基于有限元分析的便攜式漏磁檢測周向磁化器設(shè)計

趙昆明武新軍沈功田王寶軒

（1. 華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430074）

（2. 中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

基于有限元分析的便攜式漏磁檢測周向磁化器設(shè)計

趙昆明1武新軍1沈功田2王寶軒2

（1. 華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430074）

（2. 中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

對于工業(yè)架空管道檢測，若采用目前廣泛應(yīng)用的軸向磁化漏磁檢測方法，管道規(guī)格繁多造成探頭規(guī)格多樣，不利于現(xiàn)場操作。為解決這一問題，本文提出將周向磁化漏磁檢測應(yīng)用于工業(yè)管道檢測，周向磁化漏磁檢測的核心是磁化器設(shè)計。為優(yōu)化便攜式周向磁化漏磁檢測磁化器設(shè)計，采用三維有限元方法，仿真研究周向磁化下管道磁化場分布特征，分析磁鐵厚度與寬度、銜鐵厚度、磁極間距、磁鐵提離等參數(shù)對管道磁化場分布影響，得到探頭下方管道磁感應(yīng)強度大小及磁化均勻區(qū)域大小隨磁化器幾何尺寸和磁鐵提離的變化規(guī)律，并通過實驗對設(shè)計的磁化器進行驗證，結(jié)果表明通過有限元仿真得到的磁化器滿足檢測要求。

管道 漏磁檢測 周向磁化 磁化器 有限元

工業(yè)管道廣泛應(yīng)用于石油化工企業(yè)，其在長期運行過程中受溫度、介質(zhì)及應(yīng)力的影響，會產(chǎn)生腐蝕和材料劣化[1]。管道腐蝕穿孔、泄漏、爆管等會引發(fā)惡性事故，為避免事故發(fā)生，需要定期對管道進行徹底檢測和評估。在眾多檢測技術(shù)當(dāng)中，管道漏磁檢測技術(shù)是常用的有效手段之一[2-4]。

目前工業(yè)管道漏磁檢測主要采用軸向磁化方式。受提離效應(yīng)影響，軸向磁化漏磁檢測裝置一般采用一種檢測探頭對應(yīng)一種規(guī)格管道，對于長輸管道而言，由于其規(guī)格有限，這種設(shè)計方法是可行的。然而，對于工業(yè)現(xiàn)場大量應(yīng)用的架空管道，由于其規(guī)格繁多，軸向磁化漏磁時會造成檢測探頭規(guī)格眾多，現(xiàn)場操作不便。然而，如果采用漏磁檢測探頭與管道軸線平行即周向磁化方式，則檢測不受管徑變化影響，從而可用一種規(guī)格探頭檢測多種規(guī)格管道。為此，本文提出研制便攜式漏磁檢測周向磁化器，采用周向局部磁化方法對管道進行檢測。由于周向磁化器結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁鐵提離會對磁路結(jié)構(gòu)及管道內(nèi)磁化場分布產(chǎn)生直接影響，因此為使便攜式周向磁化器能夠達(dá)到理想磁化效果，同時減輕磁化器重量，有必要研究磁化器諸結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁鐵提離對管道磁化效果影響。

本文基于ANSYS有限元方法進行研究。首先建立管道周向磁化檢測三維有限元模型，分析管道周向磁化時管道內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布特征，然后以φ219mm×10mm管道為對象研究磁化器諸結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁鐵提離對管道內(nèi)部磁化效果影響，為實際檢測中磁化器結(jié)構(gòu)尺寸和磁鐵提離的選擇提供參考，最后用實驗驗證有限元分析結(jié)果的正確性。研究結(jié)果有助于磁化器結(jié)構(gòu)設(shè)計，在滿足磁化強度的前提下減輕磁化器重量，為便攜式周向磁化漏磁檢測裝置研制提供參考。

1 管道周向磁化漏磁檢測原理分析

目前，根據(jù)磁化方向不同，管道漏磁檢測可分為軸向磁化和周向磁化檢測。如圖1所示，周向磁化方式中，被磁化管道縱截面面積取決于管道長度和管壁厚度，其隨管道長度增加而增大，而軸向磁化方式中，被磁化管道橫截面面積有限。對于管道周向磁化檢測，如圖2所示，在鋼管生產(chǎn)線上多采用探頭旋轉(zhuǎn)、管道直進或探頭固定、管道螺旋推進兩種方式實現(xiàn)檢測。這種檢測方式采用線圈通電磁化，磁化裝置固定不動，磁化能力可通過加大電流不斷增強[5-6]。但對于工業(yè)管道現(xiàn)場檢測，管道是固定的，且不便于使用線圈磁化，因此鋼管生產(chǎn)線上應(yīng)用的周向磁化漏磁檢測方法不適用于工業(yè)管道現(xiàn)場檢測。

圖1 管道周向磁化與軸向磁化的對比

圖2 管道周向磁化與鋼管生產(chǎn)線周向磁化的對比

為此，本文根據(jù)工業(yè)管道缺陷以腐蝕為主[7-8]，對磁化方向不敏感，提出基于周向磁化的工業(yè)管道現(xiàn)場漏磁檢測方法。如圖3所示，在永磁體作用下，磁力線會沿著管壁周向形成磁回路，如果在兩磁極之間的管道上存在腐蝕缺陷，該缺陷就會在管道表面產(chǎn)生漏磁場，通過布置在兩磁極之間的磁敏感元件，如霍爾元件，檢測到該漏磁場就能有效識別并定位管道腐蝕缺陷。對于工業(yè)管道固定工況，將圖示磁化裝置安裝在管道爬行器上，爬行器沿管道進行螺旋掃查即可實現(xiàn)工業(yè)管道漏磁檢測。

圖3 管道周向磁化漏磁檢測原理圖

與儲罐底板漏磁檢測磁化器設(shè)計[9-10]不同，管道周向磁化器尺寸設(shè)計受管道周長限制，其磁化器安裝空間是有限的，同時管道周向磁化受管道形狀影響，磁路較為復(fù)雜。為使管道獲得較好磁化效果同時減輕磁化器重量，有必要通過有限元方法對周向磁化下管道磁化狀態(tài)進行分析。

2 周向磁化下管內(nèi)磁感應(yīng)強度分布特征

根據(jù)圖3所示檢測原理，建立如圖4所示的管道周向磁化三維有限元仿真模型。仿真時選用體積小、重量輕、磁性強的NdFeB52稀土永久磁鐵；選用導(dǎo)磁性好，磁損耗小的工業(yè)純鐵作銜鐵以導(dǎo)通磁路[7]。永磁鐵規(guī)格為120mm×40mm×50mm，磁極間距為60mm，銜鐵厚度為15mm，被磁化管道規(guī)格為φ219mm×10mm，管道長度為600mm，永磁鐵與管道外表面間的提離為5mm。求解完成后，取管體磁化場分布如圖5所示；而圖6為管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt沿管道周向分布的特征曲線，其中管道周向角度θ從67.5o變化到112.5o，涵蓋了45o變化范圍。從圖6可以看出，永磁體下方管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt有一段分布較為均勻的區(qū)域，均勻區(qū)域兩側(cè)Bt逐漸減小。記Btt=Bt,θ=90°，取圖6所示縱坐標(biāo)取值在(0.95~1.05)Btt范圍內(nèi)對應(yīng)的角度范圍為Ψ，定義Ψ與45°的比值為均勻區(qū)域比例T。

圖4 管道周向磁化三維有限元模型

圖5 管體磁化場分布云圖

圖6 管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt沿管道周向分布特征曲線

是漏磁檢測的前提，管道如果沒有被磁化到合適程度，缺陷就很難在其表面形成可被檢出的漏磁場，同時磁化均勻區(qū)域要盡可能大以減小信號噪聲。但由管道周向磁化檢測原理分析可知，若采用同一規(guī)格磁化器將不同規(guī)格管道磁化均勻區(qū)域長度均達(dá)到最大，則磁化器尺寸會很龐大，不方便現(xiàn)場檢測。因此本文采用同一規(guī)格磁化器對多種規(guī)格管道進行局部磁化實現(xiàn)漏磁檢測。

為研究保持磁化器尺寸、磁鐵提離和管壁厚度不變，改變管道直徑進行三維有限元仿真。管道直徑分別取114mm，168mm、219mm、273mm、325mm、356mm、406mm、508mm、610mm。圖7為不同管徑下管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt沿管道周向分布特征曲線。圖8為磁感應(yīng)強度切向分量Btt隨管道直徑的變化規(guī)律。分析圖7與8可知，對于同樣壁厚管道，隨著管徑增加，探頭下方管道表面磁感應(yīng)強度切向分量逐漸增加。因此若以φ219mm×10mm管道為研究對象進行磁化器設(shè)計，得到滿足檢測要求的磁化器尺寸和磁鐵提離，則該磁化器同樣滿足壁厚為10mm、直徑大于φ219mm管道檢測要求。

圖7 管道直徑對管壁周向磁化場分布的影響

圖8 管道直徑對Btt的影響

3 磁化器規(guī)格和磁鐵提離對管壁周向磁化場分布影響

以φ219mm×10mm管道為對象，仿真研究磁化器規(guī)格和磁鐵提離對管壁周向磁化場分布影響，研究因素包括磁鐵厚度與寬度、銜鐵厚度，磁極間距和磁鐵提離，由于影響因素較多，為減少仿真工作量，本文進行磁化器設(shè)計的思路是首先給定一組磁化器規(guī)格和磁鐵提離初始參數(shù)，初始參數(shù)設(shè)定見表1，之后分別觀察磁化器諸結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁鐵提離對管壁周向磁化場分布影響，結(jié)合有限元仿真結(jié)果依次確定各參數(shù)取值，最后給出適合φ219mm×10mm管道漏磁檢測的周向磁化器尺寸和磁鐵提離。

表1 磁化器結(jié)構(gòu)和磁鐵提離初始參數(shù)

3.1 磁鐵厚度對管壁周向磁化場分布影響

設(shè)定磁化器相關(guān)參數(shù)，見表1，改變磁鐵厚度進行仿真。圖9為不同磁鐵厚度下管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt沿管道周向分布特征曲線。圖10為磁感應(yīng)強度Btt和均勻區(qū)域比例T隨磁鐵厚度的變化規(guī)律?？梢姡S著磁鐵厚度增加，磁感應(yīng)強度切向分量Btt逐漸增加，這是由于磁鐵厚度增加，磁勢增強，管道內(nèi)部磁場增強，當(dāng)管道上部磁化飽和后，其內(nèi)部磁場基本不再增加。另外隨著磁鐵厚度增加，均勻區(qū)域比例T先逐漸增加后基本不變，這是由于管道上部磁化飽和后，管道上部磁感應(yīng)強度切向分量分布基本保持不變。綜合磁鐵厚度對管壁周向磁化場分布影響，取磁鐵厚度為50mm。

圖9 磁鐵厚度對管壁周向磁化場分布影響

圖10 磁鐵厚度對Btt和T的影響

3.2 磁鐵寬度對管壁周向磁化場分布影響

設(shè)置磁鐵厚度為50mm，改變磁鐵寬度進行仿真。圖11為不同磁鐵寬度下管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt沿管道周向分布特征曲線。圖12為磁感應(yīng)強度切向分量Btt和均勻區(qū)域比例T隨磁鐵寬度的變化規(guī)律。磁鐵寬度分別取10mm、20mm、30mm、40mm、50mm?？梢?，隨著磁鐵寬度增加，磁感應(yīng)強度切向分量Btt逐漸增加，這是由于磁鐵寬度增加，磁化面積增加，磁化能量增強，管道內(nèi)部磁場增強，當(dāng)管道上部磁化飽和后，內(nèi)部磁場基本不再增加。另外當(dāng)磁鐵寬度增加到40mm，磁感應(yīng)強度切向分量Btt基本不再增加，均勻區(qū)域比例T也基本保持不變，綜合磁鐵寬度對管壁周向磁化場分布影響，取磁鐵寬度為40mm。

圖11 磁鐵寬度對管壁周向磁化場分布影響

圖12 磁鐵寬度對Btt和T的影響

3.3 銜鐵厚度對管壁周向磁化場分布影響

設(shè)置磁鐵厚度為50mm，磁鐵寬度為40mm，改變銜鐵厚度進行仿真。圖13為不同銜鐵厚度下管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt沿管道周向分布特征曲線。圖14為磁感應(yīng)強度切向分量Btt和均勻區(qū)域比例T隨銜鐵厚度的變化規(guī)律。銜鐵厚度分別取6mm、9mm、12mm、15、18mm?？梢?，隨著銜鐵厚度增加，磁感應(yīng)強度切向分量Btt逐漸增加，這是由于銜鐵厚度增加，磁路磁阻減小，在磁勢不變的情況下，管道內(nèi)部磁場增強，當(dāng)管道上部磁化接近飽和后，其內(nèi)部磁場增加緩慢。另外隨著銜鐵厚度增加，均勻區(qū)域比例T先逐漸增加后基本不變，這是由于管道上部磁化飽和后，管道上部磁感應(yīng)切向分量分布基本保持不變。由于銜鐵重量是影響整個磁化器重量的主要因素，為使檢測裝置更加便攜，銜鐵厚度不宜過大，綜合銜鐵厚度對管壁周向磁化場分布影響，取銜鐵厚度為15mm。

圖14 銜鐵厚度對Btt和T的影響

3.4 磁極間距對管壁周向磁化場分布影響

設(shè)置磁鐵厚度為50mm，磁鐵寬度為40mm，銜鐵厚度為15mm，改變磁極間距進行仿真。圖15為不同磁極間距下管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt沿管道周向分布特征曲線。圖16為磁感應(yīng)強度切向分量Btt和均勻區(qū)域比例T隨磁極間距的變化規(guī)律。磁極間距分別取30mm、40mm、50mm、60mm、70mm?？梢?，隨著磁極間距的增加，磁感應(yīng)強度切向分量Btt逐漸減小，均勻區(qū)域比例T則逐漸增加。另一方面，因磁極間距受限于探頭尺寸和永磁鐵封裝尺寸，磁極間距不宜過小。但磁極間距增加會導(dǎo)致銜鐵尺寸增加進而使磁化器重量增加。綜合考慮，確定磁極間距為60mm。

圖15 磁極間距對管壁周向磁化場分布影響

圖16 磁極間距對Btt和T的影響

3.5 磁鐵提離對管壁周向磁化場分布影響

設(shè)置磁鐵厚度為50mm，磁鐵寬度為40mm，銜鐵厚度為15mm，磁極間距為60mm，改變磁鐵提離進行仿真。圖17為不同磁鐵提離下管壁磁感應(yīng)強度切向分量Bt沿管道周向分布特征曲線。圖18為磁感應(yīng)強度切向分量Btt和均勻區(qū)域比例T隨磁鐵提離的變化規(guī)律。磁鐵提離分別取1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm?？梢?，隨著磁鐵提離增加，管道上部磁感應(yīng)強度切向分量Bt逐漸減小，但磁感應(yīng)強度切向分量Btt基本保持不變，均勻區(qū)域比例T則逐漸減小，且在磁鐵提離由5mm增加至6mm時，均勻區(qū)域比例T有較大減小。為使檢測裝置順利通過管道焊縫，且永磁鐵需要封裝以避免受到破壞，磁鐵提離不能過低。結(jié)合磁鐵提離對均勻區(qū)域比例T的影響，確定磁鐵提離為5mm。

圖17 磁鐵提離對管壁周向磁化場分布影響

圖18 磁鐵提離對Btt和T的影響

圖19 φ1.6mm通孔采樣信號

4 實驗驗證

根據(jù)上述有限元分析可知，對于φ219mm× 10mm管道，其磁化器最優(yōu)尺寸為磁鐵厚度50mm、磁鐵寬度40mm、磁極間距60mm，磁鐵提離為5mm。為驗證該磁化器參數(shù)的正確性，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 31212—2014 無損檢測 漏磁檢測 總則》中試件制作要求，在φ219mm×10mm管道加工φ1.6mm通孔，之后采用霍爾元件作為磁敏感元件進行檢測，對標(biāo)樣管進行了50次往返實驗,檢測信號波形變化不大。其中一組典型信號如圖19所示，可看出缺陷往返檢測信號明顯，表明磁化滿足要求。

5 結(jié)論

1）采用同一規(guī)格磁化器對相同壁厚不同直徑管道進行磁化時，隨著管徑增加，探頭下方管道表面磁感應(yīng)強度切向分量逐漸增加。

2) 管道內(nèi)部磁場隨磁鐵厚度和磁鐵寬度增加而增加，隨磁極間距增加而減小。在1mm~6mm范圍內(nèi)，磁鐵提離對管道內(nèi)部磁場影響不大。磁化均勻區(qū)域比例隨磁鐵厚度、銜鐵厚度和磁極間距增加而增加，隨磁鐵提離增加而減小。

3) 在φ219mm×10mm管道上進行缺陷檢測實驗，實驗結(jié)果表明基于有限元分析設(shè)計的磁化器滿足φ1.6mm通孔檢測要求。

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[國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項基金資助項目：2012YQ090175]

Design of Magnetizer for Portable Pipeline Magnetic Flux Leakage Testing under Circumferential Magnetization Based on FEM Analysis

Zhao Kunming1Wu Xinjun1Shen Gongtian2Wang Baoxuan2
(1. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074)
(2. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

The axial magnetization is the main magnetization method nowadays, which means that the probe specification is changed with the change of the industry pipeline specification. It is inconvenient in the field. To solve the problem, the magnetic flux leakage testing based on circumferential magnetization is applied to test of industrial pipelines. The design of the magnetizer is the key of the magnetic flux leakage testing based on circumferential magnetization. In order to optimize it, the distribution of magnetic induction field in pipelines under circumferential magnetization is simulated and studied based on 3D finite element analysis. The influences of magnetizer parameters, such as the thickness and width of the magnet, the thickness of the armature, and the pole spacing, are analyzed; and the correlation curves of magnetic induction below the pipe detection probe and the size of the uniform magnetization region which changing with the magnetizer parameters and the magnets lift-off are obtained. The magnetization designed by the finite element method is verified by experiments, and the experiments show that the magnetizer satisfies detection requirements.

Pipelines Magnetic flux leakage testing Circumferential magnetization Magnetizer Finite element method

X924.2

B

1673-257X(2015)10-0009-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.10.002

趙昆明(1993～),男，碩士，從事磁性無損檢測技術(shù)研究工作。

2015-07-13）