X80鋼管道磁化特性及退磁仿真分析

玄文博，王維斌，賈仕豪，趙 弘，邱紅輝

(1.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引言

國內(nèi)外石油天然氣管道向高鋼級、大口徑、長距離方向發(fā)展。西氣東輸二線等管道工程中已經(jīng)大量使用X80管線鋼，目前X80鋼已成為國內(nèi)天然氣輸送管道主要用鋼[1-3]。然而，由于石油和天然氣具有易燃易爆的特性，輸送管道一旦發(fā)生事故，易導(dǎo)致嚴(yán)重后果[4-5]。因此，為了避免管道事故的發(fā)生，需要對管道進(jìn)行定期檢測，對于不滿足服役條件的管道，需要將其更換或維修。由于檢測過程中，管道被磁化至飽和或近飽和狀態(tài)，檢測過后管道上仍會殘留一定的剩磁[6]。在管道換管等維搶修作業(yè)中，管道上的剩磁會導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)電弧磁偏吹現(xiàn)象，容易產(chǎn)生焊接缺陷，從而直接影響焊接質(zhì)量，使管道質(zhì)量下降[7]。因此，在焊接前對X80鋼管道進(jìn)行快速有效的退磁，可提高管道的焊接速度和焊接質(zhì)量，縮短管道維搶修作業(yè)時間[8]。

傳統(tǒng)退磁方法主要分為：直流退磁法、交流退磁法、直流-交流復(fù)合退磁法、居里點熱退磁法及旋轉(zhuǎn)退磁法等[9]?？紤]到X80鋼管道屬于鎳含量高的高等級合金鋼，很容易被磁化[10]，因而X80鋼管道剩磁水平要高于低鋼級管道。目前應(yīng)用的退磁設(shè)備和技術(shù)主要是在離線狀態(tài)下實施退磁作業(yè)，且大部分通過電源加載來實現(xiàn)。本文通過試驗獲取了X80鋼的B-H曲線，并利用Maxwell軟件對X80鋼磁化特性及實現(xiàn)快速退磁的方法開展研究，為后期X80鋼管道的退磁技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 管道磁化特性分析

在外加磁場的作用下，X80鋼的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對于原本沒有磁性的X80鋼，這一過程就是磁化，而對于原本就具有磁性的X80鋼，通過對于外加磁場的控制，可以使X80鋼的磁疇再次被打亂，從而減小X80鋼本身的磁性，這一過程就是X80鋼鐵磁材料的退磁。當(dāng)外加磁場撤掉后，X80鋼材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度會減小到與X80鋼材料的內(nèi)部磁場強(qiáng)度相等，這一磁感應(yīng)強(qiáng)度被稱為剩磁。如果繼續(xù)給X80鋼材料施加反向的磁場，X80鋼材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度會繼續(xù)減小，直到外加磁場減小到某一特定值時，X80鋼材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小為0，此時的外部磁場強(qiáng)度稱為X80鋼材料的矯頑力，繼續(xù)增大反向的外部磁場，X80鋼材料就會進(jìn)行反向磁化。

X80鋼的磁化特性曲線，是由X80鋼材料本身所決定的，因此，本文采用BKT-4500振動樣品磁強(qiáng)計進(jìn)行測試實驗，測試設(shè)備如圖1所示，樣本選擇10 mm×10 mm×1 mm的X80鋼薄膜，測得X80鋼的磁化特性曲線(B-H曲線)如圖2所示。

圖1 BKT-4500振動樣品磁強(qiáng)計

圖2 X80鋼B-H曲線

2 仿真分析

2.1 仿真軟件

目前常用的磁場有限元分析軟件主要有Maxwell、ABAQUS、MAGSOFT、COMSOL等。其中，Maxwell能夠針對電磁場、靜態(tài)磁場、動態(tài)磁場等進(jìn)行模擬仿真，與其他有限元仿真軟件相比，主要有以下優(yōu)點：數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)；用戶建模界面直觀，模型繪制方法簡單方便；可以通過輸入B-H曲線的方法自行添加材料；網(wǎng)格劃分簡單精確，可以對網(wǎng)格進(jìn)行手動剖分；求解器設(shè)置步驟簡單，根據(jù)實際情況選擇合適的計算模塊，可以節(jié)省計算時間，提高效率。

2.2 永磁鐵退磁磁路分析

現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為：從微觀角度來看，分子電流磁矩主要可分為軌道磁矩和自旋磁矩2種，軌道磁矩是由于電子繞原子核運動形成的，而自旋磁矩則是由于電子自旋形成的[11]。在磁介質(zhì)均勻的情況下，分子環(huán)流的回繞方向相同，而介質(zhì)內(nèi)部任何2個相鄰的分子環(huán)流中的電流元方向總是彼此相反的，只有橫截面邊緣上的電流元沒有抵消。因此，從宏觀角度來看，橫截面內(nèi)所有分子環(huán)流作用總和與沿截面邊的一個大環(huán)形電流的作用效果相同。

設(shè)永磁鐵的尺寸為a×b×h，單位均為mm，在永磁鐵上建立坐標(biāo)系，如圖3所示，磁化方向為沿樣板最長邊方向。因此，永磁體外部空間中任一點P的磁場可以等效為永磁體表面閉合電流環(huán)路A-B-C-D-A所激發(fā)的磁場。永磁體的三維磁場分布Hx、Hy和Hz的解析式為：

圖3 鋼板永磁鐵分子環(huán)流模型

(1)

Γ(y,a-x,z)+Γ(y,x,z)]

(2)

Hz=k[-Ψ(b-y,a-x,z)-Ψ(y,a-x,z)-
Ψ(a-x,b-y,z)-Ψ(x,b-y,z)-
Ψ(b-y,x,z)-Ψ(y,x,z)-
Ψ(a-x,y,z)-Ψ(x,y,z)]

(3)

輔助函數(shù)Γ、Ψ表達(dá)式如下：

(4)

(5)

2.3 X80管道樣板磁化仿真

使用Maxwell軟件建立線圈激勵實體模型，如圖4所示。該模型主要包括模擬線圈和X80管道樣板。將線圈材料設(shè)置為銅，通過輸入B-H曲線將管道樣板材料設(shè)置為X80鋼，樣板尺寸為220 mm×110 mm×

圖4 管道樣板磁化模型

21.4 mm。

設(shè)置磁化線圈為1 500匝，施加電流為3.3 A，經(jīng)過磁化仿真后，X80鋼管道樣板的磁場靜態(tài)云圖如圖5所示。從圖5中可以看出，靜態(tài)磁化后，管道樣板左側(cè)和右側(cè)邊緣(圖中方框所示位置)磁場數(shù)值略小，上側(cè)和下側(cè)邊緣(圖中圓框所示位置)磁場數(shù)值略大，整體來看，樣板表面磁感應(yīng)強(qiáng)度均在8.3～8.6 mT之間，表面磁場分布較均勻。

圖5 管道樣板磁化仿真云圖

2.4 X80管道樣板動態(tài)退磁仿真

X80鋼管道樣板退磁裝置的仿真模型包括永磁鐵、軛鐵和X80管道樣板，如圖6所示。選用不同組數(shù)的永磁鐵作為退磁裝置的磁場源，其中單個磁鐵的尺寸為60 mm×20 mm×10 mm，磁極在2個最大面的正中心，1個、2個和3個磁鐵疊加后磁極正對位置的磁場強(qiáng)度分別約為25、45、65 mT。外部激勵源為1 500匝線圈，電流3.3 A，設(shè)置試驗管道樣板與永磁鐵距離為20 mm，將外部激勵源和退磁裝置放置于X80鋼管道樣板的上方，設(shè)置管道樣板為運動部件，磁化線圈和退磁裝置為靜止部件，管道樣板以0.5 m/s的運行速度先后經(jīng)過磁化線圈和退磁裝置，完成磁化和退磁，運動方向平行于磁化線圈和退磁裝置，運行長度為3.5 m，迭代步長為0.5 s。

圖6 X80管道樣板退磁裝置仿真模型

圖7～圖9給出了不同組數(shù)永磁鐵的動態(tài)退磁仿真結(jié)果。從圖中可以看出，管道樣板表面的磁場分布云圖均呈現(xiàn)兩側(cè)邊緣大(圖中方框所示位置)、中間區(qū)域小的分布規(guī)律。管道經(jīng)磁化后，在外加磁場的作用下，材料的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，管道中間區(qū)域的磁疇相互抵消，使得中間區(qū)域的磁場較小，而管道邊緣處的磁疇不能相互抵消，因而邊緣處的磁場較大。采用1組永磁鐵(圖7)進(jìn)行退磁時，退磁后樣板左側(cè)邊緣磁場下降，右側(cè)邊緣磁場反而增大，未起到退磁效果，說明采用較低的磁場強(qiáng)度進(jìn)行退磁時，退磁效果較差。采用2組永磁鐵(圖8)和3組永磁鐵(圖9)進(jìn)行退磁時，退磁前后樣板邊緣和中間區(qū)域磁場下降較明顯，說明退磁強(qiáng)度增大后，退磁效果明顯提升。

(a)退磁前磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

(a)退磁前磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

(a)退磁前磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

為了進(jìn)一步分析不同工況的退磁效果，選用退磁前后樣板左右兩側(cè)邊緣峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況來表征退磁率，如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

式中：η為退磁率，%；η1為樣板左側(cè)邊緣退磁率，%；η2為樣板右側(cè)邊緣退磁率，%；Β前為退磁前樣板邊緣磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值，mT；Β后為退磁后樣板邊緣磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值，mT。

改變管道樣板的運行速度和磁鐵的個數(shù)，得到不同參數(shù)組合下的退磁率，如表1所示。

表1 磁鐵個數(shù)、退磁速度與退磁率的關(guān)系

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著退磁裝置磁鐵個數(shù)的增加，即隨著退磁強(qiáng)度增加，退磁率有明顯提升，即采用3組磁鐵進(jìn)行退磁時，退磁效果要明顯好于其他工況。采用1組磁鐵進(jìn)行退磁時，結(jié)合圖7仿真結(jié)果可以看出，由于退磁后右側(cè)邊緣峰值增大，未起到退磁效果，因而退磁率為負(fù)值?？傮w來看，退磁效果與退磁強(qiáng)度存在相關(guān)性。

采用相同的退磁強(qiáng)度進(jìn)行退磁時，結(jié)合表1數(shù)據(jù)和3組磁鐵在0.1 m/s和0.5 m/s速度下的退磁仿真結(jié)果(圖9和圖10)可以看出，采用0.1 m/s或0.5 m/s的退磁速度，退磁率沒有明顯變化，說明退磁速度對退磁效果影響不大。

(a)退磁前磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用相同尺寸的X80管道樣板進(jìn)行動態(tài)退磁試驗，選擇樣板水平中心線作為數(shù)據(jù)采集路徑提取退磁前后的仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以2組磁鐵在0.5 m/s速度下退磁為例，如圖11所示，退磁試驗獲取的管道樣板磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)邊緣大、中間小的分布規(guī)律，與退磁仿真獲取的曲線規(guī)律一致，驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(a)試驗結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過試驗獲取了X80鋼的磁化特性曲線，分析了X80鋼的磁化和退磁現(xiàn)象，針對永磁鐵退磁的磁路進(jìn)行了理論解析。采用Maxwell仿真軟件對X80管道樣板進(jìn)行了靜態(tài)磁化和動態(tài)退磁仿真，靜態(tài)磁化結(jié)果較均勻，建立了退磁率的表征公式，永磁鐵對X80管道樣板在線退磁的效果與退磁強(qiáng)度存在一定的關(guān)聯(lián)性，受退磁速度影響不大。隨著退磁強(qiáng)度增大，退磁效果明顯提升。