基于有限元的油氣管道漏磁檢測(cè)器勵(lì)磁結(jié)構(gòu)影響分析

方學(xué)鋒，于永亮，業(yè)成，劉玉琢

(南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京210019)

中國(guó)長(zhǎng)輸管線遍布東北、華北、華東、西南等廣大地區(qū)，形成了橫貫東西、縱穿南北的管網(wǎng)格局，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高提供了重要保障。隨著管線服役期的不斷增長(zhǎng)，由于焊接質(zhì)量、內(nèi)外部腐蝕、打孔盜油、機(jī)械破壞等多種因素造成的管道缺陷不斷出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了長(zhǎng)輸管道的安全運(yùn)行[1]。因此相關(guān)部門制定了長(zhǎng)輸管道檢驗(yàn)檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求定期檢測(cè)管道。漏磁檢測(cè)是應(yīng)用最為廣泛的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)之一[2]。

漏磁檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不停輸情況下長(zhǎng)輸管道缺陷檢測(cè)，能有效識(shí)別管道中存在的內(nèi)外壁缺陷，精準(zhǔn)分析和量化缺陷尺寸、位置、沿管道周向分布特征等信息[3]。結(jié)合漏磁檢測(cè)結(jié)果開展管道合于使用評(píng)價(jià)和剩余壽命評(píng)估，及時(shí)采取預(yù)防和維護(hù)措施，可以有效防止腐蝕、機(jī)械損傷等缺陷造成的管道失效事故，對(duì)長(zhǎng)輸管道長(zhǎng)周期安全運(yùn)行具有重要意義。

管道漏磁檢測(cè)過程中，受管道結(jié)構(gòu)尺寸及管內(nèi)介質(zhì)流場(chǎng)分布影響，勵(lì)磁結(jié)構(gòu)不僅要滿足磁化強(qiáng)度要求，還需考慮整體質(zhì)量、通過能力、檢測(cè)靈敏度等多重因素，勵(lì)磁結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)漏磁檢測(cè)器的設(shè)計(jì)具有重要的意義[4]。勵(lì)磁結(jié)構(gòu)尺寸過大時(shí)，一方面增大了儀器整體尺寸和質(zhì)量，降低儀器通過性能；另一方面增大儀器與管壁間磁力，進(jìn)而增大了檢測(cè)器行進(jìn)阻力，使內(nèi)檢測(cè)器更易卡堵。因此，勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是管道漏磁檢測(cè)技術(shù)研究的關(guān)鍵問題之一。采用有限元方法建立不同尺寸參數(shù)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)模型，分析勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響規(guī)律，可以為管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器的優(yōu)化改進(jìn)及缺陷漏磁場(chǎng)反演提供必要的理論依據(jù)。

1 管道漏磁檢測(cè)基本原理

管道漏磁檢測(cè)基本原理如圖1所示。

圖1 管道漏磁檢測(cè)基本原理示意

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器中永磁鐵、銜鐵、鋼刷組成的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)與被測(cè)管段形成了閉合的磁回路，磁力線從勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的一極進(jìn)入被測(cè)管段，然后又回到勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的另一極中，當(dāng)被測(cè)管段無缺陷時(shí)，進(jìn)入被測(cè)管段的磁力線全部閉合于管壁內(nèi)部，并沿管道表面平行方向穿過；當(dāng)被測(cè)管段存在缺陷時(shí)，由于缺陷處的磁導(dǎo)率低于管道材料磁導(dǎo)率，缺陷處磁阻增大，閉合于該管段的磁場(chǎng)發(fā)生畸變，導(dǎo)致一部分磁力線從缺陷處溢出管道表面形成漏磁場(chǎng)。利用霍爾元件等磁敏傳感器對(duì)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換，根據(jù)輸出漏磁信號(hào)的電壓變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)管段缺陷的定量分析[5]。

2 管道漏磁檢測(cè)有限元分析模型的建立

結(jié)合管道漏磁檢測(cè)原理建立的管道漏磁檢測(cè)三維模型如圖2所示，針對(duì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)影響因素分析，模型中僅考慮永磁鐵、銜鐵、管壁及缺陷，同時(shí)在模型外圍設(shè)置空氣模型包圍。被測(cè)管段規(guī)格為φ610 mm×15.9 mm，材料為X70鋼，永磁鐵采用高性能稀土永磁鐵N48，矯頑力為895 kA/m，缺陷為直徑5 mm、深為管壁厚度20%的圓柱缺陷。采用邊界元法設(shè)置磁力線平行于管壁的邊界條件進(jìn)行計(jì)算并求解。

圖2 管道內(nèi)漏磁檢測(cè)三維有限元分析模型示意

3 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)影響因素分析

從管道漏磁檢測(cè)等效電路可知，勵(lì)磁結(jié)構(gòu)中決定磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)鍵在于產(chǎn)生磁場(chǎng)激勵(lì)源的永磁鐵，結(jié)合管道內(nèi)漏磁檢測(cè)儀器永磁鐵位置特點(diǎn)，磁鐵簡(jiǎn)化為與管道同心的圓環(huán)狀磁鐵，磁鐵內(nèi)徑不變，外徑隨磁鐵厚度變化而變化，因此磁鐵長(zhǎng)度方向變化因素暫不考慮，研究過程中僅考慮磁鐵厚度、磁鐵寬度、磁極間距對(duì)缺陷檢測(cè)的影響。

3.1 永磁鐵厚度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

為分析磁鐵厚度對(duì)漏磁檢測(cè)結(jié)果的影響，在有限元分析模型中設(shè)置參數(shù)如下： 永磁鐵寬度為150 mm，兩磁極沿管道軸向間距為150 mm，永磁鐵厚度分別為10，20，30，40，50 mm，設(shè)置邊界條件后利用有限元軟件求解。檢測(cè)過程中傳感器處于勵(lì)磁結(jié)構(gòu)中心位置，提離值為1 mm，有限元分析時(shí)沿傳感器所在位置建立結(jié)果提取路徑，提取該路徑上沿管道徑向分布的漏磁場(chǎng)磁通量密度(B)進(jìn)行分析，結(jié)果分別如圖3，圖4所示。

圖3 不同永磁鐵厚度時(shí)B的曲線分布示意

當(dāng)永磁鐵厚度在10～50 mm內(nèi)時(shí)，缺陷漏磁場(chǎng)徑向分量曲線具有明顯的正負(fù)峰值，在缺陷中心時(shí)其徑向分量為零，且曲線正負(fù)峰值及過零點(diǎn)出現(xiàn)在相同位置，隨著磁鐵厚度的增大，徑向B的峰值從0.028 T增大到0.044 T，由圖4可見峰值隨厚度的變化趨勢(shì)逐漸變緩。

圖4 不同永磁鐵厚度對(duì)應(yīng)B的峰值示意

3.2 永磁鐵寬度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

在有限元模型中固定永磁鐵厚度為50 mm，磁極間距為150 mm不變，將永磁鐵寬度分別設(shè)置為50，75，100，125，150 mm，設(shè)置邊界條件并求解。采取上述相同的方式建立結(jié)果提取路徑，提取徑向B的分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果分別如圖5，圖6所示。當(dāng)磁鐵寬度在50～150 mm內(nèi)變化時(shí)，缺陷漏磁場(chǎng)徑向分布曲線具有明顯的正負(fù)峰值，其峰值從0.016 T變化到0.440 T；寬度從50 mm變?yōu)?5 mm時(shí)，B的峰值增加更為明顯；寬度在75～150 mm時(shí)，B與永磁鐵寬度曲線近似成線性變化。

圖6 永磁鐵寬度變化時(shí)B的曲線峰值示意

圖5 永磁鐵寬度變化時(shí)B的變化示意

為對(duì)比分析永磁鐵厚度和寬度尺寸對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響，設(shè)k為永磁鐵尺寸變化比值，h為尺寸變化時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)徑向分量峰值比。永磁鐵厚度從10 mm變化到50 mm時(shí)，k值分別為1，2，3，4，5；永磁鐵寬度從50 mm變化到150 mm時(shí)，k值分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0。永磁鐵厚度、寬度變化時(shí)h隨k變化曲線如圖7所示，在永磁鐵厚度、寬度變化比例相同的條件下，寬度對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響更為明顯。

圖7 不同永磁鐵尺寸比對(duì)應(yīng)的峰值變化規(guī)律示意

3.3 磁極間距對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

從漏磁檢測(cè)基本原理可知，進(jìn)行管道漏磁檢測(cè)時(shí)，被測(cè)管段的有效檢測(cè)區(qū)間即為兩磁極之間的管段，當(dāng)磁極間距變化時(shí)，有效檢測(cè)管段的長(zhǎng)度改變，磁回路中的磁阻也隨之改變，從而也會(huì)對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)造成影響。在磁極間距影響分析的有限元模型中設(shè)置永磁鐵厚35 mm，寬150 mm，磁極間距分別為50，75，100，125，150 mm，同樣設(shè)置平行邊界條件求解并進(jìn)行結(jié)果分析，分析結(jié)果分別如圖8，圖9所示。

圖9 不同磁極間距時(shí)缺陷B的曲線峰值對(duì)比

圖8 不同磁極間距時(shí)B的曲線變化

在勵(lì)磁結(jié)構(gòu)中，當(dāng)兩組永磁鐵磁極間距在50～150 mm內(nèi)變化時(shí)，缺陷漏磁場(chǎng)徑向分量曲線變化規(guī)律相似，都具有明顯的正負(fù)峰值，在缺陷中心位置B值為零，隨著磁極間距的增大，B的曲線峰值在0.075～0.035 T內(nèi)變化，呈逐漸減小趨勢(shì)。勵(lì)磁結(jié)構(gòu)中兩磁極間距越小，其經(jīng)過缺陷時(shí)產(chǎn)生的漏磁越強(qiáng)。

4 結(jié)束語

勵(lì)磁結(jié)構(gòu)中永磁鐵尺寸及磁極間距的變化對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)強(qiáng)度具有重要的意義，不同勵(lì)磁裝置結(jié)構(gòu)尺寸模型的有限元分析結(jié)果表明：

1)磁鐵內(nèi)徑不變，增大永磁鐵寬度或者厚度時(shí)，相同缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)徑向磁通量密度分量也隨之增大。

2)磁鐵內(nèi)徑不變，永磁鐵寬度和厚度增大比例相同時(shí)，寬度對(duì)缺陷磁通量密度的影響更為明顯。

3)磁鐵寬度和厚度一定時(shí)，隨著磁極間距的減小，缺陷漏磁場(chǎng)徑向磁通密度分量逐漸增大。

總之，進(jìn)行管道漏磁內(nèi)檢測(cè)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，在考慮磁飽和強(qiáng)度的同時(shí)，分別優(yōu)化分析磁鐵厚度、磁鐵寬度、磁極間距3個(gè)參數(shù)，以滿足檢測(cè)靈敏度、通過性能、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。