铁磁性换热管漏磁检测的有限元分析

铁磁性换热管漏磁检测的有限元分析

作为重要的工艺装备，石化和油压机在生产中的运行良好对生产有很大影响。铁磁性换热管应用广泛,其腐蚀是管壳式换热器最主要的失效形式,常因此造成巨大经济损失。因此,换热管的定期检验是保证生产装置安全运行的重要环节。漏磁检测具有检测速度快、受被检构件表面状况影响较小、检测缺陷类型多、针对换热管常见的腐蚀缺陷较为敏感、仪器结构相对简单以及造价低等优点,因而被广泛用于在役设备的腐蚀缺陷检测。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。国内对漏磁内检测技术应用于换热管的检测鲜有应用。在漏磁检测技术中,磁化是实现检测的第1步,它决定着被测对象(如腐蚀缺陷)能否产生足够的可被测量和分辨的磁场信号,同时也影响着检测信号的性能特性和检测装置的结构特性。从磁路结构来看,构成磁路各部分的永磁铁几何参数、磁芯几何参数将影响管壁中的磁感应强度值,从而影响缺陷处漏磁场的大小。在已往的研究工作中,对永磁铁的长度、直径与磁化的关系方面做了较多工作,但对磁芯几何参数改变时对缺陷漏磁场的影响方面所做的工作较少。笔者建立换热管漏磁检测磁化结构三维有限元模型,研究换热管漏磁检测磁化结构中磁芯几何参数(磁芯内径d和中间磁芯长度l)改变时,换热管表面圆柱形缺陷(直径为1.6mm,深度为2.4mm)产生的漏磁场变化情况。1管中无缺陷时的磁力线漏磁检测是利用磁现象来检测铁磁材料工件表面及近表面缺陷的一种无损检测方法。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,若管中无缺陷时,磁力线绝大部分通过换热管;若管壁变薄,管内、外壁局部被磨损,有腐蚀坑、凹坑及通孔等缺陷时,由于缺陷磁导率远比铁磁性材料的磁导率小,缺陷处的磁阻变大,从而使通过该区域的磁场发生畸变,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。2三维三维模拟模型2.1换热管磁化回收过程中的元模型励磁结构中由永磁铁、磁芯、极靴、气隙和带缺陷的管壁组成了一个闭合的磁路。利用有限元分析软件进行三维模拟仿真,有限元模型的建立是基于漏磁检测原理,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。该研究对外径为38mm的换热管上一个圆柱形缺陷(直径为1.6mm,深度为管壁厚度的80%)进行有限元模拟分析,其中换热管壁厚为3mm,圆柱形缺陷模型沿管径向方向建立。图1为三维有限元模型,其中换热管上半部分与换热管周围空气均设置为隐藏。2.2静态磁场的有限元分析方法换热管漏磁检测三维模型中,被测换热管材料为20号钢,外径38mm,壁厚3mm。磁芯和极靴材料均采用工业纯铁,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。永磁铁的磁特性曲线近似于线性,被测换热管、磁芯的磁特性曲线是非线性的,需要单独定义其B-H曲线。磁化结构采用局部永磁铁磁化方式。永磁铁需要定义其矫顽力,矫顽力方向与坐标系相关,因而需要根据永磁铁励磁方向对矫顽力进行定义,图2为两磁极永磁铁矫顽力方向,为径向磁化方式,即永磁铁径向充磁。静态磁场的有限元分析方法包括标量势法和单元边法,笔者采用基于单元边法的(Edged-basedMethod)三维静态磁场分析,单元类型为Solid117,每个单元有20个节点。图3为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。3磁芯几何参数对泄漏磁体的影响3.1磁感应强度分量对磁芯径d的影响换热管漏磁检测装置中,传感器的数据线从磁芯内部的通孔导出,先暂不考虑磁芯内径结构的实际可能性,保证其他参数不变的情况下,换热管上缺陷尺寸均为直径为1.6mm、深度为2.4mm的圆柱形腐蚀缺陷,将磁芯内径d依次取0、4、8、12mm时,分别进行建模仿真分析,计算磁感应强度分量。图4和图5分别为d=0mm和d=8mm的励磁结构网格划分。提取相应路径上的磁感应强度分量,得到不同磁芯内径,提离值为1mm处的仿真数据。图6和图7分别为不同磁芯内径尺寸磁感应强度轴向分量分布图和磁感应强度径向分量分布图。由两图可以看出,磁感应强度轴向分量峰值和径向分量峰值均随磁芯内径d的增加而变小。这主要是由于换热管内部检测空间相对狭小,随着磁芯内径d的增加,即磁芯面积的减小,磁芯容易被磁化至饱和,这会导致大量磁通从磁芯中泄漏出来,从而影响漏磁信号的检测效果。3.2磁芯长度的确定在换热管漏磁检测装置中,由于需要为检测元件提供安装位置,中间磁芯的横截面积在励磁磁路中是最小的,作为励磁磁路的一部分,它的参数对整个检测装置有着很大的影响。因此,中间磁芯的长度选择对漏磁信号也有着很大的影响。保证其他参数不变的基础上,以磁芯直径d均为8mm为例,换热管缺陷尺寸均为直径为1.6mm、深度为2.4mm的圆柱形腐蚀缺陷,改变中间磁芯长度l,分别以50、60、70、80、90mm时进行建模仿真分析。图8为中间磁芯长度l=50mm时的磁化结构网格划分。提取不同中间磁芯长度各对应值路径上的磁感应强度分量,得到不同中间磁芯长度,提离值为1mm处的仿真数据。图9和图10分别为不同中间磁芯长度磁感应强度轴向分量分布图和磁感应强度径向分量分布图。由两图可以看出,随着中间磁芯长度的增加,磁感应强度轴向分量和径向分量峰值并不呈单调变化的趋势:中间磁芯长度从70mm到90mm变化时,随着中间磁芯长度的增加,磁感应强度轴向分量峰值和径向分量峰值均随之减小,这和中间磁芯长度的增加使得整个磁路的长度增大,导致整个磁路中磁阻增加有关;中间磁芯长度从70mm到50mm变化时可以看出,随着中间磁芯长度的减小,磁感应强度轴向分量峰值和径向分量峰值均随之减小。这是因为中间磁芯长度越短,被检测点处磁场受泄漏背底磁场的影响越大,使得漏磁信号的信噪比降低。因此中间磁芯的长度并不是越小越好。对于本文的磁化结构尺寸,中间磁芯长度l=70mm时,缺陷处产生的漏磁通最大。因此,中间磁芯长度即两磁极的间距选择要适当,应保持一定长度以形成一均匀磁化区域。若中间磁芯长度过大,整个磁路中磁阻增加,换热管磁化成近饱和状态需要的能量大、对材料的性能要求高,同时磁极中间难以形成磁力线均匀区,对缺陷的漏磁场分析带来不便;若中间磁芯长度过小,磁场强度过大、磁极之间的均匀区又太小,受背底磁场影响较大,同样对缺陷漏磁信号检测带来不便。因此,针对磁极材料特性、被测换热管材料以及被测换热管管壁厚度等需选择合适的中间磁芯长度。4中间磁芯长度对漏磁通的影响4.1利用有限元软件分析磁芯内径d变化对漏磁场分布的影响。仿真结果表明,磁感应强度轴向分量峰值和径向分量峰值均随磁芯内径d的增加而减小。对于本文的磁化结构尺寸,磁芯内径d=0时,即磁芯横截面积最大时,缺陷处产生的漏磁通最大。4.2利用有限元软件分析中间磁芯长度变化对漏磁场分布的影响,仿真结果表明,随着中间磁芯长度的增加,磁感应强度轴向分量和径向分量峰值并不呈单调变