換熱管漏磁檢測(cè)三維有限元仿真分析

換熱管漏磁檢測(cè)三維有限元仿真分析

該換熱器是用于加熱和交換的通用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源、原子能、水電等行業(yè)。鐵磁性換熱管應(yīng)用廣泛,其腐蝕是管殼式換熱器最主要的失效形式。因此,換熱管的定期檢驗(yàn)是保證生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。漏磁檢測(cè)具有較高檢測(cè)靈敏度與可靠性,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的量化,檢測(cè)效率高、無(wú)污染等特點(diǎn),目前主要應(yīng)用于儲(chǔ)罐底板掃查、鋼絲繩檢測(cè)、油/氣輸送管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)等。由于無(wú)縫換熱管外徑一般小于60mm,且在役換熱管一般為管束結(jié)構(gòu),需采用從管內(nèi)進(jìn)行的內(nèi)穿式檢測(cè)方式。國(guó)內(nèi)對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于換熱管的檢測(cè)鮮有應(yīng)用。文中以有限元數(shù)值模擬為手段,建立換熱管漏磁檢測(cè)三維有限元模型,分析了缺陷尺寸、被測(cè)管壁厚度和支撐板等參數(shù)變化對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)分布的影響,得到漏磁場(chǎng)隨以上參數(shù)變化的關(guān)系曲線。結(jié)果表明,漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鐵磁性換熱管檢測(cè)是可行的,對(duì)缺陷后續(xù)的量化分析以及換熱管壽命評(píng)價(jià)具有重要意義。1空間漏磁場(chǎng)的檢測(cè)方法換熱管被永久磁鐵磁化后,當(dāng)管中無(wú)缺陷時(shí),磁力線絕大部分通過(guò)換熱管;當(dāng)管壁變薄,管內(nèi)、外壁局部被磨損,有腐蝕坑、凹坑、通孔等缺陷時(shí),管子缺陷處的磁阻變大,聚集在管壁的部分磁通向外擴(kuò)張,磁力線發(fā)生彎曲并且有一部分磁力線泄漏出管子表面,利用磁敏元件(傳感器)檢測(cè)該漏磁場(chǎng),通過(guò)對(duì)漏磁信號(hào)的特征提取來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定性和定量分析。文中采用梯形導(dǎo)向聚磁環(huán),其作用是收集、均化、導(dǎo)向測(cè)量區(qū)域中漏磁通的作用。通過(guò)聚磁后檢測(cè)到的漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)幅值將會(huì)得到提高,從而增強(qiáng)檢測(cè)的靈敏度。磁化結(jié)構(gòu)采用局部永磁體磁化方式,通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)缺陷處的漏磁場(chǎng)。為保證傳感器能準(zhǔn)確檢測(cè)到缺陷處的漏磁場(chǎng),避免空間漏磁場(chǎng)對(duì)傳感器的磁場(chǎng)干擾,要屏蔽掉干擾信號(hào)對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響。圖1為二維磁力線圖及局部放大圖,聚磁環(huán)收集空間分布的漏磁場(chǎng),并將其引導(dǎo)到霍爾傳感器的檢測(cè)通路中,同時(shí)磁屏蔽罩將空間漏磁場(chǎng)對(duì)傳感器的磁場(chǎng)干擾屏蔽掉。2三維三維模擬模型2.1換熱管的磁場(chǎng)計(jì)算模型有限元法是一種計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬方法,在有限元軟件中建立有限元模型的方法有3種:實(shí)體建模法、直接建模法和直接導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAD)建立模型法。文中采用實(shí)體建模法。由于換熱管同時(shí)接觸被處理的物料和傳熱介質(zhì),承受雙重的腐蝕。鑒于管壁外層的缺陷(簡(jiǎn)稱外壁缺陷)和管壁內(nèi)層的缺陷(簡(jiǎn)稱內(nèi)壁缺陷)的漏磁信號(hào)的特征相類似,以內(nèi)壁缺陷為研究對(duì)象,進(jìn)行有限元分析。實(shí)際換熱管缺陷主要是由于腐蝕造成,由于實(shí)際中的缺陷形狀不規(guī)則,大小、深度均為不可預(yù)測(cè)因素,為便于對(duì)缺陷進(jìn)行定量研究和有限元分析,將腐蝕坑簡(jiǎn)化為圓柱體的內(nèi)壁腐蝕缺陷建立缺陷模型。漏磁檢測(cè)裝置主要是由勵(lì)磁裝置、聚磁裝置、磁屏蔽裝置和檢測(cè)裝置四部分組成。勵(lì)磁裝置中由永磁鐵、磁芯、極靴、氣隙和帶缺陷的管壁組成了一個(gè)閉合的磁路;聚磁裝置采用梯形導(dǎo)向聚磁環(huán);磁屏蔽裝置采用了高導(dǎo)磁工業(yè)純鐵罩;檢測(cè)裝置采用高靈敏度的霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。采用有限元分析軟件進(jìn)行三維模擬仿真,有限元模型的建立是基于漏磁檢測(cè)原理,根據(jù)使被磁化換熱管局部達(dá)到80%以上的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度確定磁化結(jié)構(gòu)。該研究對(duì)外徑為38mm的換熱管上一個(gè)直徑為1.6mm、深度為管壁厚度80%的圓柱形腐蝕坑進(jìn)行有限元模擬分析,其中換熱管壁厚為3mm,圓柱形缺陷模型沿管徑向方向建立。圖2為漏磁檢測(cè)三維有限元模型,其中換熱管上半部分與換熱管周圍空氣均設(shè)置為隱藏。2.2靜態(tài)磁場(chǎng)的有限元分析方法換熱管漏磁檢測(cè)三維模型中,被測(cè)換熱管材質(zhì)為20號(hào)鋼,外徑為38mm,壁厚為3mm。勵(lì)磁裝置中,磁芯和極靴材料均采用工業(yè)純鐵,磁鐵采用N48稀土材料永磁鐵。聚磁環(huán)與磁屏蔽罩材料均采用工業(yè)純鐵。在有限元分析中需要對(duì)以上材料的磁特性進(jìn)行匹配和單元類型的選擇。磁鐵的磁特性曲線近似于線性,被測(cè)換熱管、磁芯、聚磁環(huán)和磁屏蔽罩的磁特性曲線是非線性的,需要單獨(dú)定義其B-H曲線?？諝饽Ｐ偷南鄬?duì)磁導(dǎo)率μr=1.0。靜態(tài)磁場(chǎng)的有限元分析方法包括標(biāo)量勢(shì)法和單元邊法,文中采用基于單元邊法(Edged-basedMethod)的三維靜態(tài)磁場(chǎng)分析,單元類型為Solid117,Solid117單元類型每個(gè)單元有20個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于三維有限元模型計(jì)算,合理的網(wǎng)格劃分很關(guān)鍵,否則會(huì)大大增加運(yùn)算量。ANSYS提供了三種網(wǎng)格劃分方式,即智能網(wǎng)格劃分、自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。由于該模型形狀較規(guī)則,經(jīng)過(guò)切割后可以劃分成規(guī)則的六面體,所以采用映射網(wǎng)格劃分,圓柱形缺陷也采用映射網(wǎng)格劃分,缺陷附近的換熱管選取網(wǎng)格形狀為四面體,自由網(wǎng)格劃分。圖3為漏磁檢測(cè)三維有限元模型網(wǎng)格劃分,其中換熱管上半部分與換熱管周圍空氣網(wǎng)格均設(shè)置為隱藏。2.3基于anasas的求解器優(yōu)化網(wǎng)格劃分結(jié)束,對(duì)模型外層空氣的界面施加邊界條件,包括磁力線平行邊界條件和磁力線垂直邊界條件,在靜磁場(chǎng)分析中,只需設(shè)置磁力線平行邊界條件,即狄利克萊邊界條件,磁力線垂直邊界條件自然滿足。ANSYS提供了多種求解器,如稀疏矩陣求解器、波前求解器、雅克比共扼求解器等。文中選用稀疏矩陣直接求解器(SparseDirectSolver)對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算。由于主要關(guān)心缺陷附近的漏磁場(chǎng)的分布,為了更加直觀地觀察缺陷周圍磁場(chǎng)參量的變化,將模型沿圓柱形缺陷母線橫斷面做截面切片視圖。圖4為換熱管上圓柱形內(nèi)壁腐蝕缺陷附近漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖。從圖中可以看到缺陷附近的空氣中有明顯的漏磁場(chǎng),利用霍爾元件等磁敏元件可檢測(cè)到,缺陷附近的漏磁通被聚磁環(huán)很好地收集,并且磁屏蔽罩將周圍干擾信號(hào)屏蔽掉。3對(duì)改變管缺陷、遺漏場(chǎng)影響因素的模擬分析在有限元分析軟件ANSYS后處理得到相關(guān)仿真數(shù)據(jù),基于以下幾個(gè)方面對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3.1不同深度缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量的特征以換熱管上直徑為1.6mm、深度分別為換熱管壁厚的20%,40%,60%,80%壁減的圓柱形腐蝕缺陷為研究對(duì)象,進(jìn)行建模仿真分析,提取相應(yīng)路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量,得到圓柱形缺陷不同深度,提離值為1mm處的仿真數(shù)據(jù)。如圖5,6所示分別為不同深度缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量分布圖和磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值隨缺陷深度變化曲線圖。由圖5可知,由于圓柱形缺陷的對(duì)稱性,軸向分量也出現(xiàn)對(duì)稱性。從圖中可知,曲線上最大值兩側(cè)第一次拐點(diǎn)的軸向分量距離近似于圓柱形缺陷的直徑。由圖6可知,缺陷壁減越大,漏磁場(chǎng)軸向分量峰值越大。同時(shí)可以看出關(guān)系曲線接近線性,說(shuō)明缺陷漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量峰值與缺陷深度具有一定的線性相關(guān)性。擬合得到一個(gè)線性方程式如下:Bzp=2.82806-4h+0.00177(1)式中Bzp——磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量峰值,Th——缺陷深度比,%從而得到缺陷漏磁場(chǎng)隨著缺陷深度的增加呈線性遞增的規(guī)律。圖7為不同深度缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量分布圖,從圖中可知,徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度的波峰是與缺陷中心線對(duì)稱的,且在缺陷正中值為零,幾乎沒(méi)有磁通漏出。這也說(shuō)明在缺陷邊沿處漏出管壁和進(jìn)入管壁的磁通數(shù)目最多。由于傳感器距離缺陷有一定距離,所以漏磁場(chǎng)徑向分量峰-峰值間距比缺陷的直徑稍寬。從圖中還可看出,相同直徑圓柱形缺陷在不同深度的情況下,正負(fù)峰值出現(xiàn)的軸向位置幾乎相同,這說(shuō)明缺陷深度變化對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量峰值出現(xiàn)的位置影響不大。由此可得:缺陷的深度主要影響峰-峰值大小;漏磁場(chǎng)峰值隨著缺陷深度的增加而增大,在一定范圍內(nèi)兩者近似成線性關(guān)系。在腐蝕缺陷漏磁檢測(cè)中,缺陷越深就越容易被檢測(cè)到。3.2磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量的特征分析為了分析圓柱形缺陷直徑對(duì)漏磁場(chǎng)的影響,以缺陷深度均為管壁厚度的70%,即2.1mm,直徑分別為?0.8,1.6,2.4,3.2,4,4.8和5.6mm圓柱形缺陷為研究對(duì)象,進(jìn)行建模仿真分析,提取相應(yīng)路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量。圖8,9分別為不同直徑缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量曲線圖和缺陷直徑、軸向位置對(duì)缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量的影響曲面圖。從圖中可以看出,圓柱形缺陷深度一定時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量峰值隨著缺陷直徑的增加先變大,當(dāng)缺陷直徑增加到一定值(3.2mm)之后,隨著缺陷直徑的增加逐漸變小,峰值與缺陷直徑不存在恒定的關(guān)系,因此磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量峰值不能作為評(píng)價(jià)缺陷直徑范圍的特征量。圖10,11分別為不同直徑缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量曲線圖和缺陷直徑、軸向位置對(duì)缺陷磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量的影響曲面圖。從圖中可知,圓柱形缺陷深度一定時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量峰值隨著缺陷直徑的增加先變大,當(dāng)缺陷直徑增加到一定值(4.8mm)之后,缺陷的峰值出現(xiàn)了遞減的趨勢(shì)。因此磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量峰值不能作為評(píng)價(jià)缺陷直徑的特征量。從圖中還可以看出,磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量峰-峰值間距隨著缺陷直徑的增加而變大,峰-峰值間距與缺陷直徑之間存在一定關(guān)系,即缺陷直徑主要影響峰-峰值間隔距離,借助這一規(guī)律可以定性地判斷缺陷的直徑范圍。圖12為缺陷深度和提離值一定時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量峰-峰值間距與缺陷直徑的關(guān)系曲線圖,擬合得到以下關(guān)系式:DBrp-p=-0.04464d2+1.16071d+0.68571(2)式中DBrp-p——磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量峰-峰值間距,mmd——缺陷直徑,mm通過(guò)以上關(guān)系式,反過(guò)來(lái)可由磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量峰-峰值間距計(jì)算缺陷直徑。由此可得:缺陷直徑主要影響峰-峰值間隔距離;缺陷直徑對(duì)漏磁場(chǎng)信號(hào)峰值的影響并非單調(diào)變化,在缺陷直徑較小時(shí),隨直徑的增大漏磁場(chǎng)有增加的趨勢(shì),當(dāng)缺陷直徑較大時(shí),直徑增大,漏磁場(chǎng)信號(hào)反而緩慢下降。3.3不同壁厚的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量分布根據(jù)GB151—1999管殼式換熱器中換熱管標(biāo)準(zhǔn),換熱管外徑在30～50mm范圍內(nèi)時(shí),常用壁厚范圍為2.5～3mm。首先保證極靴與管壁之間的氣隙恒定,以內(nèi)徑32mm,壁厚參數(shù)取從2.5～3mm每隔0.1mm六種情況為研究對(duì)象,分別在這六種壁厚的換熱管上建立圓柱形內(nèi)壁缺陷,直徑為1.6mm,深度均為管壁的相同壁減(80%),進(jìn)行建模仿真分析,提取相應(yīng)路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量。圖13,14分別為不同壁厚、相同壁減缺陷的磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量曲線圖和徑向分量曲線圖。由圖可知,漏磁場(chǎng)軸向分量和徑向分量均隨被測(cè)管壁的厚度增加而遞減,主要是由于被測(cè)換熱管的磁化飽和度引起的,一定范圍內(nèi),被測(cè)管壁厚度越小,磁化飽和度越高。由此可得,一定范圍內(nèi),漏磁法對(duì)薄壁換熱管的分辨能力比厚壁換熱管要強(qiáng),被測(cè)管壁越薄,缺陷更容易被檢測(cè)到。3.4換熱管漏磁分布仿真分析換熱管在換熱器中被支撐板和折流板支撐。統(tǒng)計(jì)顯示,90%的外壁缺陷發(fā)生在支撐板附近,其成為鐵磁性換熱管重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域。主要是由于沖擊振動(dòng)腐蝕等原因,造成管外壁缺陷,凹痕或腐蝕坑,一些常規(guī)檢測(cè)法,缺陷信號(hào)將被支撐板信號(hào)干擾所淹沒(méi)或混合成復(fù)雜圖形,從而難于識(shí)別缺陷,很容易導(dǎo)致支撐板下方或附近小缺陷的漏檢,為了解漏磁法檢測(cè)換熱管時(shí),支撐板對(duì)缺陷檢出率的影響,采用14mm厚碳鋼板模擬支撐板,換熱管直徑為38mm,支撐板管孔直徑為38.8mm。在換熱管外壁建立直徑為1.6mm,深度為80%壁減,即2.4mm的圓柱形缺陷,缺陷位于模擬支撐板正下方換熱管上,進(jìn)行建模仿真分析,提取相應(yīng)路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量。圖15和16分別為支撐板下方換熱管有無(wú)缺陷漏磁場(chǎng)軸向和徑向分量對(duì)比曲線。在換熱管漏磁檢測(cè)系統(tǒng)中,測(cè)量結(jié)果磁感應(yīng)強(qiáng)度B實(shí)際上包括兩個(gè)部分,空氣耦合磁場(chǎng)B1和腐蝕缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)B2。無(wú)論換熱管存在缺陷與否,空氣耦合磁場(chǎng)都會(huì)存在,B1為一常數(shù)。在換熱管有腐蝕缺陷處,傳感器測(cè)得的,是空氣耦合磁場(chǎng)疊加上缺陷漏磁場(chǎng)。由圖15,16可知,當(dāng)僅存在支撐板時(shí),此時(shí)漏磁場(chǎng)的軸向分量和徑向分量都在支撐板厚度的兩側(cè)附近出現(xiàn)峰值。徑向分量先出現(xiàn)負(fù)峰值后出現(xiàn)正峰值,這與缺陷的規(guī)律恰好相反,主要是由于支撐板材質(zhì)是鐵磁性的,部分磁力線沿支撐板穿過(guò),導(dǎo)致通過(guò)換熱管上的磁通量密度減少,使得漏磁場(chǎng)與空氣耦合場(chǎng)所形成的平衡被打破,同時(shí)導(dǎo)致測(cè)得的漏磁場(chǎng)徑向分量較大。當(dāng)缺陷與支撐板同時(shí)存在時(shí),原來(lái)繞過(guò)缺陷穿出換熱管的部分磁力線穿過(guò)支撐板,通過(guò)缺陷處的磁通密度減小,對(duì)比僅有支撐板曲線可知,支撐板漏磁信號(hào)與缺陷信號(hào)發(fā)生矢量疊加,從而使測(cè)得的缺陷處漏磁場(chǎng)B2減小。由此可得:從支撐板下方有無(wú)缺陷漏磁場(chǎng)分布對(duì)比曲線可以看出,由于支撐板漏磁信號(hào)與缺陷信號(hào)發(fā)生矢量疊加,導(dǎo)致缺陷處漏磁場(chǎng)減小;漏磁法檢測(cè)換熱管時(shí),判斷支撐板下方換熱管上有無(wú)缺陷時(shí),可參照支撐板下方無(wú)缺陷時(shí)漏磁場(chǎng)分布曲線,以其作為判定的依據(jù),從漏磁場(chǎng)分布曲線圖形的特點(diǎn)加以區(qū)分。當(dāng)缺陷不位于支撐板正下方時(shí),尚待研究。4漏磁法提出的缺陷尺寸(1)利用有限元軟件對(duì)換熱管漏磁檢測(cè)模型進(jìn)行了三維實(shí)體建模,