼纜軸向磁場的分布，在檢測儀中心沿x軸向、xoy平面內距離x軸40和68 mm處設置3條提取線，長度為永磁體間距。見圖4。

圖4 鋼纜軸向提取線段

重點研究鋼纜軸向磁化效果，3條軸向提取線的磁感應強度數據曲線見圖5。

圖5 軸向提取線磁感應強度分布

鋼纜內部磁感應強度由兩端向中間逐漸增大，達到一定數量后在中間一段長度內保持不變，將中間穩定段長度稱為均勻段。檢測要求有一定長度的均勻段，其具體長度與缺陷的大小和軸向長度有關。從端部到達穩定值之間的區間稱為過渡段。

通過軟件計算鋼纜磁化效果：

工作點，(1.72 T，6 800 A/m);

過渡段長度，50 mm;

均勻段長度，80 mm。

由于工作點對應的磁感應強度為1.72 T，小于1.75 T，因此需要進一步調整磁路尺寸。為此，首先要了解磁路各主要參數對磁化效果的影響規律。

3 優化分析

為了使漏磁檢測儀能滿足使用要求，必須對初步設計進行調整。調整磁路尺寸之前，首先需要了解磁路主要參數對磁化效果的影響程度，包括鋼纜直徑、條形銜鐵厚度、永磁體軸向間距和永磁體尺寸。

3.1 鋼纜直徑分析

鋼纜直徑對磁感應強度的影響分為兩個方面。

1)直徑越大，空氣間隙越小，空氣漏磁越小，因而有利于增大磁感應強度。

2)直徑越大，鋼纜截面積越大，達到相同的磁感應強度所需的磁通量與截面積等比例增大，導致在相同的永磁體磁化作用下，磁化強度減小，起阻礙作用。

兩方面影響互為矛盾，同時作用。通過大量計算表明，在鋼纜直徑達到110 mm左右時，由于磁路中其他構件的阻礙作用，磁通量的增加變得困難，因此隨著直徑增加，磁感應強度降低速度加快。見圖6。

圖6 鋼纜直徑對磁化效果的影響曲線

另外，鋼纜直徑對均勻段長度有一定影響，但是影響程度較小。

3.2 條形銜鐵厚度分析

銜鐵厚度的增加，磁化效果的增強速度降低，即當銜鐵厚度達到一定程度后，其磁阻不再是影響磁化效果的主要因素，繼續增加厚度的作用不大。通過計算：銜鐵厚度從48 mm增加到60 mm，厚度增加25%，而磁感應強度僅由1.75 T增加到1.78 T，增長1.7%，明顯不經濟。

通過計算表明：銜鐵厚度基本不影響均勻段長度。

3.3 永磁體軸向間距分析

永磁體軸向間距的增加，使鋼纜磁感應強度略有降低，但降幅較小。這是因為永磁體間距增加后，鋼纜磁化長度增加，磁阻相應增大；但是鋼纜的磁導率較大，所以磁阻增加幅度較小，因而導致磁感應強度略微減小。見圖7。

圖7 永磁體軸向間距對磁化效果的影響曲線

計算表明：不同永磁體間距的過渡段長度基本相同，在初步設計狀態下為40 mm左右。

3.4 永磁體長度分析

通過軟件計算表明：永磁體長度增加，磁感應強度增長曲線呈微凸形，長度由80 mm增大到120 mm，增長50%，而磁感應強度由1.50 T增長到1.83 T，增長22%，有顯著提高。因為，永磁體長度增加，使得通磁截面積增加，雖然永磁體磁動勢略有降低，但磁通量增加，所以鋼纜磁感應強度增加。

計算結果同時表明：永磁體長度對過渡段長度基本沒有影響。

3.5 永磁體寬度分析

與永磁體長度類似，通過軟件計算表明：隨著永磁體寬度增加，鋼纜磁感應強度增加，但當寬度大于90 mm以后，增長速度明顯降低。與永磁體長度一樣，寬度主要影響永磁體的磁通量，而磁動勢僅略微減小，所以二者的作用相差不大。見圖8。

圖8 永磁體寬度對磁化效果影響曲線

另外，計算結果說明：永磁體寬度越大，過渡段長度越小，均勻段長度相應增大。這是因為，寬度越大，越接近環形，則激勵磁場環形越均勻，過渡段長度因而減小。

3.6 永磁體厚度分析

通過軟件計算表明：隨永磁體厚度增加，鋼纜磁感應強度幾乎成線性增大，但增長速度慢。厚度由30 mm增加到60 mm，增長100%，而鋼纜的磁感應強度僅由1.64 T增長到1.80 T，增長9.6%。

永磁體厚度增加，直接導致永磁體磁動勢增加，使得磁路各部分的磁降勢有所增加，所以磁感應強度有所增大，但是整個磁路的磁通量增量是由磁動勢的增加而驅動的，其增量值較小，而在截面積不變的條件下，磁感應強度的大小與磁通量成正比，所以鋼纜的磁感應強度增加較小。

隨著永磁體厚度增加，過渡段長度有所減小。永磁體厚度從兩個方面影響過渡段長度。

1)磁動勢增加使得空氣漏磁增大，因而導致過渡段長度增加。

2)鋼纜與外面的條形銜鐵距離變大，使得兩者間的漏磁減小，從而導致過渡段長度變小。兩個方面共同作用，而計算結果表明：距離的削弱作用大于磁動勢的增長作用，使得最終的過渡段長度有所減小。

優化分析結果匯總見表2。

表2 參數分析結果匯總

注：優化分析采用單一變量進行，參考尺寸為：鋼纜直徑 137 mm，銜鐵厚度45 mm，永磁體軸向間距180 mm，永磁體尺寸 100 mm×80 mm×40 mm。

4 設計調整及試驗結果

4.1 參數調整

根據上述分析的參數影響規律，并考慮結構設計要求和儀器的加工、制作限制，調整磁路參數，結果見表3。

表3 調整后磁路參數 mm

根據調整后的設計尺寸，建立更精細有限元計算模型，見圖9和圖10。

圖9 非空氣區域有限元計算網格

圖10 空氣區域有限元計算網格

通過精細計算獲得：

鋼纜磁化工作點：(7 748 A/m，1.752 8 T);

均勻段長度：90 mm。

計算結果表明，參數調整后，設計磁路能夠滿足使用要求。

4.2 試驗結果

根據上述尺寸制作樣機，并進行試驗。

試驗試件：長5 m、直徑128 mm的單股無保護層鋼纜，制作一處斷絲1根的人工斷絲缺陷。

試驗結果見圖11。

圖11 樣機試驗結果

樣機試驗結果表明：通過直接計算設計的漏磁檢測儀，磁化性能完全能滿足使用要求。

5 結論

1)由于磁化效果隨鋼纜直徑的減小而增強，所以一個內徑固定的檢測儀的有效檢測范圍不是由磁化效果限制的，當鋼纜直徑小于檢測儀的標準設計直徑時，其磁化效果較標準直徑時更強。

2)永磁體長度和寬度對磁化效果的影響基本相同，而寬度還能減小過渡段長度，所以在增大磁鐵截面積方面應該優先考慮增大寬度。

3)永磁體的厚度即能增強磁化效果，又能減小過渡段長度，但增強效果不顯著，所以在單純為提高磁化效果的情況下，不采用增加永磁體厚度的方法。

4)使用ANSOFT直接計算進行設計校核，可以獲得合理的結果，滿足使用要求，同時縮短設計周期，提高設計效率。

[1] 張 勇.漏磁檢測若干關鍵技術的研究[D].合肥:中國科學技術大學,2007.

[2] 中國航空材料手冊編輯委員會編.中國航空材料手冊:結構鋼:不銹鋼[M].北京：中國標準出版社，1988.

[3] 田 軍.鋼絲繩斷絲損傷電磁檢測原理與技術研究[D].青島:青島理工大學,2006.