水下系泊纜漏磁檢測儀結(jié)構(gòu)設計方法研究

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(中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津 300457)

水下系泊鋼纜是FPSO單點系泊系統(tǒng)的重要組成部分，在油田的整個開發(fā)過程中往往扮演著重要角色，一旦鋼纜出現(xiàn)問題將造成極為嚴重的后果。目前我國南海的FPSO大多采用系泊鋼纜的的系泊方式，以保證單點的安全，但是由于鋼纜長期在水下使用，因此經(jīng)常會出現(xiàn)磨損、斷絲等損傷，特別是臺風過后需要對系泊鋼纜進行全面的無損檢測。本文描述了一種針對于系泊鋼纜研發(fā)的漏磁檢測儀的結(jié)構(gòu)設計方法，設計思路是先根據(jù)基準參數(shù)進行磁路設計，根據(jù)此路設計的結(jié)構(gòu)進行壓力加載校核。這種設計方法對水下漏磁檢測儀的設計趨于成熟具有重要的意義。

1 磁路結(jié)構(gòu)形式

磁化磁路中包括永磁體、銜鐵、鋼纜三大組件。永磁體作為勵磁源，為磁路提供磁動勢，其作用相當于電路中的干電池，只是其供能方式較干電池復雜得多；銜鐵在磁路中起到導磁作用，形成高磁導，低磁阻磁回路，相當于電路中的導線，其自身雖然也具有一定的磁阻，但較其他磁路組件而已非常小；鋼纜是需要進行磁化的目標構(gòu)件，整個磁路的目的就是為了使鋼纜中產(chǎn)生較大的磁感應強度。見圖1[1]。

Ds-鋼絲繩公稱直徑;Ls-兩極靴內(nèi)側(cè)間距;Lm-永磁沿鋼絲繩軸向的長度;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1 漏磁檢測儀磁路結(jié)構(gòu)示意

考慮要檢測137 mm系泊鋼纜，對漏磁檢測儀進行磁路設計，利用Ansoft Maxwell建立參數(shù)化有限元計算模型見圖2。

圖2 磁路有限元模型

2 磁路的參數(shù)化設計

設置邊界條件如下。

鋼纜直徑，137 mm;

計算長度，800 mm;

永磁體參數(shù)，100 mm×80 mm×40 mm;

檢測儀內(nèi)徑，152 mm;

永磁體間距為，180 mm。

鋼纜和銜鐵內(nèi)的磁場強度均處于均勻分布狀態(tài)。在鋼纜中間段存在一段均勻區(qū)域，而銜鐵在靠近永磁體內(nèi)邊緣附近出現(xiàn)磁場集中，類似應力集中現(xiàn)象，見圖3。

圖3 xoz平面磁感應強度分布云圖和矢量圖

條形磁鐵附著在永磁體外表面，其主要作用是形成高磁導、低磁阻的磁回路，即銜鐵是作為輔助構(gòu)件施加于磁路，因此，必須保證銜鐵具有足夠的厚度。但是，厚度增加將導致儀器變得笨重，所以在保證磁路要求的條件下，盡可能減小銜鐵厚度十分必要。條形銜鐵越厚，鋼纜磁化效果越好，這是因為銜鐵越厚，其截面積越大，通過相同的磁通量時，磁感應強度越低，對于的磁導率越大，所以磁阻越小，磁化效果越好[3]，見圖4。

圖4 磁感應強度軸向分布曲線

1)銜鐵厚度影響分析。從軸向分布結(jié)果看，銜鐵厚度基本不影響均勻段長度。但是，隨著銜鐵厚度的增加，磁化效果的增強速度降低，即當銜鐵厚度達到一定程度后，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[4]。

2)永磁體間距影響分析。隨永磁體間距增加，鋼纜磁感應強度略有降低，但降幅較小。這是因為永磁體間距增加后，鋼纜磁化長度增加，磁阻增大，而鋼纜的磁導率較大，所以磁阻增加幅度較小，因而導致磁感應強度略微減小[5]。

3)永磁體厚度影響分析。永磁體厚度增加直接導致永磁體磁動勢增加，使得磁路各部分的磁降勢有所增加，所以磁感應強度有所增大，但是整個磁路的磁通量增量是由磁動勢的增加而驅(qū)動的，其增量值較小，而在截面積不變的條件下，磁感應強度的大小與磁通量成正比，所以鋼纜的磁感應強度增加較小。

隨著永磁體厚度增加，過渡段長度有所減小。永磁體厚度從兩個方面影響過渡段長度[6]。

1)磁動勢增加使得空氣漏磁增大，因而導致過渡段長度增加；

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，從而導致過渡段長度變小。兩個方面共同作用，而計算結(jié)果表明：距離的削弱作用大于磁動勢的增長作用，使得最終的過渡段長度有所減小。

最終通過優(yōu)化，得到磁路參數(shù)的調(diào)整如下。

永磁體尺寸，100 mm×80 mm×45 mm;

檢測儀內(nèi)徑，152 mm;

永磁體間距，190 mm。

3 結(jié)構(gòu)校核計算

通過計算確定了水下系泊鋼纜漏磁檢測儀的磁路結(jié)構(gòu)和尺寸。另外，考慮到檢測電路、密封、加工與安裝等方面的影響，確定檢測儀的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 檢測儀結(jié)構(gòu)

為保證檢測儀在水下對系泊鋼纜進行安全、可靠、無損傷的檢測，必須保證檢測儀具有足夠的強度，本文考慮應用的水深為300 m。

考慮水下風、浪、流的作用載況，運用MSC.Patran對檢測儀進行建模和加載，采用MSC.Nastran進行直接計算，獲得檢測儀在水下作業(yè)過程中的詳細受力狀態(tài)，并采用等效應力校核結(jié)構(gòu)強度。

1)計算模型。磁路部分和檢測部分是儀器的主要功能模塊部件，而安裝在儀器內(nèi)的檢測構(gòu)件——霍爾元件和聚磁環(huán)，尺寸小、重量輕，對檢測儀的結(jié)構(gòu)強度幾乎沒有影響。因此，將整個檢測儀結(jié)構(gòu)分為磁路部分和非磁路部分。利用MSC.Patran對漏磁檢測儀進行建模，磁路部分結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 磁路部分結(jié)構(gòu)

非磁路部分結(jié)構(gòu)包括內(nèi)套筒、蓋板、端部封頭和連接件等構(gòu)件，各構(gòu)件結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 內(nèi)套筒結(jié)構(gòu)

2)有限元模型。計算模型考慮了檢測儀的主體部分，即檢測儀外殼、內(nèi)殼及磁塊。在用MSC.Patran軟件對其進行建模時，盡量使模型與實物保證一致性。忽略連接件、螺紋孔等對結(jié)構(gòu)強度無實質(zhì)影響的附屬構(gòu)件，見圖8。

圖8 漏磁檢測儀有限元模型

模型主要采用六面體單元，用以模擬整個模型。模型尺寸接近10 mm×10 mm×10 mm。模型過渡處均采用規(guī)則單元，使其能得到更真實的應力，見圖8。模型共17 592個單元，26 106個節(jié)點。靜力計算時共74 859個自由度。檢測儀主要由鋼、鋁合金、聚甲醛(高分子材料)和不銹鋼4種材料制成，見表1。

表1 模型材料對照

3)載荷和邊界條件。檢測儀在水下工作時，除受重力作用外，主要受到海水的壓力，受力的區(qū)域為蓋板外表面和套筒內(nèi)表面。

計算考慮為水下300 m的工況。

檢測儀自身的重力按照慣性力施加，重力加速度g=9.81 m/s2。

水壓力pi按下式計算。

pi=ρcghd

式中：海水密度ρc=1.025 t/m3;

ρc——海水密度，取1.025 t/m3;

hd——檢測儀工作深度，取300 m。

計算得pi≈3.02 MPa。水壓力以均布力形式施加于檢測儀外表面及圓孔內(nèi)表面上。

將檢測儀簡化為一根梁，根據(jù)檢測儀在水下工作的特點，可將其簡化為簡支梁。按照梁理論來校核其結(jié)構(gòu)強度。在模型前后端面中和軸處各建立一個獨立點，端面上的節(jié)點之δx、δy、δz、θx、θy、θz的自由度分別與這兩個獨立點相關。 見表2。

表2 詳細邊界條件

4)應力計算結(jié)果。取單元形心處中面應力

進行分析校核，對檢測儀，根據(jù)其材料的不同，分別進行評估，為更直觀表達，將整體結(jié)果一并展示對比。見圖9。

由圖9可見，檢測儀外殼所受應力較大，最大應力所在區(qū)域為銜鐵與外殼相接角隅處，計算結(jié)果較為貼近梁理論結(jié)果。

5)應變計算結(jié)果。取模型外殼與套筒節(jié)點應變，更直觀地了解檢測儀水下作業(yè)的整體狀況。見圖10～12。

從各部件應變云圖可知，檢測儀在水下作業(yè)時，主要受到外部水壓力，整體變形不大，最大變形區(qū)域發(fā)生于外殼空腔區(qū)域。最大變形為1.21 mm，對材料并無直接性的破壞損傷，設計的材料厚度滿足使用的要求。

圖9 檢測儀整體單元形心中面應力云圖

圖10 蓋板應變云圖

圖11 套筒應變云圖

圖12 銜鐵應變云圖

4 強度校核

檢測儀主要由3種材料制成，分別以3種材料的屈服強度為許用應力。對比有限元計算結(jié)果，以許用應力為準繩，對其進行校核，見表3。

由表3知，檢測儀在水下作業(yè)時，3種材料最大應力均未超過其許用值，且安全系數(shù)均超過2，檢測儀強度滿足使用要求。

5 結(jié)論

水下系泊鋼纜漏磁檢測儀的設計需要通過不斷的改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來尋找永磁體磁化性能規(guī)律，得到最優(yōu)化值。通過軟件分析證明了這一點水下系泊鋼纜漏磁檢測儀的設計方法包括了磁路設計、結(jié)構(gòu)設計、軟件計算校核3個過程，是一種先進的檢測儀設計方法，能夠提高漏磁檢測信號的靈敏度，對檢測儀的整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。

基于漏磁技術研制的系泊鋼纜漏磁檢測儀已經(jīng)研制成功，具有準確度高、可靠性強的特點，該儀器已在FPSO111上進行了檢測試驗，驗證了漏磁磁化的規(guī)律和效果，證明了儀器的水下適用性能。

[1] 林其壬，趙佑民.磁路設計原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[2] 武新軍，王俊峰，楊叔子.鋼絲繩無損檢測技術的研究現(xiàn)狀[J].煤炭科學技術，2000(11):22-24.

[3] 楊叔子，康宜華.鋼絲繩斷絲定量檢測原理與技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[4] 左憲章.永磁體漏磁檢測原理及其在無損檢測中的應用[J].電測與儀表，1994，31(11)：16-19.

[5] 丁忠平.無損檢測中的漏磁檢測法原理與實踐[J].電測與儀表，1995，32(6)：15-18.

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