管道环焊缝缺陷的ANSYS仿真分析★

罗福强，高松巍

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110178）

0 引言

输油管道泄漏事故的统计结果表明，管道焊缝缺陷是影响管道安全的风险之一，即管道环焊缝和螺旋焊缝[1]。目前，我国长输管网密集，我国东部、东北部以及四川的多数油气管线已经运行二三十年，进入事故多发期。管道一旦发生故障而引发事故就将直接威胁人身安全，破坏生态环境，造成巨大的经济损失[2]。识别管道环焊缝缺陷的目的就在于研究缺陷存在的特征，以及如何发现这些缺陷，从而科学地指导管道的内检测。油气输送管道的造价很高，合理地进行管道内检测可以节约巨额的投资，降低管线风险，提高经济效益。本文以漏磁检测原理、电磁场理论为基础，应用ANSYS软件，针对具体的问题进行了仿真分析并给出结果。上述研究将为推进漏磁检测在工程中的进一步应用和发展提供依据。

1 管道漏磁检测原理

如果被测的铁磁性材料表面光滑没有缺陷且内部无夹杂物，从原理上讲，磁力线就将全部从管道壁中通过，并将均匀地分布在管道壁内，在理想情况下，泄露的磁通基本为零。若存在缺陷，则是由于管道壁变薄，引起磁通分布不均匀，一部分磁场仍从管道壁中通过，另一部分从缺陷的凹陷中通过，还有一部分则从管道外穿过，渗透到空间去。既为漏磁通，则可由传感器测得漏磁信号，其检测原理如图1所示。

图1 漏磁检测原理图

因此，当有缺陷时，由探头测得的漏磁信号值就会明显地增大，无论材料的内表面有缺陷还是外表面有缺陷，在管道的两面均会产生漏磁通，可根据探头测得的漏磁信号来判别损伤的情况[3]。

2 电磁场理论基础

在磁导率为μ的介质中，电流密度J形成的磁感应强度B和稳定磁场H之间的关系由麦克斯韦方程组及相应的边界条件确定，即：

式中：B——磁感应强度；

H——磁场强度；

J——电流密度；

B1n——B1的法向分量；

B2n——B2的法向分量。

如果磁势A定义为：

则在均匀介质中由式 （1）、 （2） 和 （5） 可得：

对于轴对称的管道系统，A=A(r,z)eθ，J=J0eθ（eθ为 θ方向单位矢量），于是，式 （6）简化为式（7）：

由式 （5）可得下式：

这样就可以利用有限元法对满足式 （6）及相应边界条件式 （4）的漏磁检测系统中各区域的磁势进行数值计算[4]。

3 应用ANSYS对环焊缝进行三维仿真

使用ANSYS软件进行仿真计算包括创建仿真对象的实体模型、定义材料的单元和属性、网格划分、应用边界条件并施加激励 （负载）、求解和观察结果几个步骤[5]。

本文采用三维实体模型，三维有限元的计算结果与采用的单元形式及划分网格的方法密切相关，单元类型对于得到正确的计算结果至关重要，因此必须根据被离散区域形状、结构类型、计算分析类型等正确地选择单元类型。管道整体模型如图2所示。

图2 管道整体模型

为简化模型，对所要建立的模型做如下假设：

1）取管道周向1/8作为研究对象，直接将管道内检测器至于其中；

2）将环焊缝的焊接材料假设为与管壁相同的金属材料；

3）忽略管道内介质对检测器的作用；

4）环焊缝的缺陷具有对称性。

为了精确地模拟管道内检测器在管道内经过环焊缝处的缺陷，本文采用三维实体模型，选取带有明显环焊缝缺陷的管道作为研究对象，根据实际的缺陷管道尺寸来建立仿真模型。

模型管道长度为1000 mm，管道直径为720 mm，管道壁厚为10 mm，缺陷长度为8 mm，缺陷宽度为8 mm，缺陷深度为8 mm。实体模型如图3所示。

图3 管道环焊缝实体模型

其中，A、E为检测器的钢刷；B、D为检测器的永磁体；C为轭铁；F为管壁之间的带有缺陷的环焊缝。自顶向下构造有限元模型，被测管壁、检测装置的永磁体、轭铁、钢刷和空气是本模型中需要定义的材料，选取X52钢，定义材料单元为SOLID96，轭铁的相对磁导率为2000，钢刷的相对磁导率为2000，检测装置所用的轭铁，其磁特性在这里不做介绍，对钢刷的介质描述是十分困难的，在本模型中采用了与轭铁相同的磁特性曲线来代替，实践证明这对结果的影响较小，是可行的。左永磁铁的相对磁导率与矫顽力分别为1.05和896000 A/m，右永磁铁的相对磁导率与矫顽力分别为1.05和-896000 A/m，管壁BH参数为500，0.39；1000， 0.82； 2000，1.3； 2500，1.44； 3000， 1.51；4000， 1.61； 5000， 1.69； 6000， 1.73； 7000， 1.77；8000， 1.8； 9000， 1.83； 10000， 1.84； 15000， 1.95；20000，2.01；24000， 2.05。

本模型采用SOLID96单元，该单元主要用于模拟三维实体模型，是8节点六面体单元[5]。

用自由网格划分模型，并且在含有缺陷处进行网格细化[6]。ANSYS提供的自由网格生成器、映射网格生成器和智能网格生成器在三维分析中，可采用智能网格生成器——智能网格划分，它的网格分为10个等级，网格划分采用自由度为1的网格自动划分[7]。添加空气层后的网格划分如图4所示。

图4 管道环焊缝网格划分

在腐蚀缺陷管道三维实体模型的对称面上施加对称的位移约束，在管道内壁施加载荷[7]。加载求解后矢量图如图5和6所示。

图5 无缺陷环焊缝磁通密度矢量分布图

图6 有缺陷焊缝磁通密度矢量分布图

从图5、6可以看出，在整个加载过程中，当管道内的检测器经过无缺陷的管道环焊缝时基本上不形成漏磁通；相反，当管道内的检测器经过有缺陷的环焊缝时便形成明显的漏磁通。不同程度缺陷的漏磁通分量如图5、6所示。带有不同缺陷环焊缝处的漏磁通密度曲线在轴向与径向的分量特征曲线如图7、8所示。

通过两图对比分析可知，轴向分量的整体形状相似，带有缺陷与不带缺陷的焊缝主要体现在峰值上，随着缺陷尺寸的减小，峰值在不断地变小。从径向分量图中可以看出，带有正常焊缝与带有缺陷的焊缝在整体上，漏磁通曲线方向相反；同样，随着缺陷尺寸的不断减小，峰值在减小，与此同时缺陷的跨度也在变小。

图7 不同程度缺陷的漏磁通轴向分量特征曲线图

图8 不同程度缺陷的漏磁通径向分量特征曲线图

4 结束语

本文以漏磁检测原理及电磁场仿真理论为基础，应用ANSYS有限元分析法分别对同一管道有缺陷的环焊缝和带有不同无缺陷的环焊缝进行仿真计算，最后可以得出如下结论：当管道环焊缝处存在缺陷时，磁通密度轴向分量特征曲线在整体形状上基本没有变化，但是随着缺陷尺寸的减小，其峰值也在减小；而径向分量的特征曲线图形状则相反，且随着缺陷尺寸的不断减小，其曲线峰的峰值在降低，曲线跨度也在变小。为更加精确地对焊缝判伤提供了理论依据。

[1]梅云新.对东北原油管道安全隐患的几点看法 [J].油气储运， 2007， 26 （8）： 1-4， 61， 64.

[2]王玉梅，郭书平.国外天然气管道事故分析 [J].油气储运， 2000， 19 （7）： 5-10.

[3]汪友生，闫照文.ANSYS在管道漏磁检测中的应用 [J].测控技术，2005，24（7）：24-26.

[4]AMINEH R K.Characterization of surface breaking cracks using one tangential component of magnetic leakage field[J].Submitted to IEEE Trans.Magnetics， 2007， 10(15):2-8.

[5]贲安然，武新军.基于三维有限元的平型钢丝拉索断丝漏磁场仿真 [J].无损检测，2011， （6）：10-13.

[6]白葳，喻海良.通用有限元分析 [M].北京：清华大学出版社，2005：1-5.

[7]BABBAR V，CLAPHAM L.Residual magnetic flux leakage:a possible tool forStudy-ing pipeline defects[J].Nondestructive Evaluation， 2003， 22 （4）： 116-126.