基于涡流测距的保温管偏心检测有限元仿真分析*

2015-07-04唐东林张文文

机械研究与应用 2015年3期

舒静，唐东林，赵江，王斌，张文文

(1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500;2.新疆克拉玛依市金牛工程建设有限责任公司，新疆克拉玛依 834008)

0 引言

随着原油的长期开采，大庆油田、塔里木油田、新疆油田等各大油田相继进入稠油开采期，对防腐保温管的需求量逐年增加。

保温管主要由防护层、保温层、防腐层以及管道构成［1］。保温管偏心的形成就是由于防护层与钢管不同心而导致横截面上的聚氨酯泡沫保温层的厚度不一致。对于保温管来说，这种现象将使其吸水性能和输送管线的防腐保温性能大为下降。因此，通过对保温管进行偏心检测来提高保温管的使用性能受到了油田公司和保温管生产者的高度重视。

目前，保温管偏心检测使用放置式探头，利用涡流测距原理检测探头端面到被检测管道表面的距离。但对于涡流传感器来说，管道的磁导率、电导率以及探头端面到钢管之间的距离均对检测信号有不同程度的影响。笔者采用有限元方法，利用ANSYS软件对涡流传感器检测保温管的偏心进行仿真分析，分析管道偏心时涡流检测的电磁场磁力线分布、阻抗变化以及被测管道的磁导率、电导率发生变化时，对偏心检测产生的涡流信号的影响。

1 涡流测距原理

如图1［2］所示，涡流传感器检测被测金属导体时，由于电磁感应原理，在导体表面感应产生涡流，而此涡流产生的交变磁场H2与涡流传感器探头线圈中通入交流电后产生的交变磁场H1方向相反，因为磁场H2的反作用，使得线圈中的相位和电流都发生了很大变化。

图1 涡流测距原理图

探头线圈的阻抗变化不但与电涡流效应有关，而且与被测导体的磁导率μ、电导率σ、线圈半径r、激励电流i、频率f以及线圈到被测导体之间的距离x有关。

当被检测导体的磁导率μ、电导率σ、线圈半径r、激励电流i、频率f控制不变时，阻抗仅为探头线圈到被测导体之间距离x的单值函数:

以上就是涡流测距的原理，阻抗Z仅仅随着线圈到被测导体距离的变化而变化，然后将阻抗变化转化为电压或者电流输出，就可测出探头线圈到被测体表面的距离变化。

2 偏心检测有限元分析

在保温管的偏心检测过程中，被检测管道上的涡流传感器探头相互垂直布置，分别检测管道x方向和y方向的距离变化来检测管道的偏心，如图2所示。

图2 涡流传感器检测偏心模型

涡流传感器检测管道偏心模型中，x方向和y方向的探头线圈参数为内径1 mm，外径4.77 mm，高5.1 mm。被测管道的参数为内半径101.5 mm，外半径109.5 mm。

在涡流检测中，试件中感应产生的涡流是不均匀，并呈指数衰减。涡流密度透入试件的有效深度为2.6δ［3］。

在检测时，通入的激励频率f为1000 Hz，被测管道的磁导率 μ 为1.88×10-3H/m，电导率 σ 为7.576 ms/m，由此计算得到的有效深度为0.149 mm，小于壁厚8 mm，满足检测要求。

2.1 几何建模

电涡流传感器检测系统的电磁场问题属于三维涡流场问题，但三维涡流场的模型的建立复杂，计算困难。由于电涡流传感器探头线圈和被测管道为轴对称，根据电磁场的轴对称特性，为了减小模型规模，方便求解，可将模型简化为二维模型来进行分析。由于放置式探头相对于管道的直径很小，因此在仿真分析时，可将管道假设为平板，如图3所示。

(1)定义材料特性在上述模型中，x方向和y方向的探头线圈的几何参数和特性参数是一致的，其特性参数和管道的特性参数见表1。

上述的磁导率都是相对磁导率，空气的相对磁导率为1，真空中的磁导率为:μ0=4π×10-7H/m。

(2)定义单元类型及选项该模型中使用了3种单元类型，带有AZ自由度PLANE53模拟空气，带有AZ和CURR自由度的PLANE53模拟探头线圈，带有AZ和CURR自由度的PLANE53模拟平板。

(3)定义线圈实常数

线圈定义的实常数为:线圈横截面积为9.6135e-6 m2，线圈匝数为 400，填充系数为 0.82。

图3 涡流检测偏心的仿真模型

表1 分析中采用的数据

2.2 划分网格

在划分网格之前把空气、线圈、平板的单元类型及材料属性赋给各自的几何模型，然后再进行网格划分。对探头线圈进行映射网格划分，平板截面设置Smartsize为2进行自由网格划分，其余截面进行自由网格划分，如图4所示。

2.3 加边界条件和载荷

在该模型中，对平面区域的周边施加磁力线平行边界条件，对线圈上所有的节点耦合电流自由度，给其施加电压降载荷，对平板上所有的节点耦合电压自由度，如图5所示。

图4 划分网格

图5 施加边界条件与载荷

2.4 求解

在该模型中给线圈施加的电压降载荷为交变电压，所以分析类型选择谐波分析，并设置输入频率为1 000 Hz。

2.5 后处理

在后处理的过程中，可以得到探头线圈中电感，电阻，磁力线分布图，电流的实部虚部值等。如图6～8所示。求解得到探头线圈中电流的实部值为7.0915 Amp，虚部值为 -1.8361 Amp。

图6 磁力线分布图

图7 探头线圈中的电感(实部)

图8 探头线圈中的电阻(实部)

3 结果比较

3.1 距离变化

管道偏心时，管道表面与探头线圈之间的距离发生变化，也就是模型中的探头线圈与平板之间的距离发生变化。未偏心时，探头线圈到管道表面的距离为4 mm，偏心距离 Δx=0 mm;当偏心后，Δx＞0 mm。通过ANSYS软件对偏心距离Δx=0 mm，Δx=2 mm，Δx=3.5 mm分别进行几何建模、划分网格、加边界条件和载荷、求解，分别得到探头线圈中的电流、线圈电阻以及线圈电感等，如表2所示。

由表2数据可看出，管道偏心后，偏心距离的变化与探头线圈电流的变化成反比，与探头线圈的电感变化成正比。探头线圈的阻抗Z=R+jωL，阻抗的实部是电阻R，虚部是感抗XL=ωL，由表中数据可知，当偏心距离增大时，线圈电感的增大导致线圈阻抗增大，则偏心距离的变化与线圈阻抗的变化成正比。