許璐璐 王 嘉 姜福錕

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110870)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源運(yùn)輸對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的影響顯得尤為重要。由于管道輸送具有成本低、節(jié)省能源、安全性高及供給穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，管道運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，已成為現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的組成部分[1]。管道是現(xiàn)行的五大運(yùn)輸工具之一，其在運(yùn)送液體、氣體、漿液等方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)，尤其在石油化工及天然氣運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)中具有不可替代的作用[2]。據(jù)估算，現(xiàn)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(zhì)。

1 漏磁管道內(nèi)檢測(cè)器的基本原理

1.1 磁學(xué)理論研究

技術(shù)磁化闡述的是關(guān)于鐵磁質(zhì)在整個(gè)磁化過(guò)程中磁化行為的機(jī)理，即闡明了在外磁場(chǎng)作用下，磁疇是通過(guò)何種機(jī)制逐漸趨向外磁場(chǎng)方向的[2]。技術(shù)磁化的過(guò)程可分為三個(gè)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(guò)程中，必須要損耗一部分能量。磁化強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)方向，處在磁化強(qiáng)度和阻尼力矩的矢量積方向上，最后使?jié)u漸地平行于的方向。這一關(guān)系用數(shù)學(xué)關(guān)系表示為式1。

在磁化過(guò)程中，必須要損耗一部分能量。磁化強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)方向，處在磁化強(qiáng)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(guān)系用數(shù)學(xué)關(guān)系表示為式2。

用永磁體磁化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)磁后效現(xiàn)象，即每次磁化都會(huì)出現(xiàn)時(shí)間的滯后現(xiàn)象[3]。特別是在含有微量的C或N的純鐵材料中，磁后效現(xiàn)象尤為明顯。

1.2 渦流效應(yīng)對(duì)漏磁檢測(cè)的影響

在漏磁檢測(cè)過(guò)程中，漏磁檢測(cè)裝置速度的增加引起磁極附近產(chǎn)生感應(yīng)渦流，渦流引起的磁場(chǎng)疊加在原有的磁場(chǎng)上，使原有漏磁場(chǎng)發(fā)生了改變。在靜態(tài)下，不考慮速度因素，由MaxweⅡ方程推導(dǎo)出的磁場(chǎng)微分方程：

式中：A→為矢量磁位；為電流密度；μ 為磁導(dǎo)率。

由于在實(shí)際在線檢測(cè)過(guò)程中設(shè)備是運(yùn)動(dòng)的，因此必須考慮速度因素的影響，此時(shí)的磁場(chǎng)微分方程變?yōu)槭?[4]。

在高速檢測(cè)情況中，方程式4右端的后兩項(xiàng)反映了檢測(cè)速度對(duì)檢測(cè)信號(hào)影響[5]。其中方程式4右端第二項(xiàng)體現(xiàn)矢量磁位變化感應(yīng)的渦流，其大小同矢量磁位變化頻率成比例；第三項(xiàng)體現(xiàn)速度感應(yīng)的渦流，其大小同速度及磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例。 這兩項(xiàng)直接影響了漏磁檢測(cè)信號(hào)。

2 仿真與結(jié)果分析

上個(gè)世紀(jì)中后期，美國(guó)匹茲堡大學(xué)教授約翰斯萬(wàn)森博士帶領(lǐng)由他創(chuàng)立的美國(guó)SASI公司的科研人員，歷經(jīng)多年的苦心研究，最終開(kāi)發(fā)出了在國(guó)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(kāi)放性、有效性等特點(diǎn)，它的計(jì)算方法和技術(shù)也具有先進(jìn)性。ANSYS有限元分析軟件的應(yīng)用領(lǐng)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(yī)學(xué)、工程建筑、機(jī)械電子等領(lǐng)域都有其應(yīng)用的空間。ANSYS軟件中包含了專門針對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、耦合場(chǎng)、流體場(chǎng)等進(jìn)行分析的功能和算法，其功能相當(dāng)強(qiáng)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(jìn)行分析，還可以利用界面菜單進(jìn)行操作，既靈活又方便。

運(yùn)用ANSYS有限元仿真分析軟件建立管道漏磁內(nèi)檢測(cè)二維實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)二維實(shí)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(nèi)檢測(cè)器也為軸對(duì)稱的裝置。圖中上邊就是軸對(duì)稱管道的中軸線位置。在ANSYS有限元分析軟件的二維軸對(duì)稱仿真分析中，設(shè)置縱軸為對(duì)稱軸，因此，將空氣模型的上邊建立在縱軸上，將左上角點(diǎn)建立在原點(diǎn)上。此時(shí)，整個(gè)管道漏磁內(nèi)檢測(cè)二維實(shí)體模型就建立在了平面坐標(biāo)系的第一象限內(nèi)。

根據(jù)本文管道漏磁內(nèi)檢測(cè)二維有限元仿真的實(shí)際需要，采用智能網(wǎng)格劃分工具對(duì)仿真實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置智能網(wǎng)格劃分水平為1，采用最高等級(jí)的網(wǎng)格劃分，如圖2所示，其APDL命令流操作為：smartsize,1。

圖2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行仿真求解計(jì)算后，可以通過(guò)ANSYS有限元分析軟件提供的通用后處理器（General Postproc），來(lái)輕松地查看磁力線分布圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖、磁場(chǎng)強(qiáng)度等值彩色云圖，還可以通過(guò)ANSYS有限元分析軟件中的路徑操作功能，得到設(shè)定好的某條路徑上的磁通量密度，并且通過(guò)磁通量密度曲線圖和磁通量密度數(shù)據(jù)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(shí)體模型半橢圓型缺陷附近所產(chǎn)生的漏磁通在徑向上的分量BX，映射到檢測(cè)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(fù)，符號(hào)代表了徑向磁通密度的方向，而不是單純意義上的數(shù)值。徑向磁通密度曲線具有兩個(gè)明顯的特征：磁通密度峰峰值（最大值與最小值的差）和所對(duì)應(yīng)最大值點(diǎn)與最小值點(diǎn)水平距離的差值。而對(duì)于不同幾何參數(shù)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(hào)

3 結(jié)論

本文利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)90個(gè)不同深度和長(zhǎng)度的半橢圓型缺陷實(shí)體模型進(jìn)行了仿真分析，提取了90組缺陷處徑向磁通密度的特征數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，可知不同幾何參數(shù)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(shù)關(guān)系。

［1］高松巍，鄭樹(shù)林，楊理踐.長(zhǎng)輸管道漏磁內(nèi)測(cè)缺陷識(shí)別方法[J].無(wú)損檢測(cè)，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(nèi)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于管道螺旋焊縫的可行性分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(11):45-46

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

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