漏磁管道内检测器速度效应的理论研究

许璐璐 王 嘉 姜福锟

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110870)

随着经济的发展，能源运输对国家经济的影响显得尤为重要。由于管道输送具有成本低、节省能源、安全性高及供给稳定等优点，管道运输在世界范围内迅速发展，已成为现代社会不可缺少的组成部分[1]。管道是现行的五大运输工具之一，其在运送液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势，尤其在石油化工及天然气运输等产业中具有不可替代的作用[2]。据估算，现在世界上的石油和天然气资源至少能够维持到2050年，在这些宝贵资源耗尽前，管道将一直是最重要、最可靠的石油和天然气资源的传输介质。

1 漏磁管道内检测器的基本原理

1.1 磁学理论研究

技术磁化阐述的是关于铁磁质在整个磁化过程中磁化行为的机理，即阐明了在外磁场作用下，磁畴是通过何种机制逐渐趋向外磁场方向的[2]。技术磁化的过程可分为三个阶段：起始磁化阶段，急剧磁化阶段以及缓慢磁化并趋于磁饱和阶段。

在磁化过程中，必须要损耗一部分能量。磁化强度的运动方向，处在磁化强度和阻尼力矩的矢量积方向上，最后使渐渐地平行于的方向。这一关系用数学关系表示为式1。

在磁化过程中，必须要损耗一部分能量。磁化强度的运动方向，处在磁化强度M和阻尼力矩的矢量积方向上，最后使M渐渐地平行于H的方向。这一关系用数学关系表示为式2。

用永磁体磁化时，会出现磁后效现象，即每次磁化都会出现时间的滞后现象[3]。特别是在含有微量的C或N的纯铁材料中，磁后效现象尤为明显。

1.2 涡流效应对漏磁检测的影响

在漏磁检测过程中，漏磁检测装置速度的增加引起磁极附近产生感应涡流，涡流引起的磁场叠加在原有的磁场上，使原有漏磁场发生了改变。在静态下，不考虑速度因素，由MaxweⅡ方程推导出的磁场微分方程：

式中：A→为矢量磁位；为电流密度；μ 为磁导率。

由于在实际在线检测过程中设备是运动的，因此必须考虑速度因素的影响，此时的磁场微分方程变为式4[4]。

在高速检测情况中，方程式4右端的后两项反映了检测速度对检测信号影响[5]。其中方程式4右端第二项体现矢量磁位变化感应的涡流，其大小同矢量磁位变化频率成比例；第三项体现速度感应的涡流，其大小同速度及磁场强度成比例。 这两项直接影响了漏磁检测信号。

2 仿真与结果分析

上个世纪中后期，美国匹兹堡大学教授约翰斯万森博士带领由他创立的美国SASI公司的科研人员，历经多年的苦心研究，最终开发出了在国际上具有重大影响的ANSYS有限元分析软件，并成立了ANSYS公司。ANSYS有限元分析软件具有通用性、开放性、有效性等特点，它的计算方法和技术也具有先进性。ANSYS有限元分析软件的应用领域非常广泛，在石油化工、汽车造船、军工能源、航空航天、生物医学、工程建筑、机械电子等领域都有其应用的空间。ANSYS软件中包含了专门针对电场、磁场、声场、耦合场、流体场等进行分析的功能和算法，其功能相当强大。而且，ANSYS有限元分析软件又拥有了友好的用户界面，除了使用APDL命令编程进行分析，还可以利用界面菜单进行操作，既灵活又方便。

运用ANSYS有限元仿真分析软件建立管道漏磁内检测二维实体模型，如图1所示。

图1 管道漏磁内检测二维实体模型

图1中，最外面的空气模型。油气管道为圆柱形，管道漏磁内检测器也为轴对称的装置。图中上边就是轴对称管道的中轴线位置。在ANSYS有限元分析软件的二维轴对称仿真分析中，设置纵轴为对称轴，因此，将空气模型的上边建立在纵轴上，将左上角点建立在原点上。此时，整个管道漏磁内检测二维实体模型就建立在了平面坐标系的第一象限内。

根据本文管道漏磁内检测二维有限元仿真的实际需要，采用智能网格划分工具对仿真实体模型进行网格划分。设置智能网格划分水平为1，采用最高等级的网格划分，如图2所示，其APDL命令流操作为：smartsize,1。

图2 网格划分

在进行仿真求解计算后，可以通过ANSYS有限元分析软件提供的通用后处理器（General Postproc），来轻松地查看磁力线分布图、磁感应强度矢量图、磁场强度等值彩色云图，还可以通过ANSYS有限元分析软件中的路径操作功能，得到设定好的某条路径上的磁通量密度，并且通过磁通量密度曲线图和磁通量密度数据文件的形式，让用户方便地查看。图3为磁力线分布图。

图3 磁力线分布图

将仿真实体模型半椭圆型缺陷附近所产生的漏磁通在径向上的分量BX，映射到检测路径上就可以得到径向磁通密度曲线。径向磁通密度的值有正有负，符号代表了径向磁通密度的方向，而不是单纯意义上的数值。径向磁通密度曲线具有两个明显的特征：磁通密度峰峰值（最大值与最小值的差）和所对应最大值点与最小值点水平距离的差值。而对于不同几何参数的缺陷模型，磁通密度峰峰值和水平距离的差值是不同的。径向磁通密度曲线图如图4所示。

图4 径向漏磁信号

3 结论

本文利用ANSYS有限元分析软件对90个不同深度和长度的半椭圆型缺陷实体模型进行了仿真分析，提取了90组缺陷处径向磁通密度的特征数据。通过对漏磁检测信号进行分析，可知不同几何参数的缺陷所得到的径向磁通密度的峰峰值和水平距离差值是不同的，它们之间存在着特定的函数关系。

［1］高松巍，郑树林，杨理践.长输管道漏磁内测缺陷识别方法[J].无损检测，2013，1(35):38-41.

［2］Sheng-Gang Dong，Xiao-Yang Wang，Hua Fan.Overview of Energy-Efficient Successive Appro-ximation Analog to Digital Converters[J].JOUR-MAL OF ELECTRONICSCIENCE AND TEC-HNOLOGY，2013，12(4).

［3］冯庆善，倪敬金.裂纹内检测技术应用于管道螺旋焊缝的可行性分析[J].油气储运，2009，28(11):45-46

［4］詹湘琳，李健，张宇,等.用于管道环焊缝缺陷检测的超声相控阵系统[J].仪器仪表学报，2006，27(6).

［5］崔红升，冯庆善，张永盛,等.原油管道螺旋焊缝开裂原因分析[J].油气储运，2012，12(27)：47-48.