基于渦流測(cè)距的保溫管偏心檢測(cè)有限元仿真分析*

舒 靜，唐東林，趙 江，王 斌，張文文

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500;2.新疆克拉瑪依市金牛工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834008)

0 引言

隨著原油的長(zhǎng)期開采，大慶油田、塔里木油田、新疆油田等各大油田相繼進(jìn)入稠油開采期，對(duì)防腐保溫管的需求量逐年增加。

保溫管主要由防護(hù)層、保溫層、防腐層以及管道構(gòu)成［1］。保溫管偏心的形成就是由于防護(hù)層與鋼管不同心而導(dǎo)致橫截面上的聚氨酯泡沫保溫層的厚度不一致。對(duì)于保溫管來(lái)說，這種現(xiàn)象將使其吸水性能和輸送管線的防腐保溫性能大為下降。因此，通過對(duì)保溫管進(jìn)行偏心檢測(cè)來(lái)提高保溫管的使用性能受到了油田公司和保溫管生產(chǎn)者的高度重視。

目前，保溫管偏心檢測(cè)使用放置式探頭，利用渦流測(cè)距原理檢測(cè)探頭端面到被檢測(cè)管道表面的距離。但對(duì)于渦流傳感器來(lái)說，管道的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及探頭端面到鋼管之間的距離均對(duì)檢測(cè)信號(hào)有不同程度的影響。筆者采用有限元方法，利用ANSYS軟件對(duì)渦流傳感器檢測(cè)保溫管的偏心進(jìn)行仿真分析，分析管道偏心時(shí)渦流檢測(cè)的電磁場(chǎng)磁力線分布、阻抗變化以及被測(cè)管道的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率發(fā)生變化時(shí)，對(duì)偏心檢測(cè)產(chǎn)生的渦流信號(hào)的影響。

1 渦流測(cè)距原理

如圖1［2］所示，渦流傳感器檢測(cè)被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，由于電磁感應(yīng)原理，在導(dǎo)體表面感應(yīng)產(chǎn)生渦流，而此渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)H2與渦流傳感器探頭線圈中通入交流電后產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)H1方向相反，因?yàn)榇艌?chǎng)H2的反作用，使得線圈中的相位和電流都發(fā)生了很大變化。

圖1 渦流測(cè)距原理圖

探頭線圈的阻抗變化不但與電渦流效應(yīng)有關(guān)，而且與被測(cè)導(dǎo)體的磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ、線圈半徑r、激勵(lì)電流i、頻率f以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體之間的距離x有關(guān)。

當(dāng)被檢測(cè)導(dǎo)體的磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ、線圈半徑r、激勵(lì)電流i、頻率f控制不變時(shí)，阻抗僅為探頭線圈到被測(cè)導(dǎo)體之間距離x的單值函數(shù):

以上就是渦流測(cè)距的原理，阻抗Z僅僅隨著線圈到被測(cè)導(dǎo)體距離的變化而變化，然后將阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或者電流輸出，就可測(cè)出探頭線圈到被測(cè)體表面的距離變化。

2 偏心檢測(cè)有限元分析

在保溫管的偏心檢測(cè)過程中，被檢測(cè)管道上的渦流傳感器探頭相互垂直布置，分別檢測(cè)管道x方向和y方向的距離變化來(lái)檢測(cè)管道的偏心，如圖2所示。

圖2 渦流傳感器檢測(cè)偏心模型

渦流傳感器檢測(cè)管道偏心模型中，x方向和y方向的探頭線圈參數(shù)為內(nèi)徑1 mm，外徑4.77 mm，高5.1 mm。被測(cè)管道的參數(shù)為內(nèi)半徑101.5 mm，外半徑109.5 mm。

在渦流檢測(cè)中，試件中感應(yīng)產(chǎn)生的渦流是不均勻，并呈指數(shù)衰減。渦流密度透入試件的有效深度為2.6δ［3］。

在檢測(cè)時(shí)，通入的激勵(lì)頻率f為1000 Hz，被測(cè)管道的磁導(dǎo)率 μ 為1.88×10-3H/m，電導(dǎo)率 σ 為7.576 ms/m，由此計(jì)算得到的有效深度為0.149 mm，小于壁厚8 mm，滿足檢測(cè)要求。

2.1 幾何建模

電渦流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的電磁場(chǎng)問題屬于三維渦流場(chǎng)問題，但三維渦流場(chǎng)的模型的建立復(fù)雜，計(jì)算困難。由于電渦流傳感器探頭線圈和被測(cè)管道為軸對(duì)稱，根據(jù)電磁場(chǎng)的軸對(duì)稱特性，為了減小模型規(guī)模，方便求解，可將模型簡(jiǎn)化為二維模型來(lái)進(jìn)行分析。由于放置式探頭相對(duì)于管道的直徑很小，因此在仿真分析時(shí)，可將管道假設(shè)為平板，如圖3所示。

(1)定義材料特性 在上述模型中，x方向和y方向的探頭線圈的幾何參數(shù)和特性參數(shù)是一致的，其特性參數(shù)和管道的特性參數(shù)見表1。

上述的磁導(dǎo)率都是相對(duì)磁導(dǎo)率，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，真空中的磁導(dǎo)率為:μ0=4π×10-7H/m。

(2)定義單元類型及選項(xiàng) 該模型中使用了3種單元類型，帶有AZ自由度PLANE53模擬空氣，帶有AZ和CURR自由度的PLANE53模擬探頭線圈，帶有AZ和CURR自由度的PLANE53模擬平板。

(3)定義線圈實(shí)常數(shù)

線圈定義的實(shí)常數(shù)為:線圈橫截面積為9.6135e-6 m2，線圈匝數(shù)為 400，填充系數(shù)為 0.82。

圖3 渦流檢測(cè)偏心的仿真模型

表1 分析中采用的數(shù)據(jù)

2.2 劃分網(wǎng)格

在劃分網(wǎng)格之前把空氣、線圈、平板的單元類型及材料屬性賦給各自的幾何模型，然后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)探頭線圈進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，平板截面設(shè)置Smartsize為2進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，其余截面進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

2.3 加邊界條件和載荷

在該模型中，對(duì)平面區(qū)域的周邊施加磁力線平行邊界條件，對(duì)線圈上所有的節(jié)點(diǎn)耦合電流自由度，給其施加電壓降載荷，對(duì)平板上所有的節(jié)點(diǎn)耦合電壓自由度，如圖5所示。

圖4 劃分網(wǎng)格

圖5 施加邊界條件與載荷

2.4 求 解

在該模型中給線圈施加的電壓降載荷為交變電壓，所以分析類型選擇諧波分析，并設(shè)置輸入頻率為1 000 Hz。

2.5 后處理

在后處理的過程中，可以得到探頭線圈中電感，電阻，磁力線分布圖，電流的實(shí)部虛部值等。如圖6～8所示。求解得到探頭線圈中電流的實(shí)部值為7.0915 Amp，虛部值為 -1.8361 Amp。

圖6 磁力線分布圖

圖7 探頭線圈中的電感(實(shí)部)

圖8 探頭線圈中的電阻(實(shí)部)

3 結(jié)果比較

3.1 距離變化

管道偏心時(shí)，管道表面與探頭線圈之間的距離發(fā)生變化，也就是模型中的探頭線圈與平板之間的距離發(fā)生變化。未偏心時(shí)，探頭線圈到管道表面的距離為4 mm，偏心距離 Δx=0 mm;當(dāng)偏心后，Δx＞0 mm。通過ANSYS軟件對(duì)偏心距離Δx=0 mm，Δx=2 mm，Δx=3.5 mm分別進(jìn)行幾何建模、劃分網(wǎng)格、加邊界條件和載荷、求解，分別得到探頭線圈中的電流、線圈電阻以及線圈電感等，如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可看出，管道偏心后，偏心距離的變化與探頭線圈電流的變化成反比，與探頭線圈的電感變化成正比。探頭線圈的阻抗Z=R+jωL，阻抗的實(shí)部是電阻R，虛部是感抗XL=ωL，由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)偏心距離增大時(shí)，線圈電感的增大導(dǎo)致線圈阻抗增大，則偏心距離的變化與線圈阻抗的變化成正比。

表2 偏心距離改變時(shí)探頭線圈中的參數(shù)

3.2 材質(zhì)變化

如表3所列，當(dāng)探頭距離管道表面的距離，探頭線圈參數(shù)，施加載荷，激勵(lì)頻率等不變時(shí)，改變被測(cè)體的材質(zhì)，得到探頭線圈的B-x曲線，如圖9所示。

表3 被測(cè)材料參數(shù)

圖9 材質(zhì)變化時(shí)探頭線圈的B-x曲線

探頭線圈B-x曲線的斜率反映了探頭線圈磁場(chǎng)梯度的大小，斜率越大，磁場(chǎng)梯度越大;而磁場(chǎng)梯度越大，線圈的靈敏度越高［4］。從圖9中可以看出，2#材料的磁場(chǎng)梯度比1#材料的磁場(chǎng)梯度大，即同樣的探頭檢測(cè)材料為鑄鐵的鋼管偏心時(shí)，靈敏度更高。

4 結(jié)論

(1)保溫管偏心檢測(cè)中，當(dāng)管道發(fā)生偏心時(shí)，探頭線圈的阻抗發(fā)生變化，且偏心距離變化與阻抗的變化成正比。

(2)本文中當(dāng)被檢測(cè)體的材質(zhì)改變時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率和電阻率改變，從而導(dǎo)致探頭線圈的磁場(chǎng)梯度改變，影響了探頭線圈的靈敏度。相對(duì)材料為45#鋼的管道來(lái)說，同樣的探頭檢測(cè)材料為鑄鐵的鋼管偏心時(shí)靈敏度更高。

［1］ 胡 鵬，王召巴，張東利.大量程渦流測(cè)距探頭的仿真設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012(8):103-106.

［2］ 李麗新.管道防腐保溫技術(shù)綜述［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012(12):81.

［3］ 于亞婷.電渦流傳感器的電磁場(chǎng)仿真分析［D］.北京:電子科技大學(xué)，2005.

［4］ 譚祖根，陳守川.電渦流傳感器的基本原理分析與參數(shù)選擇［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，1980(1):116-125.