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漏磁檢測永磁鐵磁回路的數學模型研究

發布日期:2017-11-16責任編輯:lgg點擊:

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第 1 章 緒論
 
1.1 課題研究的背景和意義
長距離運輸管道是作為固態、液態物資運輸的特殊載體,是一種點對點地輸送石油、天然氣等城市重要發展資源的運輸方式,是國家經濟發展、連接國家經濟鏈的重要組成部分[1]。管道有著運輸效率高、安全性高、利用率高、成本低等特點,在良好的監督和人工控制下,可以實現資源的長期運輸及運輸工程的自由開啟與關閉。除了廣泛用于石油、天然氣的長距離運輸外,還可運輸煤炭或者礦石資源、建筑材料、特定化學品以及食品等[2]。管道運輸可以及時地對目的地進行成平運輸,減少陸運、空運可能產生的中轉環節,極大減少運輸時間與成本,不過需要在架設管道的地區短距離內進行固定地安全檢查,減少事故的發生[3]。現如今,管道經過多年的發展,其運輸效率不斷提高,包括管道口徑的增大,資源運輸速度的提高;由于各地城市發展迅速,管道的運輸距離也在逐漸增加,這對管道安全的控制提高了更高的要求;而資源的多樣性開發,也大大加大了管道材料抗腐蝕、抗破損的制造難度。我國在目前已建成了大慶到秦皇島以及勝利油田至南京等多條原油管道運輸線[4]。隨著石油、天然氣生產和我國經濟水平的快速提高,管道運輸發展步伐也在不斷加快。近年來,我國長輸管道逐漸老化,管道的安全事故頻繁發生,也推動了我國政府對管道安全的重視,管道內檢測技術也隨之提高。及時、準確地對長距離油氣輸送管道進行內檢測過程,并對發現的安全隱患進行修復或更換管道,既能保證當地生活環境的安全,又能夠幫助國家減少大量的經濟損失,管道內檢測對國家的發展有著十分重要的意義[5-6]。2009 年 12 月 30 日凌晨陜西省華縣中石油地下輸油管道發生泄漏,黃河水流由于渭河的流入形成了污染區域,黃河河南鞏義大橋以西的地區,監測值超標,黃河水在河南省共經過八個城市,其中,鄭州,開封都以黃河水為飲用水源,嚴重影響市區居民的健康;2010 年 7 月 16 日中國東北部港口城市大連兩條輸油管道爆炸,產生沖天大火并持續 15 個小時,導致多個建筑被毀,數千加侖的原油泄漏,這些泄漏原油污染附近地區以及黃海海面;2016 年 12 月 3 日福州古田路地鐵 2 號線水部站施工現場發生煤氣管道泄漏事件,燃氣濃度增加,市民供氣停止,影響了市民生活。表 1.1為美國 1986—2007 年輸氣管道、配氣管道和液體危險品管道發生事故的次數和造成的損失[7]。由表 1.1 可知:在 21 年內,美國天然氣輸送管道、配氣管道和液體危險品管道發生的事故頻繁,并且造成了巨大的財產損失。其中,天然氣輸送管道發生事故對人員生命的威脅更大,配氣管道網而定事故和人員傷亡率均遠比輸氣管道高,而液體危險品管道的事故占到總事故的 43.2%。
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1.2 國內外漏磁檢測技術現狀
漏磁檢測的理論基礎是源于麥克斯韋方程組,早在 1973 年 Maxwell 就總結了前輩科學家已得到的有關電磁學方面的實驗現象和理論結果,經過對多位前輩學者針對電磁學方面的理論,總結提出了麥克斯韋方程組,該方程組幾乎覆蓋了電磁學的所有現象產生的原因,同時奠定了漏磁檢測技術的基礎[19]。1918 年 Hoke 在測量附有缺陷狀態的鋼鐵管道時發現,在缺陷位置存在磁信號,且為規則有序的,在漏磁技術經過 12年的發展后,于 1930 年開始第一次利用漏磁檢測方式進行鐵磁性材料缺陷檢測,1993年 Zuschlug 是第一個提出利用磁敏元件檢測漏磁場的人,之后一直到 1947 年 Hastings針對漏磁檢測模型建立了缺陷漏磁場數學模型,開發了首個漏磁檢測系統,奠定了金屬磁場內部數學模型的理論基礎,該項技術才逐漸受到人們肯定的態度。現如今,隨著各國經濟的快速發展,電子計算機等先進技術發展迅猛,金屬材料包括磁鋼材料的開發利用也使得勵磁源性能更加穩定突出,管道漏磁內檢測技術也隨之不斷完善。2013 年,西方先進國家已經將性能突出的磁鋼材料投入生產作為勵磁材料,其中包括鋁永磁體、鎳鈷永磁鐵以及稀土永磁鐵,各種利用電磁原理進行檢測的檢測設備,其勵磁裝置擁有更多的參數各異的磁鋼材料進行選擇,這使得檢測設備擁有更高的精度、靈敏度以及極大提高分析所得結果的準確性[20-21]。目前,美國的Tuboscope、英國的 BRITISH GAS、美國的 GE-P、德國的 ROSEN 等 MFL 檢測公司的產品可以針對不同類型管道提供專用的檢測儀器,也擁有完善的檢測服務,包括初期的測試與最終的數據分析報告;加拿大負責管道檢測的專業人員 Scott miller.BJ 和Alberta. Calgary 進行了三軸漏磁傳感器技術在特征識別方向上的研究,并于 2006 年利用基于三軸漏磁傳感器技術的檢測工具對管道缺陷進行了識別實驗[22]。K.C.Hari 等印度學者于 2007 年提出了一種簡化的有限元仿真模型,該模型結合了遺傳算法對檢測試件內表面缺陷形狀進行重構,從而使得反演計算時間加快。Reza Khalaj Amineh 等加拿大學者于 2008 年有提出了一種新的構思,引入漏磁信號的切向分量,用于描述表面裂紋缺陷的方向、長度和深度[23];2012 年,印度的 B.P.C.Rao 和 T.Jayakumar 等人在漏磁檢測實驗室中進行了磁偶極子的識別和定位以確定缺陷的存在和結構,并且已經建立對應微觀數學模型并有效的尋找缺陷的位置以及誤差的判斷[24];韓國釜山國立大學的 Hui Min Kim 利用三維有限元法對軸向定向裂紋的檢測進行了研究[25];印度Jackson Daniel 等人利用神經網絡和小波變換分析漏磁檢測中缺陷特征[26]。
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第 2 章 漏磁檢測理論介紹
 
2.1 漏磁檢測磁學基礎
2.1.1 永磁鐵相關理論
(1)永磁鐵的分類
永磁鐵按材料分類分為:合金永磁材料和鐵氧體永磁材料。合金永磁材料包括稀土永磁材料、釤鈷、鋁鎳鈷。按生產工藝不同分為:燒結鐵氧體、粘結鐵氧體、注塑鐵氧體。這三種工藝依據磁晶的取向不同又各分為等方性和異方性磁體。上述幾種材料的永磁鐵在社會生產中得到廣泛使用,經過多年的磁鋼材料發展,部分材料由于其特性原因不適合投產使用,如銅鎳鐵、鐵鈷鉬、鐵鈷釩等。
(2)主流永磁鐵
社會投產較多的磁鋼材料有稀土磁鋼、橡膠磁鋼、燒結磁鋼和鋁鎳鈷材料。經過長時間才材料特性檢測與深度開發,稀土材料得到廣泛使用,該材料特性在同等使用條件中相較于 1990 年提高了 100 倍,與其它常見磁鋼材料,如鐵氧體等性能均有一定的優勢。利用稀土永磁材料,在工業上各個采用永磁的設備利用上,均得到了開發與進步,使所設計的各種永磁原理設備得到體型減小、性能增加的效果。該材料的開發使用,得到國家的重點關注,利用稀土材料進行設備制造已經達到國際先進水平。稀土永磁材料按生產工藝不同分為以下三種:粘結釹鐵硼、燒結釹鐵硼、注塑釹鐵硼。
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2.2 漏磁檢測原理
當鐵磁性材料被均勻磁化后,其磁感應強度達到漏磁檢測要求(磁飽和或接近磁飽和),若材料表面存在缺陷,磁力線無法順利通過,在缺陷處會發生磁力線畸變,形成漏磁通,其產生的漏磁場如圖 2.3 所示。缺陷漏磁場可以分解為水平分量(軸向分量)Bx和垂直分量(徑向分量)By。水平分量與工件表面平行,垂直分量與工件表面垂直。假設有一矩形缺陷,則在矩形中心漏磁場水平分量有極大值并左右對稱;垂直分量為通過中心點的曲線,漏磁場在缺陷的左邊緣處達到正的最大值,在缺陷的右邊緣達到負的最大值,在缺陷的中心處為零,是關于缺陷中心對稱的,如圖 2.5 所示[46]。漏磁場的理論計算目前主要分為兩種方法,一種是解析法,另外一種是數值法。解析法是對所建立模型進行符合求解條件的方程組求解,所以對所求參數進行符合實際情況的數學模型建立并且添加準確的邊界條件是解析法求解的中心步驟。解析法最早用來對微觀磁現象進行數學建模而逐漸完善的方法,該微觀磁現象進行數學模型建立后可以對各類鐵磁性材料微觀磁化過程進行解釋,即磁偶極子模型,如圖 2.6所示。該模型的建立其中心思想為極性相反的偶極子相互作用產生磁通量,在圖中表示為空間中任一點 P 與兩極子的關系,距離分別為 r1和 r2,密度為-  和+  。
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第 3 章 漏磁檢測永磁鐵磁回路的數學模型建立.............22
3.1 漏磁檢測永磁鐵磁回路的數學模型相關問題.............22
3.2 永磁磁路計算問題研究.........27
3.3 永磁勵磁漏磁檢測器.............30
3.4 永磁勵磁管道缺陷的漏磁檢測流程........31
3.5 本章小結.............32
第 4 章 有限元仿真分析與實驗結果分析.....33
4.1 有限元法的介紹...........33
4.2 Comsol 軟件仿真的研究...... 34
4.3 永磁勵磁鋼板缺陷仿真........36
4.4 永磁勵磁不同幾何參數仿真分析............43
4.5 磁化器與被測鋼板間不同介質特性的仿真分析........54
4.6 永磁勵磁與電磁鐵勵磁的差異性分析....58
4.7 井管漏磁內檢測器軸向勵磁不同勵磁方式研究........71
4.8 本章小結.............77
第 5 章 結論.............78
 
第 4 章 有限元仿真分析與實驗結果分析
 
4.1 有限元法的介紹
有限元分析為數值分析法的一種,利用逐次逼近等方法對真實屋里模型進行仿真計算。此外,可以采用不復雜并且可以互相作用的單元,這樣就能夠將有限個未知量去趨近無限個未知量的非虛擬系統。采用有限元法來進行分析求解,也就是采用簡便的方式代替繁雜的方式之后再進行進一步的推導。這種方法是把所求區域近似是由很多名為有限區域單元的微小互相連接的子區域構成,對各個子域都假設一個恰當的大致結果,之后研究得出計算這個域需要的前提條件如結構的平衡條件,最后推導出該待求問題的結果。但是根據有限元數值分析方式計算出的模型解與真實值是有一定差距的,其根本原因在于有限元法將復雜實際模型進行數學模型建立并簡化該模型進行求解計算。實際上,很多問題很難計算出無誤的結果,然而有限元法除了計算準確高外,還能用在各種復雜形狀的情況中,所以被視為非常實用的工程求解方法。有限元指的是將復雜模型進行離散化處理,每個極小單位經過排列組合構成經過處理的近似實物的模型。經過長時間的技術發展,有限元的定義就已經完成并且很好的將它在實際應用,例如采用有限個直線組成的多邊形來趨近待求圓的周長,在最近一段時間才作為一種在實際問題中應用的方法而被提出。有限元法最早被叫作矩陣近似法,主要在航空器材的結構強度求解方面問題有著很大的應用,逐漸因為它的簡便快捷性、實用高效性和效果很好而得到有關研究方向研究者們的巨大興趣。近年來,隨著國家經濟的快速發展計算機技術也得到不斷完善,利用有限元分析方式配合計算能力出眾、準確性強的計算機系統,可以在短時間內對不同復雜物理場模型進行分析計算。
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結論
 
通過研究漏磁檢測的磁學基礎、檢測原理、磁化方式以及漏磁場相關的理論計算,建立永磁勵磁最簡磁回路的數學模型、電磁鐵勵磁磁回路數學模型,研究討論了永磁勵磁不同幾何參數對勵磁效果的影響;永磁勵磁不同介質材料對勵磁效果的影響;電磁鐵與永磁體勵磁差異性分析。
(1)根據對永磁勵磁漏磁檢測過程進行最簡磁回路的數學模型建立,建立三維模型進行仿真計算,討論鋼板試件的勵磁效果與永磁體高度和有效勵磁面積的關系并進行相關的實驗,得到結論:勵磁源的高增加、勵磁面積不變的情況下,被測鋼板的磁感應強度變化規律與初始情況軸向變化規律相同,永磁體的高不變、勵磁面積增加的條件下,被測鋼板的磁感應強度變化規律與初始情況軸向變化規律相同,在表面剩磁不變的情況下,勵磁面積的改變影響鋼板的勵磁效果,面積越大,勵磁效果越好。
(2)討論在永磁體的工作點及幾何參數不變的情況下,被測鋼板的勵磁效果與鋼板和勵磁源間的介質特性的關系。通過將四種不同介質材料置于鋼板和勵磁源之間進行仿真實驗,得出結論在勵磁過程中,勵磁裝置與鐵磁性材料(管道)之間,可以有部分提離值(空氣層),也可以使用其他非鐵磁性材料作為勵磁裝置,但利用鐵磁性材料會降低勵磁效果。當無鋼刷時,管道中心的磁場強度應比有鋼刷時的磁場強度要強。
(3)利用電磁鐵的相關特性,在仿真過程中保證幾何參數和表面剩磁相同的條件下,利用電磁鐵替代永磁體作為鋼板試件的勵磁源。建立實驗平臺,設計幾何參數完全相同的軛鐵、永磁體、鋼板,對鋼板材料進行勵磁并利用特斯拉計進行磁感應強度的測量。通過對比仿真與實驗的檢測數據,可以得出結論:電磁鐵的參數經過優化選擇后,對鋼板試件進行勵磁,鋼板的磁感應強度分布與永磁體作為勵磁源的的分布情況相同,通過設計合適的電磁鐵勵磁源參數,能夠實現幾何參數完全相同的永磁鐵勵磁的磁化效果,對利用電磁鐵的相關參數計算漏磁檢測磁化裝置的充磁能量有一定的幫助,進而在充磁過程中減少不必要的成本,并利用該結論對井管漏磁內檢測勵磁過程進行仿真與實驗分析,提出一種直流勵磁的方法減少傳統永磁勵磁的弊端。
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參考文獻(略)


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