楊喜良，陳英杰，譚 哲，曾昭雄，張成芝，熊 敏，余東亮

（1.中油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.中國(guó)石油工程建設(shè)公司，北京 100120；3.北京石油機(jī)械廠，北京 100083；4.中國(guó)石油管道公司，河北廊坊 065000；5.中國(guó)石油管道鄭州輸油氣分公司，河南鄭州 450000）

基于ANSYS磁場(chǎng)仿真的清管器發(fā)射機(jī)研制

楊喜良1，陳英杰2，譚 哲3，曾昭雄4，張成芝5，熊 敏1，余東亮1

（1.中油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.中國(guó)石油工程建設(shè)公司，北京 100120；3.北京石油機(jī)械廠，北京 100083；4.中國(guó)石油管道公司，河北廊坊 065000；5.中國(guó)石油管道鄭州輸油氣分公司，河南鄭州 450000）

文章針對(duì)現(xiàn)有電子清管器廠家研制發(fā)射機(jī)—接收機(jī)方法的缺點(diǎn)，通過(guò)電磁發(fā)射理論計(jì)算和利用ANSYS軟件仿真清管器發(fā)射機(jī)，得出清管器發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率和電壓等工作參數(shù)以及它們之間的關(guān)系，從而指導(dǎo)清管器發(fā)射機(jī)的研制，以節(jié)省時(shí)間和降低研發(fā)成本。經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了分析和仿真的結(jié)論。

管道；電子清管器；發(fā)射機(jī)；電磁仿真；ANSYS軟件

0 引言

清管器是清理管道的有效工具之一。清管器作業(yè)時(shí)一旦發(fā)生卡堵事故，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速、準(zhǔn)確定位卡堵位置，就會(huì)延長(zhǎng)排障時(shí)間，將影響油氣的正常輸送，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜罢麠l管道的安全。目前，國(guó)內(nèi)外的清管器跟蹤定位產(chǎn)品主要是基于聲學(xué)、機(jī)械、放射性、電磁和永磁等原理制成的。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：由于放射性對(duì)人體有危害，相關(guān)設(shè)備已限制使用；機(jī)械式跟蹤設(shè)備需要直接與清管器接觸，通常作為通過(guò)指示器，不適合用于跟蹤定位；聲學(xué)設(shè)備具有有效距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但定位精度較差；電子清管器具有定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用的主流。

目前，國(guó)內(nèi)外電子清管器廠家一般通過(guò)試驗(yàn)方法確定清管器收發(fā)機(jī)的頻率和強(qiáng)度，從而研制出發(fā)射機(jī)。這種方法的缺點(diǎn)是成本高、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等。因此針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文通過(guò)理論計(jì)算和利用ANSYS軟件仿真管內(nèi)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)并結(jié)合實(shí)際測(cè)試，指導(dǎo)清管器發(fā)射機(jī)研制，降低研發(fā)成本。

1 發(fā)射機(jī)功率分析

由于加載在發(fā)射機(jī)線(xiàn)圈兩端的是周期變化的信號(hào)，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)原理，任何周期函數(shù)都可以由正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無(wú)窮級(jí)數(shù)來(lái)表示。另外，對(duì)于螺旋管加載電壓時(shí)，正弦和余弦電壓只相差90°，所以完全可以選擇加載余弦電壓分析發(fā)射機(jī)特性。

1.1 線(xiàn)圈輻射功率的計(jì)算

由于發(fā)射機(jī)天線(xiàn)的磁芯導(dǎo)磁率相當(dāng)高，可達(dá)104H/m以上，因此，可以把磁芯中的磁壓降忽略，把發(fā)射線(xiàn)圈視為一個(gè)在軸向無(wú)長(zhǎng)度的線(xiàn)圈即磁偶極子。對(duì)于一個(gè)有磁芯的螺線(xiàn)管線(xiàn)圈，當(dāng)它簡(jiǎn)化成一個(gè)磁偶極子時(shí)，其磁矩可以推算為：

式中N——螺線(xiàn)管線(xiàn)圈匝數(shù)；

I0——線(xiàn)圈電流；

R——線(xiàn)圈計(jì)算磁矩的等效半徑。

將其代入輻射功率計(jì)算式得：

式中λ——電磁波波長(zhǎng)；

f——頻率；

c——電磁波傳播速度。

當(dāng)f為超低頻時(shí)，W近似為零，發(fā)射線(xiàn)圈不對(duì)外輻射能量。由于發(fā)射機(jī)頻率特別低，可以近似認(rèn)為發(fā)射機(jī)不對(duì)外輻射能量。

1.2 線(xiàn)圈消耗功率的計(jì)算

因?yàn)榫€(xiàn)圈不對(duì)外輻射能量，則可將線(xiàn)圈等效為電感元件來(lái)計(jì)算其功率。

當(dāng)線(xiàn)圈的電感L=3.15 H、電阻R=5.145 Ω、加載在線(xiàn)圈兩端的電壓降u=12 cos ωt V時(shí)，加載在線(xiàn)圈上電流：

式中I——電流/A；

u——電壓/V；

z——線(xiàn)圈阻抗/Ω。

由于線(xiàn)圈消耗的能量都在線(xiàn)圈電阻上，所以線(xiàn)圈電阻平均功率表達(dá)式為：

式中P——功率/W；

R——線(xiàn)圈電阻/Ω。

可見(jiàn)加載的電壓越高，消耗的功率越大；頻率越高，電能消耗越少。如發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率為22 Hz時(shí)，消耗功率為1.96 mW。因此選擇適當(dāng)頻率可使研究超長(zhǎng)工作時(shí)間的發(fā)射機(jī)成為可能。

清管器跟蹤器的超低頻發(fā)射機(jī)—接收機(jī)收發(fā)系統(tǒng)，不能等同于一般無(wú)線(xiàn)電的發(fā)射、接收機(jī)。清管器的接收機(jī)依靠發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)來(lái)感知清管器通過(guò)，猶如變壓器原理。因此，發(fā)射機(jī)研制需將管道外產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度作為清管器跟蹤系統(tǒng)主要參數(shù)。下面通過(guò)ANSYS軟件對(duì)管內(nèi)發(fā)射機(jī)進(jìn)行仿真，研究其在地面上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2 管內(nèi)發(fā)射機(jī)仿真

2.1 模型建立

在秦京線(xiàn)上，原油管道規(guī)格大部分為D 529 mm×7 mm，埋深一般為1.5~2 m，且這部分土壤對(duì)磁場(chǎng)的影響不大，因此仿真時(shí)用空氣代替處理。

發(fā)射機(jī)線(xiàn)圈長(zhǎng)度為250 mm，內(nèi)徑為30 mm，外徑為40 mm，內(nèi)部為導(dǎo)磁材料，產(chǎn)生的磁場(chǎng)在任一軸向截面都是對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，因此采用2維模型，且取計(jì)算截面的1/4區(qū)域即可，使用如下單元模型：

（1）PLANE53， 模擬空氣。

（2）帶有 CURR和 AZ自由度的 PLANE53，模擬載壓線(xiàn)圈。

（3）INFIN10，模擬遠(yuǎn)場(chǎng)單元。

根據(jù)管道及發(fā)射線(xiàn)圈物理模型的尺寸，通過(guò)命令流或GUI方法對(duì)模型進(jìn)行從左到右的建模，如圖1所示。

2.2 定義材料屬性及線(xiàn)圈實(shí)常數(shù)

根據(jù)管道及發(fā)射機(jī)物理模型的已知參數(shù)，在ANSYS中對(duì)具體實(shí)物模型進(jìn)行屬性設(shè)置，物理模型參數(shù)有材料屬性和線(xiàn)圈實(shí)常數(shù) （見(jiàn)表1）。

表1 材料屬性

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分使用GUI方法或命令流，在劃分中可以利用智能網(wǎng)格劃分功能，網(wǎng)格的形狀可取三角形或四邊形。線(xiàn)圈、導(dǎo)磁材料和管道區(qū)域采用四邊形劃分，這樣更精確。其他區(qū)域采用智能劃分，見(jiàn)圖2。

2.4 加載和求解

給線(xiàn)圈施加的余弦交流電壓降為12 V，頻率為1~100 Hz。

CurrentLS求解運(yùn)算之后，在TimeHistPosrpro中查看A（2，0，0）點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度值圖形 （見(jiàn)圖3）。

很多電子清管器廠家都認(rèn)為23~27Hz段為最佳發(fā)射頻率，但是從圖3可以看出，發(fā)射機(jī)頻率越低，管道外磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，因此沒(méi)有所謂的最佳發(fā)射頻率，由于脈沖中低頻分量幅值大，所以在研制發(fā)射機(jī)時(shí)設(shè)計(jì)為加載脈沖，以便在管道外獲得最大磁場(chǎng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 脈沖加載驗(yàn)證

對(duì)線(xiàn)圈加載不同寬度的脈沖，電壓統(tǒng)一為12 V。其試驗(yàn)與仿真的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 脈沖寬度和A處磁場(chǎng)峰值關(guān)系

由于儀器測(cè)量有誤差，環(huán)境本身有干擾，而且仿真時(shí)做了一定的等效處理，所以測(cè)量值與仿真值存在一定差異，但可以得出大體變化關(guān)系。加載脈沖的寬度越寬，所含的低頻信號(hào)分量比例越大，因而管道外部磁場(chǎng)幅值越強(qiáng)?？梢愿鶕?jù)表2選擇脈沖寬度。

3.2 頻率加載驗(yàn)證

對(duì)線(xiàn)圈加載不同頻率的12 V余弦電壓，試驗(yàn)對(duì)比如表3所示。

表3 加載頻率與A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系

由于儀器測(cè)量有誤差，環(huán)境本身也有干擾，所以測(cè)量值與仿真值存在一定差異，但實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)一致。

3.3 電壓加載分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

理論上，線(xiàn)圈加載的電壓越高，管道外產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)。因此以22 Hz發(fā)射頻率為例，計(jì)算其在A點(diǎn)產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)，如表4所示。

表4 加載電壓幅值與A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系

由于現(xiàn)場(chǎng)干擾等因素，兩組實(shí)測(cè)的結(jié)果比仿真結(jié)果偏大，但大致反映出頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系變化趨勢(shì)以及加載電壓幅值與A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度成一定程度的線(xiàn)性關(guān)系。由此可知，距離管道2 m處地面的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨發(fā)射機(jī)頻率增大而降低，隨加載電壓幅值增大而增強(qiáng)。

4 結(jié)論

（1）按無(wú)線(xiàn)電輻射功率計(jì)算，超低頻發(fā)射機(jī)的輻射功率近似為零。這說(shuō)明，超低頻發(fā)射機(jī)基本不對(duì)外輻射能量。按電路理論計(jì)算，發(fā)射機(jī)的功率為毫瓦級(jí)，為電池供電提供可能。因此，研制發(fā)射機(jī)主要目標(biāo)在于研究其管道外產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并將其作為清管器跟蹤系統(tǒng)的主要參數(shù)。

（2）由仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可以看出：地面的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨發(fā)射機(jī)頻率增大而降低，隨加載電壓幅值增大而增強(qiáng)，因此對(duì)線(xiàn)圈加載脈沖更為合適。

（3）所加載的脈沖越寬，管道外部磁場(chǎng)越強(qiáng)，但是最寬的脈沖寬度不能超過(guò)其充磁時(shí)間。

在設(shè)計(jì)中，選擇12 V加載電壓、0.04 s的脈沖寬度。實(shí)際裝置已運(yùn)用于中石油秦京線(xiàn)管道，用6節(jié)普通干電池持續(xù)工作時(shí)間可達(dá)110 h以上，地面最大磁場(chǎng)強(qiáng)度值為3.5×10-7A/m，易于被跟蹤器識(shí)別，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1]朱喜平.天然氣長(zhǎng)輸管道清管技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2005，（3）：1-2.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.50-70.

[3]P勞蘭，D R考森.電磁場(chǎng)與電磁波[M].陳成鈞，譯.北京：人民教育出版社，1980.21-30.

Development of Pig Transmitter Based on Magnetic Field Simulation by ANSYS

YANG Xi-liang（PetroChina Pipeline R&D Center,Langfang 065000,China）,CHEN Ying-jie,TANG Zhe,et al.

Aimed at the defects of the electronic pig transmitter-receivers developed by existing manufacturers and with the help of theoretical calculation of electromagnetic emission and pig transmitter simulation by software ANSYS,the working parameters such as frequency and voltage and their relationship of the pig transmitter are obtained to guide the development of the pig transmitter for saving time and reducing development costs.Finally,after the actual experimental tests,the conclusions from the analysis and simulation are verified.

pipeline;electric pig;transmitter;electromagnetic simulation;software ANSYS

TE973 U178

B

1001－2206（2011）04－0010－03

楊喜良 （1982-），男，江西臨川人，助理工程師，2009年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，碩士，主要從事油氣管道安全檢測(cè)研究工作。

2011-04-21；

2011-05-16