聚磁结构在换热管漏磁检测三维有限元数值模拟中的应用

聚磁结构在换热管漏磁检测三维有限元数值模拟中的应用 聚磁结构在换热管漏磁检测三维有限元数 值模拟中的应用 聚磁结构在换热管漏磁检测三维有限元数值 模拟中的应用 戴光,崔巍,杨志军 (大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318) 摘要:基于漏磁检测原理,针对铁磁性换热管的特点,利用有限元数值模拟方法,建立换热管漏磁 检测三维有限元模型;针对提高漏磁场径向分量检测灵敏度,设计了2种聚磁结构(环形聚磁结构 和锥形导向聚磁结构).在此结构条件下,分析了漏磁场磁感应强度径向分量随缺陷深度的变化 规律,得到漏磁场相关对比分析曲线.仿真结果表明,采用聚磁结构后,缺陷处测点的磁感应强度 增强,其中锥形导向聚磁结构的聚磁效果更好. 关键词:聚磁;铁磁性换热管;漏磁检测;有限元 中图分类号:TE965;TB115文献标识码:A文章编号:1001—4837(2010}04—0022-05 doi:10.3969/j.issn.1001—4837.2010.04.006 MagneticC0ncentractinginNumericalSimulationof3DFiniteElement ofMagneticFluxLeakageTestingofHeat——exchangeTube DAIGuang,CUIWei,YANGZhi—jun (DaqingPetroleumInstitute,Daqing163318,China) Abstract:Inviewofthecharacteristicsofferromagneticheat—exchangetube,basedontheprincipleof magneticfluxleakage(MFL)testing,usethefiniteelementanalysissoftware,also3Dfiniteel ement method(FEM)modelforMFLtestingofheat— exchangetubewasestablished.Alsodesigntwomagnetic concentractingstructureforsensitivityofincreasingmagneticfluxleakagetesting(ring— shapedmagnetic concentractingandtaperguidingmagneticconcentracting).Alsothelawsareobtainedrepres entingdis- tributionoftheradialcomponentofthemagneticinductiondensitytothechangeofthedepthof crackan— derthetwoabovestructure.Afterthat,thecurvesareobtainedrepresentingdistributionofthe MFLfield. TheoutcomeindicatesthatmagneticconcentractingcanbuildupthedensityofthecrackMFL onthe measurepoint,andtheeffectoftaperguidingmagneticconcentractingisbetter. Keywords:magneticconcentracting;ferromagneticheat— exchangetube;magneticfluxleakagetesting; finiteelementmethod 石化,炼油工业中使用的换热器管子由于长 期处于腐蚀介质和交变应力作用下,很容易产生 腐蚀和磨蚀,造成巨大的经济损失.因此,换热管 的定期检验是保证生产装置安全运行的重要措施 之一.换热管的缺陷检测是无损检测人员一直研 究的课题.漏磁检测具有较高检测灵敏度与可靠 第27卷第4期压力容器总第209期 性,受被检构件表面状况影响较小,检测缺陷类型 多,检测效率高,可实现缺陷的初步定量,无污染 等优点,目前被广泛用于石油,化工等领域的管 道,储罐腐蚀缺陷的检测.由于无缝换热管外径 一 般小于60mm,且在役换热管一般为管束结构, 需采用从管内进行的内穿式检测方式?J.国内 对漏磁内检测技术应用于换热管的检测鲜有 应用. 文中以有限元数值模拟为手段,建立换热管 漏磁检测三维有限元模型,分析了环形聚磁结构 和锥形导向聚磁结构及无聚磁结构条件下,腐蚀 缺陷深度变化对漏磁场磁感应强度径向分量的影 响,得到漏磁场相关对比分析曲线. 1换热管漏磁检测原理 漏磁检测是一种电磁无损检测方法,它是依 赖于电磁能量与被测件之间的交互作用来实现对 缺陷的检测.漏磁检测的理论依据是铁磁性 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 在外磁场感应作用下被磁化,在其缺陷处形成漏 磁场.换热管漏磁检测基本原理为:换热管管壁 在外加磁场的作用下被磁化,当管中无缺陷时,磁 力线绝大部分通过换热管;当管壁变薄,管内,外 壁局部被磨损,有腐蚀坑,凹坑,通孔等缺陷时,由 于缺陷磁导率远比铁磁性材料的磁导率小,管子 缺陷处的磁阻变大,聚集在管壁的部分磁通向外 扩张,从而使缺陷附近的磁场发生畸变,磁力线发 生弯曲并且有一部分磁力线泄漏出管子表面,形 成缺陷表面局部区域的漏磁场.采用磁敏元件 (传感器)对该区域漏磁场进行检测,通过对漏磁 信号的特征提取来对缺陷进行定性和定量分析. 畸变磁通分为3部分:一部分磁通在材料内 部经过缺陷周围的铁磁材料绕过缺陷;一部分磁 通穿过缺陷;还有一部分磁通则会离开铁磁材料 表面,经过空气或其他介质绕过缺陷,再重新进入 材料.其中溢出部分畸变磁通,即所谓的漏磁通, 也就是磁敏元件能检测到的部分.图1示出二 维磁力线图及局部放大图. 为提高检测灵敏度,可采用聚磁方法.聚磁 结构采用高导磁材料,如工业纯铁,坡莫合金等制 成.聚磁检测原理为:采用聚磁结构收集空间分 布的漏磁场,并将其引导到霍尔元件的检测通路 中,由霍尔元件测量空间漏磁场的一个平均量. 图1二维磁力线图及局部放大图 在这里,聚磁结构起着收集,均化,导向被测漏磁 场的作用.聚磁结构收集空间分布的漏磁场,并 将其引导到霍尔传感器的检测通路中.通过聚磁 后检测到的漏磁场数据幅值将会得到提高,从而 增强检测的灵敏度. 2三维有限元仿真模型 2.1缺陷漏磁场的有限元法的理论公式 缺陷的漏磁场可以通过麦克斯韦方程组和相 应的边界条件给出: V?H=J(1) V?B=0(2) B=uH(3) 式中——磁导率,H/m 日——磁场强度,A/m —— 磁感应强度,Wb/m t,——电流密度,A/m 由于材料的磁特性是非线性的,直接求得上 述式(1),(3)的解析解比较困难,必须列出多个 偏微分方程组.利用有限元法求解可得到较高程 度的近似解J. 2.2三维模型的建立及网格划分 实际换热管缺陷主要是由于腐蚀造成的,由 于实际中的缺陷形状不规则,大小,深度均为不可 预测因素,为便于对缺陷进行定量研究和有限元 分析,将腐蚀坑简化为圆柱体的内壁腐蚀缺陷,建 立缺陷模型. 有限元法是一种计算机的数值模拟方法,在 有限元软件中建立有限元模型的方法有3种:实 体建模法,直接建模法和直接导入计算机辅助设 计系统(CAD)建立模型法.文中采用实体建 模法. 励磁结构中由永磁铁,衔铁,气隙和带缺陷的 管壁组成了一个闭合的磁路.采用有限元分析软 ? 23? CPVT聚磁结构在换热管漏磁检测三维有限元数值模拟中的应用Vo27.NM2010 有限元模型的建立是基于 件进行三维模拟仿真, 漏磁检测原理,根据使被磁化换热管局部达到 80%以上的饱和磁感应强度确定磁化结构.该研 究对外径38mm的换热管内壁上一个直径1.6 mm,深度为管壁厚度60%的圆柱形腐蚀坑进行 有限元模拟分析,其中换热管壁厚3mm,圆柱形 缺陷模型沿管径向方向建立.图2示出漏磁检测 三维有限元模型,其中换热管上半部分与换热管 周围空气均设置为隐藏. 图2三维有限兀模型 换热管漏磁检测三维模型中,被测换热管材 质为20号钢,衔铁采用工业纯铁,磁铁采用N48 稀土材料永磁铁.在有限元分析中,需要对以上 材料的磁特性进行匹配和单元类型的选择.磁铁 的磁特性曲线近似于线性,被测换热管,衔铁的磁 特性曲线是非线性的,需要单独定义其一日曲 线.空气模型的相对磁导率=1.0. 静态磁场的有限元分析方法包括标量势法和 单元边法,文中采用基于单元边法(Edged— basedMethod)的三维静态磁场分析,单元类型为 Solid117,Solid117单元类型每个单元有20个节 点.图3示出三维有限元模型网格划分,其中换 热管上半部分与换热管周围空气网格均设置为 隐藏. 2.3三维模型的求解 网格划分结束,对模型外层空气的界面施加 边界条件.在静磁场分析中,只需设置磁力线平 行边界条件,即狄利克莱边界条件,磁力线垂直边 界条件自然满足.文中选用稀疏矩阵直接求解器 (SpameDirectSolver)对模型进行求解计算.由 于主要关心缺陷附近的漏磁场的分布,为了更直 观地观察缺陷周围磁场参量的变化,将模型沿圆 柱形缺陷母线横断面做截面切片视图.图4,5分 图3三维有限兀模型网格划分 别示出换热管上圆柱形内壁腐蚀缺陷附近漏磁场 磁感应强度分布和磁场强度分布.可看出,缺陷 上下表面的空气中有明显的漏磁场,利用霍尔元 件等磁敏元件可检测到.通过有限元求解计算, 得到换热管内壁含有圆柱形缺陷漏磁场分布,进 而提取相应路径上的磁感应强度分量进行分析. 图4缺陷附近漏磁场磁感应强度分布 图5缺陷附近漏磁场磁场强度分布 3聚磁结构对缺陷漏磁场的影响 3.12种聚磁结构与无聚磁条件下的漏磁场对 比分析 文中设计了2种聚磁结构,即环形聚磁结构 与锥形导向聚磁结构.首先应用二维有限元法进 第27卷第4期压力容器第209期 行分析,在保证其他参数相同的情况下,改变聚磁 结构形状参数,观察计算结果的二维磁力线图,如 图6,7所示.可以看出,采用环形聚磁结构与锥 形导向聚磁结构时,均会使通过传感器的磁力线 增多.为了定量分析2种聚磁结构对缺陷漏磁场 的影响,分别建立三维有限元模型,缺陷尺寸均为 直径1.6mm,深度为管壁厚度60%的圆柱形腐 蚀缺陷,如图8,9所示.通过网格划分,求解计 算,提取2种聚磁结构及无聚磁结构条件下各对 得到2种聚磁结构及 应值路径上的漏磁场分量, 无聚磁结构条件下,提离值为1mm处的仿真数 据.图10示出3种结构条件下,相同缺陷尺寸 (直径1.6mm,深度为管壁厚度60%圆柱缺陷) 的漏磁场磁感应强度径向分量分布.可以看出, 锥形导向聚磁结构条件下的漏磁场磁感应强度径 向分量高于环形聚磁结构条件下的磁感应强度径 向分量.提取磁感应强度径向分量峰值如表1 所示. 图6环形聚磁结构磁力线示意 图7锥形导向聚磁结构磁力线不意 由表1可知,环形聚磁结构条件下与无聚磁 结构条件下磁感应强度径向分量上峰值之比约为 1.4,其径向分量下峰值之比约为1.5;锥形导向 聚磁结构和无聚磁结构磁感应强度径向分量上峰 值之比约为1.8,其径向分量下峰值之比约为1.9. 图8带有环形聚磁结构的三维有限元模型 图9带有导向聚磁结构的三维有限元模型 eo.014 删 O.007 詹 0.000 鳗 _o.007 趣 - 0.014 距离缺陷中心位置的轴向距离(mm) 图1O3种结构条件下磁感应强度径向分量对比曲线 表13种结构条件下磁感应强度径向分量峰值 B(×10T)项目 上峰值下峰值 无聚磁结构模型4.725—4.769 环形聚磁结构模型6.775—6.928 锥形导向聚磁结构模型8.679—8.962 峰值比1:1.434:1.8371:1.453:1.879 从理论分析可知,磁感应强度径向分量的上,下峰 值大小应近似相等.由图10和表1可知,磁感应 强度径向分量分布曲线均不是严格对称的,上,下 峰值间存在微小差异,可能是由于模型分析的参 数条件下受到内部泄漏磁场的影响而引起的,也 有可能是建模和计算误差造成的.不过,这种不 严格对称对分析结果并没有实质性的影响. ? 25? 聚磁结构在换热管漏磁检测三维有限元数值模拟中的应用 3.2缺陷深度变化对2种聚磁结构与无聚磁条 件下的漏磁场影响 为了分析环形聚磁结构和锥形导向聚磁结构 及无聚磁结构条件下,缺陷深度变化对漏磁场的 影响,以换热管上直径为1.6mm,深度分别为换 热管壁厚的20%,40%,60%,80%壁减的圆柱形 腐蚀缺陷为研究对象,针对以上3种结构,分别进 行建模仿真分析,求解计算,提取相应路径上的漏 磁场分量,得到圆柱形缺陷不同深度,提离值为 1mm处的仿真数据.图11示出无聚磁结构条件 下磁感应强度径向分量随缺陷深度变化的分布曲 线,图12示出环形聚磁结构条件下磁感应强度径 图13示出锥 向分量随缺陷深度变化的分布曲线, 形导向聚磁结构条件下磁感应强度径向分量随缺 陷深度变化的分布曲线. 一 嘲 厘 憩 倒 镩 桓 距离缺陷中心位置的轴向距离(1nm) 图11无聚磁条件下缺陷深度对分布的影响 咖IO.012 旧 0.000 暖 餐 挺... 一 4.004.0 距离缺陷中心位置的轴向距离(In/n) 图12环形聚磁结构条件f=缺陷深度对B分布的影响 由图11,13可知,2种聚磁结构及无聚磁条 件下,磁感应强度径向分量均随着腐蚀缺陷深度 的增加而增大.分别提取磁感应强度径向分量峰 值(由于径向分量上,下峰值大小基本相同,提取 上峰值即可),得到以上3种结构条件下,,峰值 随缺陷深度变化的拟合曲线分布图,见图14. . 26. 一 4.004 距离缺陷中心位置的轴向距离(nlm) 图l3导向聚磁结构条件下缺陷深度对B,分布的影响 ,.一 趔 鹫 咖 厦 155085 缺陷深度比) 图143种结构条件下B,峰值与缺陷深度的 关系曲线 通过以上对比分析可知,锥形导向聚磁结构 增加的幅度更大,聚磁效果更好. 4结论 (1)利用有限元分析软件,建立换热管漏磁 检测三维仿真模型,通过网格划分,求解计算,得 到了换热管内壁含有圆柱形缺陷漏磁场分布情 况.模型计算结果的截面云图显示:圆柱缺陷内 部及其上,下方空气中都有明显的漏磁场. (2)采用聚磁结构收集空间分布的漏磁场, 并将其引导到霍尔传感器的检测通路中,可以提 高采集到的漏磁场磁感应强度幅值,从而提高检 测灵敏度. (3)随着腐蚀缺陷深度的增加,2种聚磁结构 条件下(环形聚磁结构和锥形导向聚磁结构)的 其中锥形导向聚磁 磁感应强度径向分量均增大. 结构提高的幅度更大,聚磁效果更好. (4)仿真结果为聚磁结构应(下转第31页) 5O5 1OlOOO OOO 一巴删骥镱趣 第27卷第4期压力容器总第209期 600 3o0 O 01632 时间(h) 图3热处理工艺曲线 结果表明:组对精度满足设计及有关标准的要求, 组装质量优良; (2)球罐的焊接顺序为先纵,后环,先外,后 内,按焊缝数量对称布置焊工,球罐焊后几何尺寸 检查非常理想; (3)球罐在焊接过程中,由于加强了对焊工 的组织管理,并对预热温度,层间温度,焊接 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 及消氢处理等方面进行了严格控制,焊接一次合 格率均达到98%以上,焊接质量良好; 表12球罐产品焊接试板力学性能及冷弯性能 or6(MPa)一50?,AKv(J)侧弯试验 球罐位号焊接位置 要求I>520所有值均/>34d=4a.180. 焊缝:37,40,40立焊5452件合格 执影响.107.117.63 焊缝:34,32,53 KD一8000D横焊5592件合格热影响区 :112,130,122 焊缝:37,30,38平 +仰焊5482件合格热影响区 :198,136,145 (4)从热处理的实践效果看,所采用的热处 理工艺和实施 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是正确的,产品试板力学性能 优良. 参考文献: [1]黄静,陈晓,习天辉,等.一50?用15MnNiNbDR钢 板的开发和试验研究[J].压力容器,2006,24(9):7 — 11. [2]卜华全,方国爱,李云福,等.一50oC15MnNiNbDR 钢制2000m乙烯球罐制造工艺的试验研究[J]. 压力容器,2008,25(7):23—28. 收稿日期:2010—02—09修稿日期:2010—04—24 作者简介:卜华全(1963,),男,主要从事压力容器焊接 工艺研究工作,通讯地址:230031安徽省合肥市长江西路 888号合肥通用机械研究院,E—mail:phqgmfi@163.tom. (上接第26页) 用在换热管漏磁检测中提供了理论依据和参考, 对提高漏磁检测灵敏度具有重要意义. 参考文献 [2] 戴光,崔巍,杨志军,等.基于三维有限元的换热管 缺陷漏磁场数值模拟[J].压力容器,2009,26(8): 21—26. 沈功田.压力容器无损检测—— 李光海,刘时风, 漏磁检测技术[J].无损检测,2004,26(12):638— 642. [3] [4] 杨叔子,康宜华.钢丝绳断丝定量检测原理与技术 [M].北京:国防工业出版社,1995. 戴光,郑慕林,杨志军.组合裂纹漏磁检测有限元分 析[J].化工机械,2007,34(6):337—338. 收稿日期:2010—01—11修稿日期:2010—03—03 作者简介:戴光(1954一),男,教授,系主任,长期从事化 工过程机械和无损检测教学和科研工作,通讯地址: 163318黑龙江省大庆市大庆石油学院机械科学与工程学 院,E—mail:gdai126@126.tom. ? 31?