无忧论文网

搜索
当前位置:无忧论文网 > 期刊资讯 > 教育教学 >
  • 教育教学

漏磁检测永磁铁磁回路的数学模型研究

发布日期:2017-11-16责任编辑:lgg点击:

  • 刊名:
  • 杂志级别:-
  • CN刊号:
  • ISSN刊号:
  • 周期:
第 1 章 绪论
 
1.1 课题研究的背景和意义
长距离运输管道是作为固态、液态物资运输的特殊载体,是一种点对点地输送石油、天然气等城市重要发展资源的运输方式,是国家经济发展、连接国家经济链的重要组成部分[1]。管道有着运输效率高、安全性高、利用率高、成本低等特点,在良好的监督和人工控制下,可以实现资源的长期运输及运输工程的自由开启与关闭。除了广泛用于石油、天然气的长距离运输外,还可运输煤炭或者矿石资源、建筑材料、特定化学品以及食品等[2]。管道运输可以及时地对目的地进行成平运输,减少陆运、空运可能产生的中转环节,极大减少运输时间与成本,不过需要在架设管道的地区短距离内进行固定地安全检查,减少事故的发生[3]。现如今,管道经过多年的发展,其运输效率不断提高,包括管道口径的增大,资源运输速度的提高;由于各地城市发展迅速,管道的运输距离也在逐渐增加,这对管道安全的控制提高了更高的要求;而资源的多样性开发,也大大加大了管道材料抗腐蚀、抗破损的制造难度。我国在目前已建成了大庆到秦皇岛以及胜利油田至南京等多条原油管道运输线[4]。随着石油、天然气生产和我国经济水平的快速提高,管道运输发展步伐也在不断加快。近年来,我国长输管道逐渐老化,管道的安全事故频繁发生,也推动了我国政府对管道安全的重视,管道内检测技术也随之提高。及时、准确地对长距离油气输送管道进行内检测过程,并对发现的安全隐患进行修复或更换管道,既能保证当地生活环境的安全,又能够帮助国家减少大量的经济损失,管道内检测对国家的发展有着十分重要的意义[5-6]。2009 年 12 月 30 日凌晨陕西省华县中石油地下输油管道发生泄漏,黄河水流由于渭河的流入形成了污染区域,黄河河南巩义大桥以西的地区,监测值超标,黄河水在河南省共经过八个城市,其中,郑州,开封都以黄河水为饮用水源,严重影响市区居民的健康;2010 年 7 月 16 日中国东北部港口城市大连两条输油管道爆炸,产生冲天大火并持续 15 个小时,导致多个建筑被毁,数千加仑的原油泄漏,这些泄漏原油污染附近地区以及黄海海面;2016 年 12 月 3 日福州古田路地铁 2 号线水部站施工现场发生煤气管道泄漏事件,燃气浓度增加,市民供气停止,影响了市民生活。表 1.1为美国 1986—2007 年输气管道、配气管道和液体危险品管道发生事故的次数和造成的损失[7]。由表 1.1 可知:在 21 年内,美国天然气输送管道、配气管道和液体危险品管道发生的事故频繁,并且造成了巨大的财产损失。其中,天然气输送管道发生事故对人员生命的威胁更大,配气管道网而定事故和人员伤亡率均远比输气管道高,而液体危险品管道的事故占到总事故的 43.2%。
........
 
1.2 国内外漏磁检测技术现状
漏磁检测的理论基础是源于麦克斯韦方程组,早在 1973 年 Maxwell 就总结了前辈科学家已得到的有关电磁学方面的实验现象和理论结果,经过对多位前辈学者针对电磁学方面的理论,总结提出了麦克斯韦方程组,该方程组几乎覆盖了电磁学的所有现象产生的原因,同时奠定了漏磁检测技术的基础[19]。1918 年 Hoke 在测量附有缺陷状态的钢铁管道时发现,在缺陷位置存在磁信号,且为规则有序的,在漏磁技术经过 12年的发展后,于 1930 年开始第一次利用漏磁检测方式进行铁磁性材料缺陷检测,1993年 Zuschlug 是第一个提出利用磁敏元件检测漏磁场的人,之后一直到 1947 年 Hastings针对漏磁检测模型建立了缺陷漏磁场数学模型,开发了首个漏磁检测系统,奠定了金属磁场内部数学模型的理论基础,该项技术才逐渐受到人们肯定的态度。现如今,随着各国经济的快速发展,电子计算机等先进技术发展迅猛,金属材料包括磁钢材料的开发利用也使得励磁源性能更加稳定突出,管道漏磁内检测技术也随之不断完善。2013 年,西方先进国家已经将性能突出的磁钢材料投入生产作为励磁材料,其中包括铝永磁体、镍钴永磁铁以及稀土永磁铁,各种利用电磁原理进行检测的检测设备,其励磁装置拥有更多的参数各异的磁钢材料进行选择,这使得检测设备拥有更高的精度、灵敏度以及极大提高分析所得结果的准确性[20-21]。目前,美国的Tuboscope、英国的 BRITISH GAS、美国的 GE-P、德国的 ROSEN 等 MFL 检测公司的产品可以针对不同类型管道提供专用的检测仪器,也拥有完善的检测服务,包括初期的测试与最终的数据分析报告;加拿大负责管道检测的专业人员 Scott miller.BJ 和Alberta. Calgary 进行了三轴漏磁传感器技术在特征识别方向上的研究,并于 2006 年利用基于三轴漏磁传感器技术的检测工具对管道缺陷进行了识别实验[22]。K.C.Hari 等印度学者于 2007 年提出了一种简化的有限元仿真模型,该模型结合了遗传算法对检测试件内表面缺陷形状进行重构,从而使得反演计算时间加快。Reza Khalaj Amineh 等加拿大学者于 2008 年有提出了一种新的构思,引入漏磁信号的切向分量,用于描述表面裂纹缺陷的方向、长度和深度[23];2012 年,印度的 B.P.C.Rao 和 T.Jayakumar 等人在漏磁检测实验室中进行了磁偶极子的识别和定位以确定缺陷的存在和结构,并且已经建立对应微观数学模型并有效的寻找缺陷的位置以及误差的判断[24];韩国釜山国立大学的 Hui Min Kim 利用三维有限元法对轴向定向裂纹的检测进行了研究[25];印度Jackson Daniel 等人利用神经网络和小波变换分析漏磁检测中缺陷特征[26]。
..........
 
第 2 章 漏磁检测理论介绍
 
2.1 漏磁检测磁学基础
2.1.1 永磁铁相关理论
(1)永磁铁的分类
永磁铁按材料分类分为:合金永磁材料和铁氧体永磁材料。合金永磁材料包括稀土永磁材料、钐钴、铝镍钴。按生产工艺不同分为:烧结铁氧体、粘结铁氧体、注塑铁氧体。这三种工艺依据磁晶的取向不同又各分为等方性和异方性磁体。上述几种材料的永磁铁在社会生产中得到广泛使用,经过多年的磁钢材料发展,部分材料由于其特性原因不适合投产使用,如铜镍铁、铁钴钼、铁钴钒等。
(2)主流永磁铁
社会投产较多的磁钢材料有稀土磁钢、橡胶磁钢、烧结磁钢和铝镍钴材料。经过长时间才材料特性检测与深度开发,稀土材料得到广泛使用,该材料特性在同等使用条件中相较于 1990 年提高了 100 倍,与其它常见磁钢材料,如铁氧体等性能均有一定的优势。利用稀土永磁材料,在工业上各个采用永磁的设备利用上,均得到了开发与进步,使所设计的各种永磁原理设备得到体型减小、性能增加的效果。该材料的开发使用,得到国家的重点关注,利用稀土材料进行设备制造已经达到国际先进水平。稀土永磁材料按生产工艺不同分为以下三种:粘结钕铁硼、烧结钕铁硼、注塑钕铁硼。
..........
 
2.2 漏磁检测原理
当铁磁性材料被均匀磁化后,其磁感应强度达到漏磁检测要求(磁饱和或接近磁饱和),若材料表面存在缺陷,磁力线无法顺利通过,在缺陷处会发生磁力线畸变,形成漏磁通,其产生的漏磁场如图 2.3 所示。缺陷漏磁场可以分解为水平分量(轴向分量)Bx和垂直分量(径向分量)By。水平分量与工件表面平行,垂直分量与工件表面垂直。假设有一矩形缺陷,则在矩形中心漏磁场水平分量有极大值并左右对称;垂直分量为通过中心点的曲线,漏磁场在缺陷的左边缘处达到正的最大值,在缺陷的右边缘达到负的最大值,在缺陷的中心处为零,是关于缺陷中心对称的,如图 2.5 所示[46]。漏磁场的理论计算目前主要分为两种方法,一种是解析法,另外一种是数值法。解析法是对所建立模型进行符合求解条件的方程组求解,所以对所求参数进行符合实际情况的数学模型建立并且添加准确的边界条件是解析法求解的中心步骤。解析法最早用来对微观磁现象进行数学建模而逐渐完善的方法,该微观磁现象进行数学模型建立后可以对各类铁磁性材料微观磁化过程进行解释,即磁偶极子模型,如图 2.6所示。该模型的建立其中心思想为极性相反的偶极子相互作用产生磁通量,在图中表示为空间中任一点 P 与两极子的关系,距离分别为 r1和 r2,密度为-  和+  。
.........
 
第 3 章 漏磁检测永磁铁磁回路的数学模型建立.............22
3.1 漏磁检测永磁铁磁回路的数学模型相关问题.............22
3.2 永磁磁路计算问题研究.........27
3.3 永磁励磁漏磁检测器.............30
3.4 永磁励磁管道缺陷的漏磁检测流程........31
3.5 本章小结.............32
第 4 章 有限元仿真分析与实验结果分析.....33
4.1 有限元法的介绍...........33
4.2 Comsol 软件仿真的研究...... 34
4.3 永磁励磁钢板缺陷仿真........36
4.4 永磁励磁不同几何参数仿真分析............43
4.5 磁化器与被测钢板间不同介质特性的仿真分析........54
4.6 永磁励磁与电磁铁励磁的差异性分析....58
4.7 井管漏磁内检测器轴向励磁不同励磁方式研究........71
4.8 本章小结.............77
第 5 章 结论.............78
 
第 4 章 有限元仿真分析与实验结果分析
 
4.1 有限元法的介绍
有限元分析为数值分析法的一种,利用逐次逼近等方法对真实屋里模型进行仿真计算。此外,可以采用不复杂并且可以互相作用的单元,这样就能够将有限个未知量去趋近无限个未知量的非虚拟系统。采用有限元法来进行分析求解,也就是采用简便的方式代替繁杂的方式之后再进行进一步的推导。这种方法是把所求区域近似是由很多名为有限区域单元的微小互相连接的子区域构成,对各个子域都假设一个恰当的大致结果,之后研究得出计算这个域需要的前提条件如结构的平衡条件,最后推导出该待求问题的结果。但是根据有限元数值分析方式计算出的模型解与真实值是有一定差距的,其根本原因在于有限元法将复杂实际模型进行数学模型建立并简化该模型进行求解计算。实际上,很多问题很难计算出无误的结果,然而有限元法除了计算准确高外,还能用在各种复杂形状的情况中,所以被视为非常实用的工程求解方法。有限元指的是将复杂模型进行离散化处理,每个极小单位经过排列组合构成经过处理的近似实物的模型。经过长时间的技术发展,有限元的定义就已经完成并且很好的将它在实际应用,例如采用有限个直线组成的多边形来趋近待求圆的周长,在最近一段时间才作为一种在实际问题中应用的方法而被提出。有限元法最早被叫作矩阵近似法,主要在航空器材的结构强度求解方面问题有着很大的应用,逐渐因为它的简便快捷性、实用高效性和效果很好而得到有关研究方向研究者们的巨大兴趣。近年来,随着国家经济的快速发展计算机技术也得到不断完善,利用有限元分析方式配合计算能力出众、准确性强的计算机系统,可以在短时间内对不同复杂物理场模型进行分析计算。
........
 
结论
 
通过研究漏磁检测的磁学基础、检测原理、磁化方式以及漏磁场相关的理论计算,建立永磁励磁最简磁回路的数学模型、电磁铁励磁磁回路数学模型,研究讨论了永磁励磁不同几何参数对励磁效果的影响;永磁励磁不同介质材料对励磁效果的影响;电磁铁与永磁体励磁差异性分析。
(1)根据对永磁励磁漏磁检测过程进行最简磁回路的数学模型建立,建立三维模型进行仿真计算,讨论钢板试件的励磁效果与永磁体高度和有效励磁面积的关系并进行相关的实验,得到结论:励磁源的高增加、励磁面积不变的情况下,被测钢板的磁感应强度变化规律与初始情况轴向变化规律相同,永磁体的高不变、励磁面积增加的条件下,被测钢板的磁感应强度变化规律与初始情况轴向变化规律相同,在表面剩磁不变的情况下,励磁面积的改变影响钢板的励磁效果,面积越大,励磁效果越好。
(2)讨论在永磁体的工作点及几何参数不变的情况下,被测钢板的励磁效果与钢板和励磁源间的介质特性的关系。通过将四种不同介质材料置于钢板和励磁源之间进行仿真实验,得出结论在励磁过程中,励磁装置与铁磁性材料(管道)之间,可以有部分提离值(空气层),也可以使用其他非铁磁性材料作为励磁装置,但利用铁磁性材料会降低励磁效果。当无钢刷时,管道中心的磁场强度应比有钢刷时的磁场强度要强。
(3)利用电磁铁的相关特性,在仿真过程中保证几何参数和表面剩磁相同的条件下,利用电磁铁替代永磁体作为钢板试件的励磁源。建立实验平台,设计几何参数完全相同的轭铁、永磁体、钢板,对钢板材料进行励磁并利用特斯拉计进行磁感应强度的测量。通过对比仿真与实验的检测数据,可以得出结论:电磁铁的参数经过优化选择后,对钢板试件进行励磁,钢板的磁感应强度分布与永磁体作为励磁源的的分布情况相同,通过设计合适的电磁铁励磁源参数,能够实现几何参数完全相同的永磁铁励磁的磁化效果,对利用电磁铁的相关参数计算漏磁检测磁化装置的充磁能量有一定的帮助,进而在充磁过程中减少不必要的成本,并利用该结论对井管漏磁内检测励磁过程进行仿真与实验分析,提出一种直流励磁的方法减少传统永磁励磁的弊端。
..........
参考文献(略)


在线咨询
我要发表
发布转让需求
 

合作伙伴: