鉆桿漏磁檢測(cè)勵(lì)磁裝置3D磁場(chǎng)的仿真模擬

馬義來(lái)，何仁洋，陳金忠，李春雨

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 壓力管道事業(yè)部, 北京 100029)

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鉆桿漏磁檢測(cè)勵(lì)磁裝置3D磁場(chǎng)的仿真模擬

馬義來(lái)，何仁洋，陳金忠，李春雨

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 壓力管道事業(yè)部, 北京 100029)

漏磁檢測(cè)技術(shù)被認(rèn)為是一種高效率的無(wú)損檢測(cè)方法，已被廣泛應(yīng)用于油田鉆桿的檢測(cè)中。利用ANSYS軟件建立完整的勵(lì)磁裝置組合3D模型，通過(guò)分析計(jì)算實(shí)現(xiàn)鉆桿在完整勵(lì)磁裝置組合下的磁場(chǎng)展示，可以代替物理實(shí)體試驗(yàn),極大地提高了分析效率,減少了分析成本,達(dá)到了預(yù)期的要求，為鉆桿勵(lì)磁裝置及鉆桿的漏磁檢測(cè)提供了理論依據(jù)。

鉆桿；漏磁檢測(cè)；勵(lì)磁裝置；有限元分析

鉆桿屬于薄壁管，在鉆井作業(yè)中承受軸向力、彎矩、離心力、扭矩力以及動(dòng)載作用，工作條件極其惡劣。特別是深井、斜井鉆桿中的微小缺陷可能導(dǎo)致井下鉆具事故。隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，為了提高機(jī)械鉆速，井下動(dòng)力鉆具的使用開始增多，鉆柱轉(zhuǎn)速有所提高，對(duì)鉆桿質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，因此有必要對(duì)鉆桿進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)。

漏磁檢測(cè)技術(shù)被認(rèn)為是一種高效率的無(wú)損檢測(cè)方法，已被廣泛應(yīng)用于油田鉆桿的檢測(cè)中。其中，勵(lì)磁裝置是漏磁檢測(cè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)[1-3]，設(shè)計(jì)合適的勵(lì)磁裝置是實(shí)現(xiàn)鉆桿漏磁檢測(cè)的關(guān)鍵。目前一般采用二維有限元仿真來(lái)模擬勵(lì)磁裝置產(chǎn)生磁場(chǎng)并進(jìn)行分析，該方法雖然有效，但用二維場(chǎng)描述實(shí)際工程問(wèn)題是一種近似方法，計(jì)算結(jié)果存在誤差。筆者采用三維有限元方法進(jìn)行仿真模擬，對(duì)勵(lì)磁裝置實(shí)現(xiàn)了完整建模，再進(jìn)行模擬仿真分析，為鉆桿檢測(cè)勵(lì)磁裝置的研究提供了理論依據(jù)。

圖1　漏磁檢測(cè)原理示意

漏磁檢測(cè)技術(shù)是從磁粉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，是利用磁現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)鐵磁性材料工件表面及近表面缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法[4]，漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。

如圖1所示鉆桿在外加磁場(chǎng)的作用下被磁化，若鉆桿中無(wú)缺陷，磁力線絕大部分會(huì)通過(guò)鐵磁性材料，并在鉆桿內(nèi)部呈均勻分布，在鉆桿外部有少量的漏磁場(chǎng)；若鉆桿表面及近表面存在缺陷(如裂紋、腐蝕坑或腐蝕孔)，由于鉆桿中缺陷的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁性材料小，缺陷處磁阻增大，從而使通過(guò)該區(qū)域的磁場(chǎng)發(fā)生畸變，磁力線發(fā)生彎曲，一部分磁力線漏出鉆桿表面，在缺陷部位形成漏磁場(chǎng)。采用霍爾元件傳感器檢測(cè)缺陷漏磁場(chǎng)，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行處理，可以得到缺陷的信息。

2　勵(lì)磁裝置有限元模型

模型的建立是實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁裝置仿真分析的關(guān)鍵，有別于傳統(tǒng)建模方法中的二維建模，筆者采用三維完整建模方法，同時(shí)為了避免建立簡(jiǎn)化模型引起分析片面、誤差較大等情況，建立起相應(yīng)的完整模型，將各種誤差降到最低。

基于圖1建立的勵(lì)磁裝置模型，改進(jìn)了傳統(tǒng)建立單個(gè)勵(lì)磁裝置進(jìn)行仿真的模型方法，通過(guò)建立完整的鉆桿勵(lì)磁裝置組合模型，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁裝置勵(lì)磁效果的完全檢驗(yàn)，完整展現(xiàn)鉆桿在勵(lì)磁裝置組合下的磁場(chǎng)。建立一截鉆桿模型，鉆桿模型由六組勵(lì)磁裝置探頭包裹，實(shí)現(xiàn)鉆桿的完全勵(lì)磁；勵(lì)磁裝置分別由兩塊磁極相反的永磁體和銜鐵構(gòu)成，并和被測(cè)鉆桿組成了一個(gè)閉合的磁路。利用ANSYS軟件建立勵(lì)磁裝置有限元模型，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2　勵(lì)磁裝置模型結(jié)構(gòu)示意

圖3　勵(lì)磁裝置整體仿真結(jié)果

3　有限元仿真及分析

將磁場(chǎng)求解問(wèn)題歸結(jié)為磁矢勢(shì)A的求解。磁矢勢(shì)A定義如下：

(1)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)斯托克斯公式[5-6]可得：

(2)

式中：Φ為磁通量;l為單位長(zhǎng)度;s為單位面積。

這樣，就把B、Φ的計(jì)算變成對(duì)有限元網(wǎng)格每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處磁矢勢(shì)A的計(jì)算。

在漏磁模型中需要定義空氣、磁鐵、磁軛和鉆桿材料的屬性[7]：

(1) 空氣，其磁特性是線性的，定義相對(duì)磁導(dǎo)率為1。

(2) 鉆桿，其材料特性要根據(jù)所選用的管材確定，常用的鉆桿材料有Q235，X52，X60和X70等，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用常用的X52號(hào)鋼。

(3) 磁軛，采用高磁導(dǎo)率的低碳鋼，選St37。

(4) 磁鐵，永磁鐵是通過(guò)磁矯頑力矢量和退磁B-H曲線描述的，不僅要給出磁特性曲線，而且要給出它的磁化方向。大多數(shù)漏磁檢測(cè)中需選用剩磁、矯頑力、靜態(tài)最大磁能積都具有最優(yōu)值的永磁材料Nd-Fe-B型磁鐵作為勵(lì)磁裝置。試驗(yàn)選用釹鐵硼永磁體，型號(hào)為N38。

得到的勵(lì)磁裝置和鉆桿上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和空間磁場(chǎng)強(qiáng)度H的ANSYS仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 (a)、 (b)為勵(lì)磁裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度B的空間分布，圖3(c)、(d)為勵(lì)磁裝置磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，勵(lì)磁裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布都比較均勻，各探頭之間沒(méi)有形成相互干擾，此外勵(lì)磁裝置空間磁場(chǎng)強(qiáng)度H明顯比磁感應(yīng)強(qiáng)度B密集，符合理論分析的結(jié)果。為了更好地對(duì)各單獨(dú)勵(lì)磁裝置的磁場(chǎng)進(jìn)行分析，取模型的中心剖面進(jìn)行觀察，如圖4所示。

圖4 (a)、(b)分別為勵(lì)磁裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布云圖，圖4(c)、(d)分別為勵(lì)磁裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布矢量圖。由圖4(a)可知,鉆桿表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.0 T以上，磁鐵中間部位達(dá)到1.5 T，滿足了鉆桿漏磁檢測(cè)的磁化要求。由圖4(c)、(d)可以發(fā)現(xiàn)，鉆桿在勵(lì)磁裝置的勵(lì)磁效果下形成了很好的磁回路，滿足了設(shè)計(jì)需求。

為了更好地觀察勵(lì)磁裝置中永磁體和銜鐵等部件的磁場(chǎng)情況，分別對(duì)永磁體磁極和銜鐵等部件進(jìn)行了剖面分析，圖5為永磁體磁極剖面分析結(jié)果，圖6為銜鐵中部剖面分析結(jié)果。

其中,圖5(a)、(b)分別為勵(lì)磁裝置中永磁體磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布云圖，圖5(c)、(d)分別為勵(lì)磁裝置中永磁體磁極端面磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布矢量圖。圖6(a)、(b)分別為勵(lì)磁裝置中銜鐵中部磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布云圖，圖6(c)、(d)分別為勵(lì)磁裝置中銜鐵中部磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布矢量圖。

圖4　勵(lì)磁裝置整體橫剖仿真結(jié)果

圖5　永磁體磁極端面仿真結(jié)果

圖6　銜鐵中部仿真結(jié)果

對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H都強(qiáng)于銜鐵，但銜鐵中部剖面的鉆桿的磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B都強(qiáng)于磁極剖面，說(shuō)明鉆桿經(jīng)過(guò)勵(lì)磁裝置磁化后，在勵(lì)磁裝置中部位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H為最強(qiáng)部位，因此可以選這個(gè)位置為放置霍爾傳感器并進(jìn)行缺陷信號(hào)測(cè)取的關(guān)鍵位置。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

利用仿真結(jié)果加工鉆桿檢測(cè)勵(lì)磁裝置，并利用設(shè)置有人工缺陷的外徑為139 mm半實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)鉆桿進(jìn)行測(cè)試。鉆桿全長(zhǎng)140 cm，一端是鉆桿接頭，另一端焊接有吊裝環(huán)，在管體兩端分別制作了寬1 mm深2 mm的窄縫、寬3 mm深1.5 mm和寬3 mm深3 mm的寬縫，并且在溝槽中間沿著鉆桿螺旋一周制作了均勻分布的36個(gè)直徑為φ3 mm的通孔等標(biāo)準(zhǔn)缺陷。模擬檢測(cè)試驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。

試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖8所示，可見在鉆桿溝槽及通孔處有明顯的波形變化，可以很直觀清晰地

圖7　模擬檢測(cè)試驗(yàn)環(huán)境

反應(yīng)缺陷的存在，與仿真結(jié)果具有較好的吻合關(guān)系。試驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)有限元仿真的計(jì)算結(jié)果滿足鉆桿漏磁檢測(cè)勵(lì)磁的要求。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)鉆桿漏磁檢測(cè)勵(lì)磁裝置進(jìn)行仿真是可行的,用有限元軟件建模和仿真計(jì)算基本可以代替物理實(shí)體試驗(yàn),并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明其可極大地提高分析效率,減少分析成本,達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

[1]MA Yi-lai, HE Ren-yang, CHEN Jin-zhong,et al. A method for improving SNR of drill pipe leakage flux testing signals by means of magnetic concentrating effect[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2015,51(9):489-492.

[2]林立,謝新安,劉建華. 鉆機(jī)井口鉆桿漏磁檢測(cè)器機(jī)械系統(tǒng):中國(guó), ZL201010225759.1[P]. 2012-05-23.

[3]馬義來(lái),林立,蔣開文,等. 利用磁屏蔽效應(yīng)改善鉆桿漏磁檢測(cè)信號(hào)信噪比[J]. 無(wú)損檢測(cè),2013,35(3):9-11.

[4]任吉林,林俊明,高春法.電磁檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[5]LI Y, WILSON J,TIAN G Y. Experiment and simulation study of 3D magnetic field sensing for magnetic flux leakage defect characterization[J]. NDT & E Int, 2007,40(3):179-184.

[6]Al-NAEMI F I, HALL J P,MOSES A J.FEM modelling techniques of magnetic flux leakage-type NDT for ferromagnetic plate inspections[J]. J. Magn. Magn. Mater, 2006, 304(2):790-793.

[7]汪友生,張延華.漏磁信號(hào)的有限元分析與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2005,22 (7):185-189.

The 3D Magnetic Field of Excitation Unit of Drill Pipe MFL Testing Based on Analog Simulation

MA Yi-lai, HE Ren-yang, CHEN Jin-zhong, LI Chun-yu

(Pressure Pipeline Division, China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

Magnetic flux leakage is one type of electromagnetic nondestructive testing (NDT) which is widely utilized in the testing the integrity of drill pipe in the field. In this paper, the 3D model of excitation unit is completely built and analyzed by ANSYS software. The magnetic field of drill pipe in the combination of full excitation device is shown by ANSYS software instead of the physic experiments which increases the efficiency tremendously and decreases the cost and achieves the anticipated desire. It is considered that this technique can provide the theoretical basis of drill pipe excitation device and the magnetic flux leakage testing of drill pipe.

Drill pipe; Magnetic flux leakage testing; Excitation unit; Finite element analysis (FEA)

2016-01-02

馬義來(lái)(1987-),男,博士,工程師,主要從事油氣管道及石油井口裝備漏磁無(wú)損檢測(cè)方面的研究工作。

馬義來(lái), E-mail: chantal1314@163.com。

10.11973/wsjc201609007

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0025-04