基于ansys的管道腐蝕缺陷三維仿真分析

基于ansys的管道腐蝕缺陷三維仿真分析

0腐蝕缺陷檢測(cè)石油和天然氣工業(yè)行業(yè)對(duì)帶保溫層管道的腐蝕檢測(cè)一直困擾著石化公司的生產(chǎn)，但帶保溫層管道的腐蝕性在線檢測(cè)很少。這些檢測(cè)只能在中斷期間進(jìn)行，這往往會(huì)導(dǎo)致大量管道保溫層損壞，使維修時(shí)間非常緊張。由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，一些人留下了安全風(fēng)險(xiǎn)，給國(guó)家造成了重大損失?？s短檢修時(shí)間和及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題已經(jīng)成為管道腐蝕缺陷檢測(cè)急需解決的問題。在這種情況下,各種用于工業(yè)生產(chǎn)的如超聲波探測(cè)、射線檢測(cè)、熱成像檢測(cè)、常規(guī)渦流檢測(cè)以及其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被開始嘗試用于帶保溫層腐蝕缺陷的檢測(cè),但這些檢測(cè)方法由于其局限性而沒能推廣。而近幾年在國(guó)外迅速發(fā)展起來的脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)(PulsedEddyCurrent,PEC),由于具有無(wú)接觸式測(cè)量、表面無(wú)需清理和含有很豐富的頻譜分量等優(yōu)點(diǎn),而成為目前無(wú)損檢測(cè)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。1局部有限元單元的數(shù)值求解ANSYS以Maxwell方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)。有限元方法是為了對(duì)某些工程問題求得近似解的一種數(shù)值分析方法。采用有限元法對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行分析,就是用變分原理或加權(quán)余量法,將偏微分方程表征的連續(xù)函數(shù)的封閉場(chǎng)域劃分成許多小區(qū)域,對(duì)微分形式的控制方程進(jìn)行離散,導(dǎo)出一個(gè)代數(shù)方程組。代數(shù)方程組具有龐大稀疏對(duì)稱的系數(shù)矩陣,經(jīng)強(qiáng)加邊界條件約束處理后成為正定矩陣,即可求其近似解。有限元方法電磁場(chǎng)分析計(jì)算過程是:首先,將整個(gè)計(jì)算區(qū)域離散化,就是將區(qū)域用節(jié)點(diǎn)和有限元單元表示;其次,對(duì)每個(gè)有限元單元依次進(jìn)行局部處理,求得有限元的局部激勵(lì)矩陣和局部系數(shù)矩陣;最后,再將有限元的局部激勵(lì)矩陣和局部系數(shù)矩陣的各個(gè)元素相加到整體激勵(lì)矩陣和整體系數(shù)矩陣中,從而形成求解節(jié)點(diǎn)勢(shì)函數(shù)值的矩陣方程。再用線性代數(shù)的方法對(duì)此矩陣方程組加以求解,但是這時(shí)計(jì)算結(jié)果只是近似解。通過單元數(shù)目的劃分可以解決這個(gè)問題,使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。管道腐蝕缺陷有限元仿真中,電磁場(chǎng)問題屬于三維渦流場(chǎng)問題,即求解區(qū)域中含有導(dǎo)電材料的似穩(wěn)電磁場(chǎng)分析。由于有限元法對(duì)三維渦流場(chǎng)的求解是電變量和磁變量相互交織的,為了便于求解,需要將電變量和磁變量分離開來,導(dǎo)出分別描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)的偏微分方程。20世紀(jì)80年代以來,國(guó)際電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算界對(duì)三維渦流場(chǎng)的計(jì)算進(jìn)行了深入的研究,給出了描述渦流場(chǎng)的多種方法,分為以場(chǎng)矢量為變量的直接法和以位函數(shù)為變量的直接法。管道腐蝕缺陷的ANSYS有限元仿真中采用了以位函數(shù)為變量的間接法,用矢量磁位AˉˉˉAˉ和標(biāo)量電位?來分別描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)。結(jié)合Maxwell方程組和有限元仿真的邊界條件,得到磁場(chǎng)和電場(chǎng)的偏微分方程分別為:?2Aˉˉˉ?με?2Aˉˉˉ?t2=?μJˉ(1)?2??με?2??t2=?ρε(2)?2Aˉ-με?2Aˉ?t2=-μJˉ(1)?2?-με?2??t2=-ρε(2)ANSYS有限元仿真就是通過對(duì)每個(gè)有限元單元求解式(1)和(2)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的偏微分方程,得到管道上的電磁場(chǎng)分布和檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓。2網(wǎng)格、求解和后處理ANSYS有限元實(shí)體模型建模仿真過程包含3個(gè)步驟:前處理(包括創(chuàng)建幾何模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格)、求解(包括加載激勵(lì)、設(shè)定邊界條件以及求解)和后處理(查看仿真分析結(jié)果和驗(yàn)證結(jié)果)。為了使仿真和實(shí)際更吻合,仿真采用SOLID97單元建立3D管道腐蝕缺陷幾何模型,使用CIRCU124單元施加外電路脈沖方波激勵(lì),通過瞬態(tài)求解計(jì)算,獲得檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓時(shí)域信號(hào)及缺陷附近電磁場(chǎng)分布。2.1anasas有限元模型在ANSYS有限元仿真中,計(jì)算量和計(jì)算精度是建模時(shí)需要綜合考慮的關(guān)鍵問題,而與它們密切相關(guān)的是網(wǎng)格數(shù)量。所以為了獲得合適的網(wǎng)格數(shù)量,在建模時(shí)要把缺陷周圍的管道重新建立一塊區(qū)域,以便后面的網(wǎng)格劃分可以達(dá)到一定的計(jì)算精度又節(jié)省內(nèi)存空間。同時(shí)建模時(shí)還要充分考慮激勵(lì)線圈的電流流向和管道腐蝕缺陷方向,要為矩形激勵(lì)線圈各不同部分賦予不同的電流方向,這就需要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)。為了分析管道上電磁場(chǎng)的分布和檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓信號(hào),ANSYS仿真中分別建立了有缺陷和無(wú)缺陷兩種有限元模型。由于管道具有對(duì)稱性,為了節(jié)省計(jì)算量和縮短計(jì)算時(shí)間,管道建立四分之一模型。ANSYS有限元模型如下所示:管道長(zhǎng)為500mm,內(nèi)、外徑分別為50mm、55mm;激勵(lì)線圈為矩形線圈,長(zhǎng)寬高均為45mm;檢測(cè)線圈為圓柱形線圈,內(nèi)、外徑分別為1mm、3mm,高為4mm;提離(檢測(cè)線圈底部距管道外表面的距離)為2mm;當(dāng)有缺陷時(shí),腐蝕缺陷為平底弧形缺陷,位于管道外表面的中間位置,長(zhǎng)為10mm,深為4mm。管道腐蝕缺陷有限元模型如圖1所示。為了更真實(shí)地模擬實(shí)際模型的外部環(huán)境,需要給圖1中的模型包圍適當(dāng)大小的空氣域,空氣域的大小一般為管道的3~5倍。同時(shí),賦予管道、缺陷、線圈和空氣不同的材料特性,使得整個(gè)模型符合實(shí)際需要。在網(wǎng)格劃分時(shí),要在能量密集的區(qū)域進(jìn)行細(xì)劃分,而在其它區(qū)域可適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行粗劃分,所以要保證檢測(cè)和激勵(lì)線圈周圍的空氣域具有與其他區(qū)域空氣域不同的精度。在這種情況下,在檢測(cè)和激勵(lì)線圈周圍另建一層空氣域是十分必要的,這樣既保證計(jì)算精度,又節(jié)省計(jì)算時(shí)間。同時(shí),在充分考慮六面體和四面體網(wǎng)格劃分各自優(yōu)越性的基礎(chǔ)上,管道腐蝕缺陷有限元模型采用了六面體和四面體混合的網(wǎng)格劃分方法。2.2激勵(lì)耦合方式為了滿足ANSYS有限元仿真中區(qū)域必須為封閉區(qū)域的條件,給管道腐蝕缺陷有限元仿真模型中空氣域的外邊界加載了平行邊界條件。同時(shí),通過外電路激勵(lì)耦合的方式為激勵(lì)線圈加載占空比為1/2,頻率為100Hz,幅值為12V的方波。由于模型為四分之一模型,而管道必須滿足短路條件,所以需要為管道兩側(cè)面加載模擬短路條件。模型加載完成后,還需要為模型定義瞬態(tài)分析類型、時(shí)間步和子步長(zhǎng),然后使用波前求解器對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元的自由度進(jìn)行求解,在后處理部分就可以觀察檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓信號(hào)及缺陷附近電磁場(chǎng)分布。3模擬結(jié)果與分析3.1缺陷對(duì)磁場(chǎng)分布的影響通過為模型加載合適的邊界條件并求解,得到管道上有缺陷和無(wú)缺陷存在時(shí)的電磁場(chǎng)分布。根據(jù)麥克斯韋電磁感應(yīng)定律,電磁場(chǎng)遇到缺陷會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),所以有缺陷存在和無(wú)缺陷存在時(shí),電磁場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生明顯變化。此時(shí),檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。通過仿真求解,得到管道上表面激勵(lì)線圈正下方磁場(chǎng)分布如圖2所示。圖2中箭頭方向?yàn)榇艌?chǎng)方向,不同顏色代表磁場(chǎng)值的不同大小,其中藍(lán)色代表的磁場(chǎng)值最小,紅色代表的磁場(chǎng)值最大。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)有缺陷存在時(shí),磁場(chǎng)遇到缺陷會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),使磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。從圖2(a)中可以看出,磁場(chǎng)在缺陷附近發(fā)生嚴(yán)重偏轉(zhuǎn),磁場(chǎng)分布發(fā)生很大變化,產(chǎn)生了擾動(dòng);且磁場(chǎng)較強(qiáng)部分集中在缺陷邊緣附近,而遠(yuǎn)離缺陷時(shí)恢復(fù)正常分布。從圖2(b)中可以看出,無(wú)缺陷存在時(shí),磁場(chǎng)分布為類勻強(qiáng)場(chǎng);且磁場(chǎng)較強(qiáng)部分集中在管道邊緣。管道上表面電流分布如圖3所示,從圖3(a)可以看出,當(dāng)有缺陷存在時(shí),電流遇到缺陷發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),且在缺陷附近電流值較大,偏轉(zhuǎn)較嚴(yán)重;而在遠(yuǎn)離缺陷時(shí)電流逐漸恢復(fù)平行。在圖3(b)中,當(dāng)無(wú)缺陷存在時(shí),電流互相平行,沒有發(fā)生任何偏轉(zhuǎn),電流場(chǎng)在激勵(lì)線圈正下方一定范圍內(nèi)均勻分布。3.2出現(xiàn)缺陷時(shí)的表現(xiàn)為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,分別建立了無(wú)缺陷、缺陷長(zhǎng)度為10mm、深度為2mm和缺陷長(zhǎng)度為10mm、深度為4mm三種情況下的仿真模型。圖4為這3種情況下,檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓時(shí)域信號(hào)波形。其中,橫軸為激勵(lì)時(shí)間,由于波形具有對(duì)稱性,所以只取半周期時(shí)間?？v軸為感應(yīng)電壓信號(hào)幅值。從圖4中可以看出,當(dāng)有缺陷存在時(shí),電壓波形的峰值比無(wú)缺陷存在時(shí)要大很多。有缺陷存在時(shí),感應(yīng)電壓波形有過零;無(wú)缺陷存在時(shí),感應(yīng)電壓波形沒有過零。而且缺陷體積越大,感應(yīng)電壓信號(hào)峰值也大,深度越深,過零時(shí)間越短。從仿真結(jié)果中可以看出,通過檢測(cè)線圈上感應(yīng)電壓的變化,可以檢測(cè)出管道上腐蝕缺陷的存在;峰