Ansys分析在钢管管端检测中的应用

李睿智， 何 箭， 李 亮， 王 振

(合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230009)

在无损检测中，由于要防止钢管端部撞坏探头，总是要等钢管端部越过探头时才能使探头贴合钢管管体，这样便出现钢管管端区域检测不到的情况，即存在了检测盲区。本文采用Ansys有限元软件对钢管管端磁场分布进行分析，针对管端检测盲区提出了加入引体的解决办法，并将有限元分析方法引入管端缺陷检测系统，建立相关磁场模型，对其进行模拟分析，然后通过管端缺陷信号实例的试验仿真验证其正确性。

1 钢管管端检测面临的问题

钢管漏磁检测方法可以检测出铁磁性钢管表面和内部的缺陷，具有检测速度快、灵敏度高、操作简单及稳定可靠等特点。它主要依据2种磁导率相差悬殊的介质，如铁和空气，界面上磁力线折射会导致部分磁通量泄露于钢材表面形成漏磁场，根据检测被磁化的金属表面形成的漏磁场可以判断缺陷是否存在。

但是当对钢管施加轴向磁化场时，在钢管管端相当长的范围内会存在磁力线散射现象，扰乱了非轴向缺陷产生的漏磁场，使非轴向缺陷无法被正确识别;同时钢管传动过程中钢管前端从开始撞击传感器到传感器与管体良好吻合会产生强烈的撞击信号，淹没了端头上的缺陷信号，会形成轴向和非轴向缺陷检测的盲区。

对于轴向缺陷，由于在检测轴向缺陷时施加的是与管轴向正交的磁化场时，磁场为绕管周的环行磁场，中间不会产生杂散磁场，管体检测可以完全无误地检测出来，本文不详细讨论。对于非轴向缺陷，在对钢管施加轴向磁化场以检测钢管管端非轴向缺陷时，磁力线的散射现象扩大了非轴向检测的盲区，使得检测工作变得更加困难。所以，本文首先要研究如何减少或消除管端磁力线散射对非轴向缺陷检测的干扰[1，2]。

2 有限元分析软件Ansys

Ansys软件是集结构、流体、电场、磁场及声场分析于一体的有限元分析软件，由美国Ansys公司开发研制，迄今为止是世界范围内唯一通过ISO9001质量体系认证的分析设计类软件。

Ansys软件主要包括3个模块:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出[3]。

本文主要使用的是Ansys10.0软件的电磁场分析功能。

3 钢管管端检测的有限元分析

有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，在实际情况中有限元分析不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，是行之有效的工程分析方法，这里宜采用有限元分析对管端缺陷进行处理。首先建立钢管漏磁检测的二维静态模型，如图1所示，把对非轴向缺陷的检测简化为分析二维静态磁场的问题[4，5]。

图1中，区域1显示为载流线圈，其相对磁导率为1，施加正电流密度为50 000/线圈面积;区域2是软铁，设定为线性材料，其相对磁导率为18 000;区域3显示的为钢管，选取钢材型号X52;缺陷物质设定为线性材料，相对磁导率为1，选择磁力线数为1 000，将上述设定值代入Ansys10.0软件中，求解选用矢量位方法(MVP)进行求解，可获得有缺陷管端的磁场分布，如图2所示。

图1 钢管检测的二维静态模型

图2 有缺陷管端磁场分布

从图2可以看出，管体内部磁力线基本处于平行状态，而端头部分存在明显的散射磁场，很难从中明显辨别出有缺陷部分的漏磁场，所以很难对其进行漏磁检测，也就是说无法用管体检测的方法检测管端出现的非轴向缺陷。

从上述分析可以得出，管体的漏磁检测方法已不适用于端头检测。但是，如果把端头变成管体的一部分，对端头用管体检测的方法进行缺陷检测，问题就迎刃而解了。在这里需要适时引入引体这一概念，引体是一种加在钢管端部与端头对接的一种铁磁性物体，可以通过与端头对接，把端头变成管体并消除端头的管端散射效应。加引体后的静态模型，如图3所示[6-8]。

图3 加引体后的二维静态模型

本文分析了管端加入引体消除管端检测盲区的可能性，并用A nsys软件模拟分析管端加入引体以消除钢管管端磁力线散射现象及管端检测盲区的可行性。

鉴于端头与引体的接头处不可能完全接触，事实上其接触面应该是个不规则的曲面。本文设定引体与钢管管端之间的距离为0.1 mm，并设定为局部接触。设置引体的磁导率与钢管相同，其它设置与上相同，选择磁力线数为27，对其施加轴向磁化场后代入设定值求解，可以得到模型磁力线分布，如图4所示。

图4 加引体管端磁场分布

从图4可以看到，由于钢管端部加入了引体，钢管端头部分的磁力线已经处于管体壁内，呈轴向平行状态，和管体内部磁力线的分布相似。这样对钢管端头检测的条件实际上已经与管体检测十分接近。从某种意义上讲，引体的存在已经把端头变成了钢管管体的一部分。而引体与钢管端部的接触面可当成一个面对面的缺陷来看待，这就能从根本上解决非轴向缺陷检测中出现的磁力线散射问题，为钢管管端缺陷信号的检测找到了一个行之有效的方法。

4 钢管管端缺陷信号的模拟仿真

本文模拟在钢管管端加入引体情况下管端非轴向缺陷信号的检测情况，先在钢管距管端20 mm处人工刻画一个N12.5的线性缺陷，深度在0.5～1.5mm之间。设置引体和钢管之间距离为0.1 mm，局部接触，引体的磁导率与钢管相同。选择磁力线数为100，代入设定值可获得加入引体后求解得到的缺陷管端磁场分布，如图5所示。

从图5中可以看出，钢管管端的磁场几乎都包含在管体壁内，磁力线呈闭合状态，无散射现象;外表面的磁场呈轴向平行分布，钢管端部与引体接触面处的磁场可近似看作管体内一个面缺陷形成的磁场;可以非常清楚地看到距离管端20 mm处的缺陷信号形成的漏磁场，也就是说管端缺陷信号可以被很准确地识别出来。

图5 加引体有缺陷管端磁场分布

5 结束语

本文针对钢管高速检测中不可避免出现的管端检测盲区，借助Ansys软件强大的电磁场模拟分析和实体建模功能，分析了钢管管端磁场分布，并实时地引入引体，解决了管端磁力线散射对盲区检测的影响，对管端缺陷信号进行模拟仿真，结果证明能准确地识别出缺陷信号，可以消除管端缺陷检测盲区。

[1] 何辅云，张 艳，张海燕，等，钢管端头漏磁检测技术[J].无损检测，2005，27(8):405-406.

[2] 阎照文.Ansys10.0工程电磁分析技术与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社，2006:102-126.

[3] 何辅云.采油用钢管的检测与缺陷识别[J].模式识别与人工智能，2000，(3):73-77.

[4] 张俊哲.无损检测技术及其应用[M].北京:科学出版社，1995:16-43.

[5] 蒋立新.钢管端头可视化系统和方法[D].合肥:合肥工业大学计算机与信息学院，2004.

[6] 胡 隽.钢管磁检测方法中定量检测的研究与实现[D].合肥:合肥工业大学计算机与信息学院，2002.

[7] 汪友生，梁 策.管道内壁缺陷漏磁信号的Ansys仿真与分析[J].计算机测量与控制，2005，13(3):273-275.

[8] 王太勇，蒋 奇，夏长亮，等.钢管漏磁方法在线计算机检测系统[J].仪器仪表学报，2001，22(3):169-170.