新型聚氨酯檢測器設計與仿真*

諸海博， 侯童耀， 郭曉婷， 宋云鵬， 徐春風

(1. 沈陽儀表科學研究院有限公司 匯博管道技術公司， 沈陽 110043； 2. 中國石油管道公司 沈陽龍昌管道檢測中心， 沈陽 110031)

在役管道如不能很好地維護，將會發生管道結垢、管道凹陷及管道腐蝕等現象，這會對輸送產品的流速或輸油(氣)泵的效能產生明顯影響[1-2]，給管道帶來安全隱患.聚氨酯清管器類似于一個塞子，被管道內流動的介質向前推進[3]，有較好的通過性.通常清管器將刮除管道內壁的結垢，并把這些垢層清除[4]；鋼骨架通徑檢測器用來檢測管道的通過能力，可精確定位管道變形的位置，但其通過能力較差，存在卡堵管道的風險；內檢測器往往在機械變徑檢測器檢測后，確認管道無卡堵風險的情況下投放.

在清管過程中，因為管道內部情況不明確，管道清理通常是“盲操作”，即選擇投放清管器時基本不考慮管道內部結垢的分布、厚度與管道凹陷[5]，因此，清管過程就必須非常小心，需多次投放聚氨酯清管器，直到出來的聚氨酯沒有損壞，再選擇投放鋼骨架變形檢測器.該檢測方式效率低下，且會浪費大量人力物力.

本文針對上述工程問題，設計了一種低成本高效率的多功能聚氨酯檢測器(下文稱檢測器).該檢測器具有聚氨酯清管器的性能，同時具備鋼骨架變形檢測器的檢測能力，可通過里程輪定位管道內通徑的變化，并攜帶低頻發射機實現對檢測器的跟蹤[6].在管道維護過程中，可避免使用鋼骨架通徑檢測器，大大降低檢測器在管道卡堵的風險，提高了檢測效率.本文通過ABAQUS與COMSOL軟件分別對檢測器的載體與檢測單元進行優化，仿真結果驗證了該設計的可行性，為下一步的產品工程應用提供了科學依據.

1 聚氨酯檢測器設計

1.1 檢測器載體

圖1 檢測器載體Fig.1 Detector carrier

1.2 傳感器單元

傳感器單元由永磁體與磁傳感器組合而成.檢測器在工作過程中，其徑向與軸向都可能被管道形變所影響，為了盡可能消除二者間相互干擾，永磁體需選用類矩形.因為當發生軸向壓縮變形時，由于類矩形永磁鐵的尺寸遠遠大于傳感器的尺寸，所以對傳感器徑向測量的信號影響不大.

由于傳感器測量方向與磁場平行時，測量信號最大，測量方向與磁場垂直時，信號輸出量最小，因此，該組傳感器需布置在永磁體中軸線下方，且需要布置在永磁體磁場作用范圍內.

由于永磁體在聚氨酯內部是環形布置，當陣列數過多時，永磁體的間距將會減小，并對周邊的傳感器產生影響，因此在設計時，必須合理選擇永磁體的尺寸和陣列數量.本設計采用8個永磁體呈圓形陣列分布在內外密度的聚氨酯結合面上，低密度聚氨酯空腔內放置8個磁傳感器，傳感器的位置與永磁體中心點在同一半徑上.當檢測器通過管道時，如通徑無變化，則低密度聚氨酯內的磁傳感器會檢測到穩定的磁感應強度；如通徑發生變化，將會引起對應位置的永磁體位移，此時，磁傳感器檢測到的磁感應強度將會改變，本文通過采集到的數據來判斷管道通徑的變化.

2 檢測器載體仿真

傳統的聚氨酯清管器在清管過程中時常遇到頑固殘余物質無法清理或管道變形的情況.本文通過在聚氨酯載體中放置傳感器單元，便可根據聚氨酯的變形，描繪殘余物質或管道凹陷的大致高度、外形等特征.本文通過ABAQUS軟件仿真聚氨酯載體在運行過程中，遇到殘余物質或管道變形時的型體變化.

根據前期試驗及其他文獻的試驗數據[7]，擬合得出的聚氨酯材料抗壓彈性模量隨表觀密度變化的回歸方程為

E=-10.01+0.41ρ+0.004ρ2

因一般硬質聚酯型聚氨酯密度在20～160 kg/m3之間，由此得到不同密度下的抗壓彈性模量，并以此作為聚氨酯材料的屬性進行模擬.假設外層聚氨酯泡沫密度ρ1為80 kg/m3，內層聚氨酯泡沫密度ρ2為40 kg/m3；模擬管道殘余物厚度15 mm，位于傳感器單元正上方，管道內徑為262 mm，內層與外層聚氨酯厚度相同，均為45 mm.通過ABAQUS數值模擬檢測器的型體變化情況如圖2所示，此時外層聚氨酯與內層聚氨酯結合處(永磁體放置的位置)位移為10.461 6 mm.

圖2 外層壁厚在45 mm時檢測器變形圖Fig.2 Deformation diagram of detector with outer wall thickness of 45 mm

為了得到最優化結果，設內外層聚氨酯厚度均為45 mm，設定其中一層聚氨酯密度不變，另一層密度進行改變，對永磁體處位移進行模擬分析，結果如表1所示.在一定范圍內，外層密度不變時，位移隨內層密度減小而增大；內層密度不變時，位移隨外層密度增大而增大.

表1 內外層密度變化時傳感器處的位移Tab.1 Displacement at sensor with change of inner and outer density

根據聚氨酯載體的通過能力及其他機械特性，仍選擇外層聚氨酯泡沫密度ρ1為80 kg/m3，內層聚氨酯泡沫密度ρ2為40 kg/m3，再分別以10 mm步長減小外層聚氨酯厚度，順序增加內層聚氨酯泡沫厚度，其余條件不變.通過ABAQUS模擬后得到的位移變形如圖3所示，位移變化數據如表2所示.

表2 外層壁厚變化時傳感器處的位移Tab.2 Displacement at sensor with change of outer wall thickness mm

由圖3可知，減少外層厚度、增大內層聚氨酯泡沫厚度可使結合面的永磁體位移更接近實際殘余物厚度，測量結果更精確.

圖3 外層壁厚在15 mm時檢測器變形圖Fig.3 Deformation diagram of detector with outer wall thickness of 15 mm

3 傳感器單元仿真

本文磁路仿真采用的管道內徑為262 mm，根據ABAQUS仿真可知，減少外層厚度、增大內層泡沫厚度可使永磁體位移更接近管內殘余物厚度，所以選用的外層泡沫厚度為15 mm，內層泡沫空腔內徑為70 mm，內層泡沫厚度為81 mm.8個磁傳感器位置與永磁體中心點在同一半徑上，位置為內腔的最外端，檢測器的剖面模型圖如圖4所示.

圖4 檢測器剖面模型Fig.4 Profile model of detector

當檢測器在管線中遇到管道殘余物或管道凹陷時，對應永磁體會產生相應的位移，本文只考慮某一永磁體正上方存在變化的情況，傳感器的安放位置(紅點表示傳感器的位置，其余7個均按此位置安放)如圖5所示.

圖5 磁傳感器位置Fig.5 Magnetic sensor position

永磁體的材料屬性選定后，磁體體積對磁場強度有著較大的影響.仿真磁體選擇N40材料，剩磁約為1.26 T[8].如果磁體的體積過大，將會增加檢測器的質量，體積過小將會影響磁體磁場強度，所以本文選取永磁體長l(檢測器軸向)、寬w(檢測器周向)和高h(檢測器徑向)3個影響因素，利用正交試驗L9(34)設計正交試驗仿真表.根據上述情況，設定永磁體的長度為40～60 mm，寬度為40～60 mm，厚度為10～20 mm.針對三個影響因素各取等分，其正交表如表3所示.分別根據這9種情況建模計算，計算后可得到3個優化對象的具體值如表3所示(表3中，D為選取不同結垢高度后得到的磁感應強度，D0、D1、D2分別代表0、5及10 mm結垢的磁感應強度).

表3 永磁體三因素三水平正交試驗仿真Tab.3 Simulation of orthogonal tests with three factors and three levels for permanent magnet

利用正交試驗仿真分析綜合可比性，通過計算永磁體不同因素在相同剩磁、不同尺寸下測得變化率的算術平均數ki(i=1，2，3表示三個因素對應序號)可獲得各因素對磁場強度的影響.而后再根據ki可求出各個參量因素的極差R，極差越大表明對變化率影響越大，即為最優化的關鍵參量.本文將采取綜合平衡法對選取的3個指標進行優化，以實現選取達到最優目標各個參量的最佳方案.

表4給出了正交試驗的仿真結果.當管道殘余物高度為5 mm時，隨著永磁體寬度的增加，磁場強度的變化率變大；而永磁體長度與高度的趨勢相反，但是長度的極差要大于高度的極差，所以長度變化影響大于高度.永磁體尺寸的最佳方案為50 mm×60 mm×10 mm.

表4 永磁體正交試驗仿真結果Tab.4 Simulation results of orthogonal tests for permanent magnet

當管道殘余物高度為10 mm時，隨著永磁體高度的增加，磁場強度的變化率變大；而長度與寬度的趨勢一致，均是隨著尺寸的增加，變化率越來越小，但是寬度的極差比長度的極差大，所以寬度的變化影響大于長度.永磁體尺寸的最佳方案為60 mm×40 mm×20 mm.

考慮到檢測能力問題，當管道殘余物高度越小，傳感器檢測磁場強度的變化率越大，該點管道殘余物將越容易被識別，所以永磁體的最終方案選取為50 mm×60 mm×10 mm.

由于本文選取的正交試驗仿真數據較少，選擇的參量不能覆蓋所有可變量[9]，但該仿真為聚氨酯柔體檢測器的設計提供了參考.

4 結 論

本文介紹了聚氨酯柔體檢測器的原理與設計方案，通過ABAQUS與COMSOL仿真軟件對泡沫清管器的泡沫體與磁路進行了仿真，主要結論如下：

1) 通過ABAQUS對聚氨酯仿真得知，外層聚氨酯的厚度越小，檢測器的形變越接近現實中的管道形變；

2) 通過COMSOL對檢測器的磁路進行仿真，并結合正交試驗的方式，得出檢測器中永磁體的最佳尺寸50 mm×60 mm×10 mm；

3) 文中通過正交試驗的模式研究磁體，選擇的參量無法覆蓋所有可變量，研究對象不廣泛，后續還需做出大量的仿真與實踐研究.