管道漏磁法检测的ANSYS仿真研究

　　石油和天然气是目前的主要能源,其远距离输送主要是通过管道实现的。然而,全世界50%以上的在役管道已经使用了数十年之久,由于腐蚀、机械损伤等原因造成的管道泄漏事故频频发生,严重威胁着油气输送的安全性。因而,定期对管道进行检查,作出安全性评价是非常必要的。

　　按照检测原理可将管道检测装置分为超声波型、涡流型、漏磁型和电磁声型等多种。由于漏磁型检测装置对检测环境的要求很低,可以兼用于输油管道和 输气管道,是目前应用最广泛的管道检测设备。漏磁检测的原理是通过励磁装置给管壁施加稳定的磁场,管壁缺陷处磁阻增加,造成缺陷附近空间中的漏磁场发生畸 变,通过检测管壁附近漏磁场的变化情况,即可判别是否存在缺陷并估算出缺陷的尺寸、深度等几何参量。图1为管道内漏磁检测器的核心部件的示意图。

　　为了能够准确诊断出管壁的腐蚀情况,要将实际测得的漏磁信号与理论值进行比对,这就需要对漏磁场进行理论研究。漏磁场的研究手段可分为磁偶极子 模型的解析法和求解麦克斯韦方程的数值法,磁偶极子模型在解释形状简单的缺陷时是成功的,但对于形状复杂的腐蚀缺陷还存在着一定的局限性,所以需要采用有 限元法进行漏磁场的估算。

　　1　电磁场理论

　　电流密度J在磁导率为μ的介质中形成的稳定磁场H和磁感应强度B之间的关系由麦克斯韦方程组及相应的边界条件确定,即

　　这样就可以利用有限元法对满足式(6)及相应边界条件式(4)的漏磁检测系统中各区域的磁势进行数值计算。

　　有限元法是以变分原理为基础,把一个数理方程的求解问题变成一个泛函求极值的边分问题。在具体求解过程中,又利用了差分法的离散处理的网格思 想,把整个求解空间剖分成有限个小单元,把要求解的函数A在每个小单元上表示成以节点上的函数值Ai为系数的单元基函数的展开式,这样把连续介质中求解连 续函数A的问题离散成求解有限个节点上的函数Ai的问题。于是,利用泛函在整个求解空间取极值,导出以Ai为未知量的联立代数方程,即有限元方程。利用计 算机可以求出n个节点上Ai的值,实现未知函数A的数值计算。

　　大型有限元分析软件ANSYS可以进行结构、热、流体、电磁和声学等学科的有限元分析。它具有独特的多物理场耦合分析优化功能,同时提供了三维 实体建模、有限元网格自动划分、材料特性定义、可视化后处理等功能。采用ANSYS进行管道缺陷的漏磁场分析可以简化求解过程,加快求解速度。

　　2　采用ANSYS仿真缺陷漏磁场