丁戰(zhàn)武

沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 遼寧沈陽(yáng) 110035

對(duì)具備內(nèi)檢測(cè)條件的管道均可以使用管道內(nèi)檢測(cè)器對(duì)管道的內(nèi)外腐蝕狀況進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)，從而為管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)估提供相關(guān)參數(shù)，為危害管道剩余壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。國(guó)外的漏磁技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)的主要研究單位有清華大學(xué)[1]、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等[2，3，4]。目前國(guó)內(nèi)主要通過有限元軟件建立二維漏磁場(chǎng)缺陷模型，以二維漏磁場(chǎng)缺陷研究為主，但由于實(shí)際缺陷是復(fù)雜多樣的，建立二維漏磁場(chǎng)模型能夠?qū)θ毕蓍L(zhǎng)度的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確研究，但無法研究缺陷寬度，對(duì)深度的研究也不具有代表性。因此有必要對(duì)三維漏磁場(chǎng)缺陷信號(hào)進(jìn)行分析與研究。

1 電磁場(chǎng)有限元理論

可以對(duì)有限元法進(jìn)行簡(jiǎn)單的敘述，即把微分問題用基于變分原理的變分問題來表示，經(jīng)過離散化處理，變成有限單元的子空間，變分問題再轉(zhuǎn)變成有限單元子空間多元函數(shù)的極值問題，最后再到一組線性多元方程組的求解，這就是有限元法。因此有限單元法能夠用來描述缺陷漏磁場(chǎng)空間分布問題。

2 三維有限元建模仿真

有限元分析模型的建立一般包括以下幾個(gè)過程：1．建立實(shí)體模型：因?yàn)榻⒄芄艿赖娜S模型比較復(fù)雜，并且對(duì)于模型來說只需要研究缺陷附近的漏磁場(chǎng)變化情況，因此本文選擇建立四分之一管道模型來分析漏磁場(chǎng)缺陷，此模型完全可以達(dá)到仿真分析的要求。模型的缺陷大小為長(zhǎng)26mm、寬22mm、深度為百分之四十壁厚值，模型如圖1所示：

圖1 三維幾何模型

本模型是對(duì)Φ325×7．1的管道進(jìn)行漏磁場(chǎng)仿真，模型的單元類型選擇SOLID96單元。2．材料屬性賦值：三維模型的材料屬性與二維模型是一致的，對(duì)于鐵芯選擇具有高磁導(dǎo)率小矯頑力的工業(yè)純鐵，相對(duì)磁導(dǎo)率為186000，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。對(duì)鋼刷進(jìn)行精確的描述比較困難，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特殊，所以本文選擇與鐵芯一樣的特征屬性。因?yàn)樾枰纬赏暾拈]環(huán)磁路，所以左右永磁體的矯頑力方向是相反的，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1．05，矯頑力為980000A/M。管道的材料可選X52鋼。3．網(wǎng)格劃分：對(duì)于網(wǎng)格的劃分有三種，包括自由網(wǎng)格劃分，智能網(wǎng)格劃分以及映射網(wǎng)格劃分，由于對(duì)管道、磁鐵、鐵芯、鋼刷進(jìn)行細(xì)化可以提高計(jì)算精度，本文對(duì)其進(jìn)行了細(xì)化并對(duì)空氣施加節(jié)點(diǎn)邊界條件。又由于永磁體本身為勵(lì)磁源，有限元處理永磁體會(huì)自動(dòng)把它轉(zhuǎn)化為等效的電流并加載到單元和節(jié)點(diǎn)上。4．求解：對(duì)劃分好網(wǎng)格的模型通過直接求解器進(jìn)行求解。三維模型網(wǎng)格劃分圖如下所示：

圖2 三維模型網(wǎng)格劃分圖

圖2 圖為管道、鐵芯、永磁體、鋼刷的網(wǎng)格細(xì)化。

3 仿真結(jié)果分析

通過后處理器可以查看仿真結(jié)果，圖3．1a為三維模型的矢量圖，3．1b為缺陷附近的矢量圖。

圖3 1a三維模型以及缺陷附近的矢量圖

圖3 1b三維模型以及缺陷附近的矢量圖

由圖可知在三維模型中，鐵芯、永磁體以及管道三者形成閉合磁場(chǎng)，磁矢量在缺陷處有一部分露出形成漏磁場(chǎng)，一部分繞過缺陷、另一部分會(huì)穿過缺陷。形成的原因：由于在缺陷處的磁導(dǎo)率低于無缺陷處的磁導(dǎo)率，空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)低于鐵磁材料的磁導(dǎo)率，存在缺陷時(shí)磁力線先通過磁導(dǎo)率高的材料，使得部分磁通繞過缺陷而通過周圍鐵磁材料，由于磁力線連續(xù)原理，缺陷處的磁力線不能匯聚于材料內(nèi)部必須向外膨脹，就形成一部分從缺陷中穿過，另一部分穿出鐵磁材料表面進(jìn)入空氣又從新回到鐵磁材料的情況。

在提離值為1mm的情況下，通過對(duì)不同路徑的漏磁信號(hào)進(jìn)行提取得到軸向方向、徑向方向和周向方向的漏磁場(chǎng)缺陷信號(hào)分量及其對(duì)應(yīng)的等值線圖。

圖3 2a漏磁場(chǎng)軸向分量及等值線

圖3 2b 漏磁場(chǎng)徑向分量及等值線

圖3 2c漏磁場(chǎng)周向分量及等值線

圖3 2d 漏磁場(chǎng)周向分量云圖

由圖可知：漏磁場(chǎng)軸向分量具有一個(gè)波峰，峰谷間距大于缺陷的長(zhǎng)度，受影響的路徑要大于缺陷的寬度，因此在對(duì)缺陷寬度的量化時(shí)要注意設(shè)定合適的閥值；漏磁場(chǎng)的徑向分量具有正負(fù)兩個(gè)峰值，峰峰間距略微大于缺陷長(zhǎng)度，因此可以用峰峰間距作為長(zhǎng)度的量化特征量，通過三維仿真對(duì)長(zhǎng)度的量化與二維仿真的結(jié)果是一致的；周向分量具有兩個(gè)正峰值與兩個(gè)負(fù)峰值，其信號(hào)較復(fù)雜，無法用來對(duì)缺陷進(jìn)行量化，三個(gè)分量都是在峰值處附近等值線密集，從云圖中可直接觀察到[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

只有對(duì)腐蝕缺陷的尺寸進(jìn)行識(shí)別才能及時(shí)了解管道運(yùn)行情況，為管道的剩余壽命評(píng)價(jià)等提供相關(guān)參數(shù)，減少事故的發(fā)生。用三維有限元方法能夠很好的仿真出多種多樣的缺陷，通過對(duì)三維有限元仿真各種缺陷的分析，能夠研究缺陷尺寸與特征值之間的關(guān)系，從而得出缺陷尺寸與漏磁場(chǎng)信號(hào)的變化規(guī)律，并且三維有限元仿真彌補(bǔ)了二維有限元仿真無法對(duì)寬度進(jìn)行分析的缺點(diǎn)，其仿真結(jié)果比二維仿真更加接近真實(shí)缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)[3]。