FPSO系泊鋼纜漏磁檢測(cè)儀磁路設(shè)計(jì)

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸貨裝置(floating production storage and offloading),FPSO是全海式油田開(kāi)發(fā)的核心單元，在油田的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中往往扮演著重要角色，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將造成極為嚴(yán)重的后果。目前我國(guó)的FPSO大多采用轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，要保證此類(lèi)FPSO的安全，必須要先保證其單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安全。系泊系統(tǒng)鋼纜是整個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，除了在日常使用中經(jīng)常發(fā)生斷絲和磨損外，在早期的安裝過(guò)程中也經(jīng)常使錨纜受到損傷，這些損傷都使得其強(qiáng)度降低，增大了事故風(fēng)險(xiǎn)。所以如何科學(xué)、準(zhǔn)確地檢測(cè)FPSO系泊鋼纜，具有非常重要的意義。

目前系泊系統(tǒng)鋼纜的檢測(cè)主要采用可視檢驗(yàn)、直徑測(cè)量和內(nèi)部檢驗(yàn)三種方法。前兩種可實(shí)現(xiàn)水下無(wú)損檢測(cè)，但是僅能觀(guān)察表面狀態(tài)，且受海生物的影響，內(nèi)部檢測(cè)屬于破壞性檢測(cè)，不能滿(mǎn)足水下無(wú)損檢測(cè)要求。因此，有必要研發(fā)一套適用于水下環(huán)境的FPSO系泊鋼纜檢測(cè)儀。現(xiàn)行陸用鋼纜無(wú)損檢測(cè)主要采用漏磁法，并開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)了多種型號(hào)的漏磁檢測(cè)儀。但是，陸用鋼纜一般直徑較小，且無(wú)水密保護(hù)裝置。要把漏磁法檢測(cè)應(yīng)用于FPSO系泊鋼纜無(wú)損檢測(cè)必須重新設(shè)計(jì)檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)和尺寸，其中，系泊鋼纜檢測(cè)儀的磁路設(shè)計(jì)是檢測(cè)儀研發(fā)的核心內(nèi)容。

本文應(yīng)用電磁學(xué)有限元分析軟件ANSOFT對(duì)FPSO系泊鋼纜檢測(cè)儀的磁路部分進(jìn)行精細(xì)建模計(jì)算，以減少反復(fù)制作樣機(jī)的過(guò)程，提高設(shè)計(jì)速度和效率。

1 漏磁檢測(cè)原理

從外部向有不連續(xù)性的試塊中施加一定的磁場(chǎng)(見(jiàn)圖1)，當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度低時(shí)，磁力線(xiàn)趨向于繞過(guò)不連續(xù)性在鋼中互相聚緊，而不通過(guò)不連續(xù)性的非磁性區(qū)[1]。這樣，磁通密度在不連續(xù)性區(qū)域的上下部位比左右部位要高，材料表面沒(méi)有明顯的漏磁通，見(jiàn)圖1a)。隨著外部磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，材料內(nèi)部逐漸趨向磁飽和，此時(shí)材料表面開(kāi)始出現(xiàn)漏磁通，見(jiàn)圖1b)。

磁化設(shè)計(jì)的目的在于將檢測(cè)鋼纜磁化到深度飽和區(qū)，使鋼纜內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生漏磁。典型鋼纜深度飽和區(qū)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.75 T附近[2]。

2 初步設(shè)計(jì)

根據(jù)水下系泊鋼纜作業(yè)要求，確定水下系泊鋼纜檢測(cè)儀磁路結(jié)構(gòu)[3]見(jiàn)圖2。

有研究表明，當(dāng)鋼纜直徑超過(guò)20 mm時(shí)，可以用一定數(shù)量，均勻分布在鋼絲繩周向上的塊狀永磁來(lái)替代圖2中的環(huán)形永磁，靠近鋼絲繩表面處用環(huán)形銜鐵連接，這樣并不影響勵(lì)磁效果，而且可以降低勵(lì)磁器的重量。采用等效電路的思想確定磁路構(gòu)件的材料和初始尺寸見(jiàn)表1。

表1 磁路初步尺寸 mm

圖1 不連續(xù)性對(duì)磁通的影響

Ds-鋼絲繩公稱(chēng)直徑;Ls-兩極靴內(nèi)側(cè)間距;Lm-永磁沿鋼絲繩軸向的長(zhǎng)度;Tm-永磁沿鋼絲繩徑向的厚度;S-鋼絲繩表面到銜鐵內(nèi)側(cè)的距離;Tx-銜鐵沿鋼絲繩徑向的厚度;q-永磁與鋼絲繩表面的氣隙。圖2 系泊鋼纜漏磁檢測(cè)儀磁路結(jié)構(gòu)

采用初始尺寸，建立ANSOFT有限元模型，見(jiàn)圖3。

圖3 ANSOFT有限元模型

利用ANSOFT軟件的后處理功能分析磁路參數(shù)。為了觀(guān)測(cè)鋼纜軸向磁場(chǎng)的分布，在檢測(cè)儀中心沿x軸向、xoy平面內(nèi)距離x軸40和68 mm處設(shè)置3條提取線(xiàn)，長(zhǎng)度為永磁體間距。見(jiàn)圖4。

圖4 鋼纜軸向提取線(xiàn)段

重點(diǎn)研究鋼纜軸向磁化效果，3條軸向提取線(xiàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 軸向提取線(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

鋼纜內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度由兩端向中間逐漸增大，達(dá)到一定數(shù)量后在中間一段長(zhǎng)度內(nèi)保持不變，將中間穩(wěn)定段長(zhǎng)度稱(chēng)為均勻段。檢測(cè)要求有一定長(zhǎng)度的均勻段，其具體長(zhǎng)度與缺陷的大小和軸向長(zhǎng)度有關(guān)。從端部到達(dá)穩(wěn)定值之間的區(qū)間稱(chēng)為過(guò)渡段。

通過(guò)軟件計(jì)算鋼纜磁化效果：

工作點(diǎn)，(1.72 T，6 800 A/m);

過(guò)渡段長(zhǎng)度，50 mm;

均勻段長(zhǎng)度，80 mm。

由于工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.72 T，小于1.75 T，因此需要進(jìn)一步調(diào)整磁路尺寸。為此，首先要了解磁路各主要參數(shù)對(duì)磁化效果的影響規(guī)律。

3 優(yōu)化分析

為了使漏磁檢測(cè)儀能滿(mǎn)足使用要求，必須對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整磁路尺寸之前，首先需要了解磁路主要參數(shù)對(duì)磁化效果的影響程度，包括鋼纜直徑、條形銜鐵厚度、永磁體軸向間距和永磁體尺寸。

3.1 鋼纜直徑分析

鋼纜直徑對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響分為兩個(gè)方面。

1)直徑越大，空氣間隙越小，空氣漏磁越小，因而有利于增大磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2)直徑越大，鋼纜截面積越大，達(dá)到相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度所需的磁通量與截面積等比例增大，導(dǎo)致在相同的永磁體磁化作用下，磁化強(qiáng)度減小，起阻礙作用。

兩方面影響互為矛盾，同時(shí)作用。通過(guò)大量計(jì)算表明，在鋼纜直徑達(dá)到110 mm左右時(shí)，由于磁路中其他構(gòu)件的阻礙作用，磁通量的增加變得困難，因此隨著直徑增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低速度加快。見(jiàn)圖6。

圖6 鋼纜直徑對(duì)磁化效果的影響曲線(xiàn)

另外，鋼纜直徑對(duì)均勻段長(zhǎng)度有一定影響，但是影響程度較小。

3.2 條形銜鐵厚度分析

銜鐵厚度的增加，磁化效果的增強(qiáng)速度降低，即當(dāng)銜鐵厚度達(dá)到一定程度后，其磁阻不再是影響磁化效果的主要因素，繼續(xù)增加厚度的作用不大。通過(guò)計(jì)算：銜鐵厚度從48 mm增加到60 mm，厚度增加25%，而磁感應(yīng)強(qiáng)度僅由1.75 T增加到1.78 T，增長(zhǎng)1.7%，明顯不經(jīng)濟(jì)。

通過(guò)計(jì)算表明：銜鐵厚度基本不影響均勻段長(zhǎng)度。

3.3 永磁體軸向間距分析

永磁體軸向間距的增加，使鋼纜磁感應(yīng)強(qiáng)度略有降低，但降幅較小。這是因?yàn)橛来朋w間距增加后，鋼纜磁化長(zhǎng)度增加，磁阻相應(yīng)增大；但是鋼纜的磁導(dǎo)率較大，所以磁阻增加幅度較小，因而導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度略微減小。見(jiàn)圖7。

圖7 永磁體軸向間距對(duì)磁化效果的影響曲線(xiàn)

計(jì)算表明：不同永磁體間距的過(guò)渡段長(zhǎng)度基本相同，在初步設(shè)計(jì)狀態(tài)下為40 mm左右。

3.4 永磁體長(zhǎng)度分析

通過(guò)軟件計(jì)算表明：永磁體長(zhǎng)度增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線(xiàn)呈微凸形，長(zhǎng)度由80 mm增大到120 mm，增長(zhǎng)50%，而磁感應(yīng)強(qiáng)度由1.50 T增長(zhǎng)到1.83 T，增長(zhǎng)22%，有顯著提高。因?yàn)?，永磁體長(zhǎng)度增加，使得通磁截面積增加，雖然永磁體磁動(dòng)勢(shì)略有降低，但磁通量增加，所以鋼纜磁感應(yīng)強(qiáng)度增加。

計(jì)算結(jié)果同時(shí)表明：永磁體長(zhǎng)度對(duì)過(guò)渡段長(zhǎng)度基本沒(méi)有影響。

3.5 永磁體寬度分析

與永磁體長(zhǎng)度類(lèi)似，通過(guò)軟件計(jì)算表明：隨著永磁體寬度增加，鋼纜磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，但當(dāng)寬度大于90 mm以后，增長(zhǎng)速度明顯降低。與永磁體長(zhǎng)度一樣，寬度主要影響永磁體的磁通量，而磁動(dòng)勢(shì)僅略微減小，所以二者的作用相差不大。見(jiàn)圖8。

圖8 永磁體寬度對(duì)磁化效果影響曲線(xiàn)

另外，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明：永磁體寬度越大，過(guò)渡段長(zhǎng)度越小，均勻段長(zhǎng)度相應(yīng)增大。這是因?yàn)?，寬度越大，越接近環(huán)形，則激勵(lì)磁場(chǎng)環(huán)形越均勻，過(guò)渡段長(zhǎng)度因而減小。

3.6 永磁體厚度分析

通過(guò)軟件計(jì)算表明：隨永磁體厚度增加，鋼纜磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎成線(xiàn)性增大，但增長(zhǎng)速度慢。厚度由30 mm增加到60 mm，增長(zhǎng)100%，而鋼纜的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅由1.64 T增長(zhǎng)到1.80 T，增長(zhǎng)9.6%。

永磁體厚度增加，直接導(dǎo)致永磁體磁動(dòng)勢(shì)增加，使得磁路各部分的磁降勢(shì)有所增加，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度有所增大，但是整個(gè)磁路的磁通量增量是由磁動(dòng)勢(shì)的增加而驅(qū)動(dòng)的，其增量值較小，而在截面積不變的條件下，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與磁通量成正比，所以鋼纜的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加較小。

隨著永磁體厚度增加，過(guò)渡段長(zhǎng)度有所減小。永磁體厚度從兩個(gè)方面影響過(guò)渡段長(zhǎng)度。

1)磁動(dòng)勢(shì)增加使得空氣漏磁增大，因而導(dǎo)致過(guò)渡段長(zhǎng)度增加。

2)鋼纜與外面的條形銜鐵距離變大，使得兩者間的漏磁減小，從而導(dǎo)致過(guò)渡段長(zhǎng)度變小。兩個(gè)方面共同作用，而計(jì)算結(jié)果表明：距離的削弱作用大于磁動(dòng)勢(shì)的增長(zhǎng)作用，使得最終的過(guò)渡段長(zhǎng)度有所減小。

優(yōu)化分析結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)分析結(jié)果匯總

注：優(yōu)化分析采用單一變量進(jìn)行，參考尺寸為：鋼纜直徑 137 mm，銜鐵厚度45 mm，永磁體軸向間距180 mm，永磁體尺寸 100 mm×80 mm×40 mm。

4 設(shè)計(jì)調(diào)整及試驗(yàn)結(jié)果

4.1 參數(shù)調(diào)整

根據(jù)上述分析的參數(shù)影響規(guī)律，并考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和儀器的加工、制作限制，調(diào)整磁路參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 調(diào)整后磁路參數(shù) mm

根據(jù)調(diào)整后的設(shè)計(jì)尺寸，建立更精細(xì)有限元計(jì)算模型，見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 非空氣區(qū)域有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖10 空氣區(qū)域有限元計(jì)算網(wǎng)格

通過(guò)精細(xì)計(jì)算獲得：

鋼纜磁化工作點(diǎn)：(7 748 A/m，1.752 8 T);

均勻段長(zhǎng)度：90 mm。

計(jì)算結(jié)果表明，參數(shù)調(diào)整后，設(shè)計(jì)磁路能夠滿(mǎn)足使用要求。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述尺寸制作樣機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)試件：長(zhǎng)5 m、直徑128 mm的單股無(wú)保護(hù)層鋼纜，制作一處斷絲1根的人工斷絲缺陷。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)直接計(jì)算設(shè)計(jì)的漏磁檢測(cè)儀，磁化性能完全能滿(mǎn)足使用要求。

5 結(jié)論

1)由于磁化效果隨鋼纜直徑的減小而增強(qiáng)，所以一個(gè)內(nèi)徑固定的檢測(cè)儀的有效檢測(cè)范圍不是由磁化效果限制的，當(dāng)鋼纜直徑小于檢測(cè)儀的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)直徑時(shí)，其磁化效果較標(biāo)準(zhǔn)直徑時(shí)更強(qiáng)。

2)永磁體長(zhǎng)度和寬度對(duì)磁化效果的影響基本相同，而寬度還能減小過(guò)渡段長(zhǎng)度，所以在增大磁鐵截面積方面應(yīng)該優(yōu)先考慮增大寬度。

3)永磁體的厚度即能增強(qiáng)磁化效果，又能減小過(guò)渡段長(zhǎng)度，但增強(qiáng)效果不顯著，所以在單純?yōu)樘岣叽呕Ч那闆r下，不采用增加永磁體厚度的方法。

4)使用ANSOFT直接計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，可以獲得合理的結(jié)果，滿(mǎn)足使用要求，同時(shí)縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

[1] 張 勇.漏磁檢測(cè)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

[2] 中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì)編.中國(guó)航空材料手冊(cè):結(jié)構(gòu)鋼:不銹鋼[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

[3] 田 軍.鋼絲繩斷絲損傷電磁檢測(cè)原理與技術(shù)研究[D].青島:青島理工大學(xué),2006.