陳 鑫，章 磊，王曉詩(shī)，于 浩

（中國(guó)石油錦西石化分公司， 遼寧 葫蘆島 125001）

長(zhǎng)輸管道直流消磁法及其ANSYS數(shù)值模擬

陳 鑫，章 磊，王曉詩(shī)，于 浩

（中國(guó)石油錦西石化分公司， 遼寧 葫蘆島 125001）

焊接具有磁性的管道焊口時(shí)，焊口剩磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)和焊接電弧產(chǎn)生的磁場(chǎng)組成復(fù)合磁場(chǎng)，若復(fù)合磁場(chǎng)的洛倫茲力大于電磁場(chǎng)的收縮力，焊接電弧帶電粒子的運(yùn)動(dòng)角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在宏觀上表現(xiàn)為電弧偏吹，即磁偏吹。若電弧的偏轉(zhuǎn)角度大于45o，在焊接過程中將出現(xiàn)嚴(yán)重的磁偏吹現(xiàn)象，反之，磁偏吹現(xiàn)象不明顯。利用有限元軟件ANSYS對(duì)管道、消磁線圈以及外部空氣進(jìn)行實(shí)體建模，通過對(duì)模型簡(jiǎn)化和求解，得到消磁磁場(chǎng)的分布情況：磁場(chǎng)以通電螺線管的軸線為對(duì)稱軸呈對(duì)稱分布，且線圈中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度最弱，距離線圈無限遠(yuǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0；沿徑向兩端管壁的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，無限遠(yuǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0，中間區(qū)域分布較均勻。對(duì)長(zhǎng)輸管道直流消磁方法進(jìn)行優(yōu)化，介紹了直流消磁方法的兩種基本形式。

長(zhǎng)輸管道；剩磁；消磁；磁偏吹；復(fù)合磁場(chǎng)；ANSYS模擬

在長(zhǎng)輸管道的建設(shè)、維修和搶修過程中，經(jīng)常產(chǎn)生剩磁，實(shí)施焊接作業(yè)時(shí)，焊接管口存在的剩磁將導(dǎo)致磁偏吹現(xiàn)象的產(chǎn)生。具有一定電離程度的氣體構(gòu)成焊接電弧，焊接電弧的微觀結(jié)構(gòu)由分離且有運(yùn)動(dòng)方向的正、負(fù)電荷組成，流動(dòng)電荷產(chǎn)生的電流促使電弧周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。如果分布均勻的電弧磁場(chǎng)被破壞，局部的洛倫茲力過大，受力不均勻電弧將偏離焊條的軸線方向，與電極軸形成傾斜角度，便產(chǎn)生電弧偏吹，即磁偏吹。如果不對(duì)磁偏吹加以控制，將對(duì)焊接產(chǎn)生嚴(yán)重影響：輕者，電弧的穩(wěn)定燃燒受到影響，造成焊縫根部未焊透、未融合，此時(shí)，必須重新焊接管道；重者，焊接作業(yè)將無法正常進(jìn)行[1]。因而影響工程進(jìn)度和工程質(zhì)量，惡化管道的物理特性，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1 磁偏吹方向的判定

焊接具有磁性的管道焊口，將有較強(qiáng)的外磁場(chǎng)出現(xiàn)在電弧周圍，即由焊口剩磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電弧產(chǎn)生的磁場(chǎng)組成一個(gè)復(fù)合磁場(chǎng)。

圖1 運(yùn)動(dòng)帶點(diǎn)粒子在磁場(chǎng)中的角度偏轉(zhuǎn)Fig.1 Deflection angle of moving charged particles in the magnetic field

該復(fù)合磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過一定數(shù)值后，就會(huì)破壞電弧的穩(wěn)定性。這是因?yàn)槭菐щ娏Ｗ拥倪\(yùn)動(dòng)使電弧具有導(dǎo)電性能，而復(fù)合磁場(chǎng)會(huì)對(duì)在其場(chǎng)強(qiáng)中帶電粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的洛侖茲力造成影響（圖1，為電弧在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角度），進(jìn)而影響到電弧的穩(wěn)定性。

由洛侖茲力的表達(dá)式可以推導(dǎo)出偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算式[2]：

式中：B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，10-4T；

I—焊接電流，A；

L—焊接電弧長(zhǎng)度，cm；

K—常數(shù)，對(duì)于鋼的鎢極氬弧焊，K＝5。

可見，有兩種外力對(duì)電弧產(chǎn)生作用，一種是電弧中帶電粒子在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的洛侖茲力的總和BLI，另一種是電磁場(chǎng)的收縮力，由流過電弧的電流自身產(chǎn)生，用I2表示。焊接電弧在復(fù)合磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角度由這兩種外力共同決定。管道焊接處的剩磁磁通量B越大，BLI所表示的洛侖茲力越大。若復(fù)合磁場(chǎng)的洛倫茲力大于電磁場(chǎng)的收縮力，即BIL>I2，焊接電弧帶電粒子的運(yùn)動(dòng)角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在宏觀上表現(xiàn)為電弧偏吹。如果電弧的偏轉(zhuǎn)角度大于45o（圖2(a)），在焊接過程中將出現(xiàn)嚴(yán)重的磁偏吹現(xiàn)象，這是因?yàn)槭４糯艌?chǎng)所產(chǎn)生的洛侖茲力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焊接電流自身的作用力[3]。反之，如果復(fù)合磁場(chǎng)的洛倫茲力小于電磁場(chǎng)的收縮力，即BLI

圖2 電荷在復(fù)合磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 Deflection of charge in a magnetic field

以偏轉(zhuǎn)角度45o為臨界點(diǎn)確定管道可施工范圍內(nèi)的最大剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax。對(duì)于長(zhǎng)輸管道，K值一般取2.5；焊接電流I一般為80~100 A，這里取值80 A；電弧長(zhǎng)度取0.2 cm。將相關(guān)參數(shù)值代入式（1）可得： ，通過計(jì)算可知，管道可施焊的最大剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax＝28×10－4T（表1）[4]。

表1 管道剩磁強(qiáng)度與可施焊條件Table 1 Piperesidual magnetization and welding conditions

2 管道直流消磁磁場(chǎng)的模擬

2.1 管道模型的建立

以東北管網(wǎng)16MnR管材為對(duì)象，由于16MnR管材的相對(duì)磁導(dǎo)率與磁場(chǎng)強(qiáng)度不呈線性關(guān)系，因此在建立管道模型之前須對(duì)管道的B-H磁化曲線進(jìn)行定義。利用J40示波器測(cè)量16MnR的磁場(chǎng)強(qiáng)度B和磁通量H，并與ANSYS軟件提供的B-H磁化曲線進(jìn)行對(duì)比，ANSYS提供的磁通量極大值與實(shí)際情況是基本一致，但磁通量在磁場(chǎng)強(qiáng)度小于4 000時(shí)存在明顯誤差（圖3）。同時(shí)，16MnR的實(shí)測(cè)磁導(dǎo)率曲線與ANSYS軟件提供的磁導(dǎo)率曲線存在較大差異（圖4）。因此，采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖3(a)、圖4(a)）作為模擬管道的基本數(shù)據(jù)[5]。

圖3 16MnR管材管道B-H曲線Fig.3 B-H curve of 16MnR pipe

圖4 16MnR管材管道磁導(dǎo)率曲線Fig 4 16MnR pipeline permeability curve

2.2 直流消磁法模擬

ANSYS二維靜態(tài)磁場(chǎng)模擬主要針對(duì)穩(wěn)態(tài)電流、永外加電壓、外加磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體、永磁體、外加磁場(chǎng)等激勵(lì)下產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)，只能模擬、計(jì)算各種非飽和、飽和的磁性材料，不能模擬渦流等由時(shí)間變化產(chǎn)生的效應(yīng)。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間和簡(jiǎn)化分析過程，簡(jiǎn)化模型使其成為二維軸對(duì)稱圖形，構(gòu)建二維靜態(tài)磁場(chǎng)。因遠(yuǎn)場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度微弱，對(duì)工件不構(gòu)成影響，故不建立遠(yuǎn)空氣場(chǎng)，只建立近空氣場(chǎng)，并選用PLANE13作為其單元類型。對(duì)于管道和線圈，選用PLANE53作為其單元類型，該單元格的分析結(jié)果比PLANE13更精確（表2）[6]。

根據(jù)ANSYS模擬結(jié)果，磁場(chǎng)以通電螺線管的軸線為對(duì)稱軸呈對(duì)稱分布，且線圈中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度最弱（圖5a），距離線圈無限遠(yuǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0（圖5b）。由空間磁力線模擬結(jié)果（圖5c）也可見線圈中心的磁力線最稀疏，因此，不應(yīng)將管道退磁部位放在線圈中心所在位置。沿徑向兩端管壁的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，無限遠(yuǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0，中間區(qū)域分布較均勻（圖5d）。管道在消磁過程中，由于其末端的磁場(chǎng)強(qiáng)度最高（圖5e），因此，測(cè)量管道磁性時(shí)，需要取最大，避免消磁過量的現(xiàn)象發(fā)生。

由于管道軸線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度非線性減少（圖5f），因此線圈不宜過長(zhǎng)，需控制在1 m以內(nèi)。若管道磁性過強(qiáng)，可以采用多層纏繞法以增強(qiáng)消磁磁場(chǎng)。

表2 二維靜態(tài)磁場(chǎng)單元類型Table 2 2-dimensional static magnetic field unit types

圖5 管道直流消磁ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 5 Pipe DC degaussing ANSYS simulation results

3 直流消磁法的應(yīng)用

利用磁力計(jì)確定鋼管切割處剩磁磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小和磁力線方向；在磁性鋼管上，將截面為35～50 mm的柔性焊接導(dǎo)線纏繞成單層線圈，并焊接導(dǎo)線連接到焊接變流器上，焊接變流器的數(shù)目一般1～2個(gè)。通電的焊接導(dǎo)線在管道上形成一個(gè)外磁場(chǎng)，其磁力線方向與管道的磁場(chǎng)方向相反。在對(duì)管道實(shí)施消磁的過程中，電流控制在80～100 A，同時(shí)利用磁力計(jì)對(duì)管道的磁性部位進(jìn)行周期性測(cè)量，并根據(jù)管道的剩磁結(jié)果改變電流的大小，當(dāng)消磁過量時(shí)改變電流的方向。管道消磁結(jié)束后，在1 min內(nèi)逐漸將電流降至0，再切斷電源，以達(dá)到平滑降低磁通量的目的。

直流消磁法主要有兩種基本形式：其一是通過改變直流電的方向和大小，對(duì)管道施加外磁場(chǎng)進(jìn)行消磁，改變電流大小通過調(diào)壓器或者多抽頭變壓器自動(dòng)調(diào)壓實(shí)現(xiàn)，改變電流方向通過時(shí)間繼電器控制；這種形式要求退磁電流漸變且不斷改變方向。其二是不改變直流電的大小和方向，而是使金屬材料逐步遠(yuǎn)離退磁場(chǎng)；這種形式只改變了磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的大小，沒有改變場(chǎng)強(qiáng)的方向。由于直流消磁方法電流方向換向的頻率很低，從而降低了趨附效應(yīng)，因此可以消除金屬材料內(nèi)部的磁性[7]。

［1］姜運(yùn)健，馮硯廳.帶磁管道焊口的磁偏吹及其退磁焊接[J]．焊接技術(shù)，1992（5）：20-24．

［2］趙春旺，王克勛，劉前.有限長(zhǎng)螺線管磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算與分析[J]．工科物理，1997（4）：14-17．

［3］徐明亮，何輔云，張勇，等.鋼管整體關(guān)聯(lián)消磁技術(shù)[J]．合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25（4）：528-530.

［4］何輔云，蘇占強(qiáng)，張艷，等.鐵磁材料的變頻消磁技術(shù)[J]．無損檢測(cè)，2005，27（9）：427-474.

［5］秦宇.ANSYS 11.0基礎(chǔ)與實(shí)例教程[M]．1版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：22-48.

［6］戴光，孫傳軒，楊志軍，等.管道外壁缺陷多磁化單元磁場(chǎng)數(shù)值模擬與參量分析[J]．壓力容器，2008，25（11）：24-29.

［7］隋永莉，杜則裕，趙事，等.油氣管道焊接過程中的磁偏吹[J]．焊接技術(shù)，2005，34（4）：33-34.

DC Degaussing Method for Long Distance Pipelines and Its Numerical Simulation With ANSYS

CHEN Xin，ZHANG Lei，WANG Xiao-shi，Yu Hao
（PetroChina Jinxi Petrochemical Company, Liaoning Huludao 125001, China）

When welding pipes with residual magnetism, magnetic field caused by the residual magnetism and magnetic field caused by welding arc compose compound magnetic field. If Lorentz force of the compound magnetic field is bigger than contractile force of electromagnetic field, a magnetic blow phenomenon occurs. If the deflection angle of welding arc is more than 45o, welding processes appear serious phenomena of magnetic blow. In this paper, ANSYS software was used to establish solid model for finite element analysis of pipelines and degaussing coil, and through simplifying the model, distribution of the degaussing magnetic field was gained. DC degaussing method of long distance pipelines was optimized, and two basic ways of DC degaussing method were introduced.

Long distance pipeline; Residual magnetism; Degaussing; magnetic blow; Compound magnetic field;ANSYS simulation

TQ 018

A

1671-0460（2012）11-1255-04

2012-07-06

陳鑫（1986-），男，遼寧葫蘆島人，助理工程師，2009年畢業(yè)于沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)就職于中國(guó)石油錦西石化分公司。E-mail：123408561@qq.com。