漏磁管道內檢測器速度效應的理論研究

許璐璐 王 嘉 姜福錕

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽110870)

隨著經濟的發展，能源運輸對國家經濟的影響顯得尤為重要。由于管道輸送具有成本低、節省能源、安全性高及供給穩定等優點，管道運輸在世界范圍內迅速發展，已成為現代社會不可缺少的組成部分[1]。管道是現行的五大運輸工具之一，其在運送液體、氣體、漿液等方面具有特殊的優勢，尤其在石油化工及天然氣運輸等產業中具有不可替代的作用[2]。據估算，現在世界上的石油和天然氣資源至少能夠維持到2050年，在這些寶貴資源耗盡前，管道將一直是最重要、最可靠的石油和天然氣資源的傳輸介質。

1 漏磁管道內檢測器的基本原理

1.1 磁學理論研究

技術磁化闡述的是關于鐵磁質在整個磁化過程中磁化行為的機理，即闡明了在外磁場作用下，磁疇是通過何種機制逐漸趨向外磁場方向的[2]。技術磁化的過程可分為三個階段：起始磁化階段，急劇磁化階段以及緩慢磁化并趨于磁飽和階段。

在磁化過程中，必須要損耗一部分能量。磁化強度的運動方向，處在磁化強度和阻尼力矩的矢量積方向上，最后使漸漸地平行于的方向。這一關系用數學關系表示為式1。

在磁化過程中，必須要損耗一部分能量。磁化強度的運動方向，處在磁化強度M和阻尼力矩的矢量積方向上，最后使M漸漸地平行于H的方向。這一關系用數學關系表示為式2。

用永磁體磁化時，會出現磁后效現象，即每次磁化都會出現時間的滯后現象[3]。特別是在含有微量的C或N的純鐵材料中，磁后效現象尤為明顯。

1.2 渦流效應對漏磁檢測的影響

在漏磁檢測過程中，漏磁檢測裝置速度的增加引起磁極附近產生感應渦流，渦流引起的磁場疊加在原有的磁場上，使原有漏磁場發生了改變。在靜態下，不考慮速度因素，由MaxweⅡ方程推導出的磁場微分方程：

式中：A→為矢量磁位；為電流密度；μ 為磁導率。

由于在實際在線檢測過程中設備是運動的，因此必須考慮速度因素的影響，此時的磁場微分方程變為式4[4]。

在高速檢測情況中，方程式4右端的后兩項反映了檢測速度對檢測信號影響[5]。其中方程式4右端第二項體現矢量磁位變化感應的渦流，其大小同矢量磁位變化頻率成比例；第三項體現速度感應的渦流，其大小同速度及磁場強度成比例。 這兩項直接影響了漏磁檢測信號。

2 仿真與結果分析

上個世紀中后期，美國匹茲堡大學教授約翰斯萬森博士帶領由他創立的美國SASI公司的科研人員，歷經多年的苦心研究，最終開發出了在國際上具有重大影響的ANSYS有限元分析軟件，并成立了ANSYS公司。ANSYS有限元分析軟件具有通用性、開放性、有效性等特點，它的計算方法和技術也具有先進性。ANSYS有限元分析軟件的應用領域非常廣泛，在石油化工、汽車造船、軍工能源、航空航天、生物醫學、工程建筑、機械電子等領域都有其應用的空間。ANSYS軟件中包含了專門針對電場、磁場、聲場、耦合場、流體場等進行分析的功能和算法，其功能相當強大。而且，ANSYS有限元分析軟件又擁有了友好的用戶界面，除了使用APDL命令編程進行分析，還可以利用界面菜單進行操作，既靈活又方便。

運用ANSYS有限元仿真分析軟件建立管道漏磁內檢測二維實體模型，如圖1所示。

圖1 管道漏磁內檢測二維實體模型

圖1中，最外面的空氣模型。油氣管道為圓柱形，管道漏磁內檢測器也為軸對稱的裝置。圖中上邊就是軸對稱管道的中軸線位置。在ANSYS有限元分析軟件的二維軸對稱仿真分析中，設置縱軸為對稱軸，因此，將空氣模型的上邊建立在縱軸上，將左上角點建立在原點上。此時，整個管道漏磁內檢測二維實體模型就建立在了平面坐標系的第一象限內。

根據本文管道漏磁內檢測二維有限元仿真的實際需要，采用智能網格劃分工具對仿真實體模型進行網格劃分。設置智能網格劃分水平為1，采用最高等級的網格劃分，如圖2所示，其APDL命令流操作為：smartsize,1。

圖2 網格劃分

在進行仿真求解計算后，可以通過ANSYS有限元分析軟件提供的通用后處理器（General Postproc），來輕松地查看磁力線分布圖、磁感應強度矢量圖、磁場強度等值彩色云圖，還可以通過ANSYS有限元分析軟件中的路徑操作功能，得到設定好的某條路徑上的磁通量密度，并且通過磁通量密度曲線圖和磁通量密度數據文件的形式，讓用戶方便地查看。圖3為磁力線分布圖。

圖3 磁力線分布圖

將仿真實體模型半橢圓型缺陷附近所產生的漏磁通在徑向上的分量BX，映射到檢測路徑上就可以得到徑向磁通密度曲線。徑向磁通密度的值有正有負，符號代表了徑向磁通密度的方向，而不是單純意義上的數值。徑向磁通密度曲線具有兩個明顯的特征：磁通密度峰峰值（最大值與最小值的差）和所對應最大值點與最小值點水平距離的差值。而對于不同幾何參數的缺陷模型，磁通密度峰峰值和水平距離的差值是不同的。徑向磁通密度曲線圖如圖4所示。

圖4 徑向漏磁信號

3 結論

本文利用ANSYS有限元分析軟件對90個不同深度和長度的半橢圓型缺陷實體模型進行了仿真分析，提取了90組缺陷處徑向磁通密度的特征數據。通過對漏磁檢測信號進行分析，可知不同幾何參數的缺陷所得到的徑向磁通密度的峰峰值和水平距離差值是不同的，它們之間存在著特定的函數關系。

［1］高松巍，鄭樹林，楊理踐.長輸管道漏磁內測缺陷識別方法[J].無損檢測，2013，1(35):38-41.

［2］Sheng-Gang Dong，Xiao-Yang Wang，Hua Fan.Overview of Energy-Efficient Successive Appro-ximation Analog to Digital Converters[J].JOUR-MAL OF ELECTRONICSCIENCE AND TEC-HNOLOGY，2013，12(4).

［3］馮慶善，倪敬金.裂紋內檢測技術應用于管道螺旋焊縫的可行性分析[J].油氣儲運，2009，28(11):45-46

［4］詹湘琳，李健，張宇,等.用于管道環焊縫缺陷檢測的超聲相控陣系統[J].儀器儀表學報，2006，27(6).

［5］崔紅升，馮慶善，張永盛,等.原油管道螺旋焊縫開裂原因分析[J].油氣儲運，2012，12(27)：47-48.