基于ansys的管道腐蚀缺陷三维仿真分析

基于ansys的管道腐蚀缺陷三维仿真分析

0腐蚀缺陷检测石油和天然气工业行业对带保温层管道的腐蚀检测一直困扰着石化公司的生产，但带保温层管道的腐蚀性在线检测很少。这些检测只能在中断期间进行，这往往会导致大量管道保温层损坏，使维修时间非常紧张。由于未能及时发现问题，一些人留下了安全风险，给国家造成了重大损失。缩短检修时间和及时发现问题已经成为管道腐蚀缺陷检测急需解决的问题。在这种情况下,各种用于工业生产的如超声波探测、射线检测、热成像检测、常规涡流检测以及其他无损检测技术被开始尝试用于带保温层腐蚀缺陷的检测,但这些检测方法由于其局限性而没能推广。而近几年在国外迅速发展起来的脉冲涡流检测技术(PulsedEddyCurrent,PEC),由于具有无接触式测量、表面无需清理和含有很丰富的频谱分量等优点,而成为目前无损检测中的一个研究热点。1局部有限元单元的数值求解ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法是为了对某些工程问题求得近似解的一种数值分析方法。采用有限元法对电磁场进行分析,就是用变分原理或加权余量法,将偏微分方程表征的连续函数的封闭场域划分成许多小区域,对微分形式的控制方程进行离散,导出一个代数方程组。代数方程组具有庞大稀疏对称的系数矩阵,经强加边界条件约束处理后成为正定矩阵,即可求其近似解。有限元方法电磁场分析计算过程是:首先,将整个计算区域离散化,就是将区域用节点和有限元单元表示;其次,对每个有限元单元依次进行局部处理,求得有限元的局部激励矩阵和局部系数矩阵;最后,再将有限元的局部激励矩阵和局部系数矩阵的各个元素相加到整体激励矩阵和整体系数矩阵中,从而形成求解节点势函数值的矩阵方程。再用线性代数的方法对此矩阵方程组加以求解,但是这时计算结果只是近似解。通过单元数目的划分可以解决这个问题,使计算结果与实际情况相符。管道腐蚀缺陷有限元仿真中,电磁场问题属于三维涡流场问题,即求解区域中含有导电材料的似稳电磁场分析。由于有限元法对三维涡流场的求解是电变量和磁变量相互交织的,为了便于求解,需要将电变量和磁变量分离开来,导出分别描述电场和磁场的偏微分方程。20世纪80年代以来,国际电磁场数值计算界对三维涡流场的计算进行了深入的研究,给出了描述涡流场的多种方法,分为以场矢量为变量的直接法和以位函数为变量的直接法。管道腐蚀缺陷的ANSYS有限元仿真中采用了以位函数为变量的间接法,用矢量磁位A¯¯¯A¯和标量电位ϕ来分别描述电场和磁场。结合Maxwell方程组和有限元仿真的边界条件,得到磁场和电场的偏微分方程分别为:∇2A¯¯¯−με∂2A¯¯¯∂t2=−μJ¯(1)∇2ϕ−με∂2ϕ∂t2=−ρε(2)∇2A¯-με∂2A¯∂t2=-μJ¯(1)∇2ϕ-με∂2ϕ∂t2=-ρε(2)ANSYS有限元仿真就是通过对每个有限元单元求解式(1)和(2)的电场和磁场的偏微分方程,得到管道上的电磁场分布和检测线圈上的感应电压。2网格、求解和后处理ANSYS有限元实体模型建模仿真过程包含3个步骤:前处理(包括创建几何模型、定义材料属性、划分网格)、求解(包括加载激励、设定边界条件以及求解)和后处理(查看仿真分析结果和验证结果)。为了使仿真和实际更吻合,仿真采用SOLID97单元建立3D管道腐蚀缺陷几何模型,使用CIRCU124单元施加外电路脉冲方波激励,通过瞬态求解计算,获得检测线圈的感应电压时域信号及缺陷附近电磁场分布。2.1anasas有限元模型在ANSYS有限元仿真中,计算量和计算精度是建模时需要综合考虑的关键问题,而与它们密切相关的是网格数量。所以为了获得合适的网格数量,在建模时要把缺陷周围的管道重新建立一块区域,以便后面的网格划分可以达到一定的计算精度又节省内存空间。同时建模时还要充分考虑激励线圈的电流流向和管道腐蚀缺陷方向,要为矩形激励线圈各不同部分赋予不同的电流方向,这就需要对坐标系进行适当的旋转。为了分析管道上电磁场的分布和检测线圈上的感应电压信号,ANSYS仿真中分别建立了有缺陷和无缺陷两种有限元模型。由于管道具有对称性,为了节省计算量和缩短计算时间,管道建立四分之一模型。ANSYS有限元模型如下所示:管道长为500mm,内、外径分别为50mm、55mm;激励线圈为矩形线圈,长宽高均为45mm;检测线圈为圆柱形线圈,内、外径分别为1mm、3mm,高为4mm;提离(检测线圈底部距管道外表面的距离)为2mm;当有缺陷时,腐蚀缺陷为平底弧形缺陷,位于管道外表面的中间位置,长为10mm,深为4mm。管道腐蚀缺陷有限元模型如图1所示。为了更真实地模拟实际模型的外部环境,需要给图1中的模型包围适当大小的空气域,空气域的大小一般为管道的3~5倍。同时,赋予管道、缺陷、线圈和空气不同的材料特性,使得整个模型符合实际需要。在网格划分时,要在能量密集的区域进行细划分,而在其它区域可适当的进行粗划分,所以要保证检测和激励线圈周围的空气域具有与其他区域空气域不同的精度。在这种情况下,在检测和激励线圈周围另建一层空气域是十分必要的,这样既保证计算精度,又节省计算时间。同时,在充分考虑六面体和四面体网格划分各自优越性的基础上,管道腐蚀缺陷有限元模型采用了六面体和四面体混合的网格划分方法。2.2激励耦合方式为了满足ANSYS有限元仿真中区域必须为封闭区域的条件,给管道腐蚀缺陷有限元仿真模型中空气域的外边界加载了平行边界条件。同时,通过外电路激励耦合的方式为激励线圈加载占空比为1/2,频率为100Hz,幅值为12V的方波。由于模型为四分之一模型,而管道必须满足短路条件,所以需要为管道两侧面加载模拟短路条件。模型加载完成后,还需要为模型定义瞬态分析类型、时间步和子步长,然后使用波前求解器对各个节点和单元的自由度进行求解,在后处理部分就可以观察检测线圈上的感应电压信号及缺陷附近电磁场分布。3模拟结果与分析3.1缺陷对磁场分布的影响通过为模型加载合适的边界条件并求解,得到管道上有缺陷和无缺陷存在时的电磁场分布。根据麦克斯韦电磁感应定律,电磁场遇到缺陷会发生偏转,所以有缺陷存在和无缺陷存在时,电磁场分布会发生明显变化。此时,检测线圈感应电压信号也会发生变化。通过仿真求解,得到管道上表面激励线圈正下方磁场分布如图2所示。图2中箭头方向为磁场方向,不同颜色代表磁场值的不同大小,其中蓝色代表的磁场值最小,红色代表的磁场值最大。根据电磁感应定律,当有缺陷存在时,磁场遇到缺陷会发生偏转,使磁场产生扰动。从图2(a)中可以看出,磁场在缺陷附近发生严重偏转,磁场分布发生很大变化,产生了扰动;且磁场较强部分集中在缺陷边缘附近,而远离缺陷时恢复正常分布。从图2(b)中可以看出,无缺陷存在时,磁场分布为类匀强场;且磁场较强部分集中在管道边缘。管道上表面电流分布如图3所示,从图3(a)可以看出,当有缺陷存在时,电流遇到缺陷发生明显偏转,且在缺陷附近电流值较大,偏转较严重;而在远离缺陷时电流逐渐恢复平行。在图3(b)中,当无缺陷存在时,电流互相平行,没有发生任何偏转,电流场在激励线圈正下方一定范围内均匀分布。3.2出现缺陷时的表现为了对仿真结果进行对比分析,分别建立了无缺陷、缺陷长度为10mm、深度为2mm和缺陷长度为10mm、深度为4mm三种情况下的仿真模型。图4为这3种情况下,检测线圈上的感应电压时域信号波形。其中,横轴为激励时间,由于波形具有对称性,所以只取半周期时间。纵轴为感应电压信号幅值。从图4中可以看出,当有缺陷存在时,电压波形的峰值比无缺陷存在时要大很多。有缺陷存在时,感应电压波形有过零;无缺陷存在时,感应电压波形没有过零。而且缺陷体积越大,感应电压信号峰值也大,深度越深,过零时间越短。从仿真结果中可以看出,通过检测线圈上感应电压的变化,可以检测出管道上腐蚀缺陷的存在;峰