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腐蝕缺陷檢測石油和天然氣工業(yè)行業(yè)對帶保溫層管道的腐蝕檢測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很少。這些檢測只能在中斷期間進行，這往往會導(dǎo)致大量管道保溫層損壞，使維修時間非常緊張。由于未能及時發(fā)現(xiàn)問題，一些人留下了安全風(fēng)險，給國家造成了重大損失。縮短檢修時間和及時發(fā)現(xiàn)問題已經(jīng)成為管道腐蝕缺陷檢測急需解決的問題。在這種情況下,各種用于工業(yè)生產(chǎn)的如超聲波探測、射線檢測、熱成像檢測、常規(guī)渦流檢測以及其他無損檢測技術(shù)被開始嘗試用于帶保溫層腐蝕缺陷的檢測,但這些檢測方法由于其局限性而沒能推廣。而近幾年在國外迅速發(fā)展起來的脈沖渦流檢測技術(shù)(PulsedEddyCurrent,PEC),由于具有無接觸式測量、表面無需清理和含有很豐富的頻譜分量等優(yōu)點,而成為目前無損檢測中的一個研究熱點。1局部有限元單元的數(shù)值求解ANSYS以Maxwell方程組作為電磁場分析的出發(fā)點。有限元方法是為了對某些工程問題求得近似解的一種數(shù)值分析方法。采用有限元法對電磁場進行分析,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)的封閉場域劃分成許多小區(qū)域,對微分形式的控制方程進行離散,導(dǎo)出一個代數(shù)方程組。代數(shù)方程組具有龐大稀疏對稱的系數(shù)矩陣,經(jīng)強加邊界條件約束處理后成為正定矩陣,即可求其近似解。有限元方法電磁場分析計算過程是:首先,將整個計算區(qū)域離散化,就是將區(qū)域用節(jié)點和有限元單元表示;其次,對每個有限元單元依次進行局部處理,求得有限元的局部激勵矩陣和局部系數(shù)矩陣;最后,再將有限元的局部激勵矩陣和局部系數(shù)矩陣的各個元素相加到整體激勵矩陣和整體系數(shù)矩陣中,從而形成求解節(jié)點勢函數(shù)值的矩陣方程。再用線性代數(shù)的方法對此矩陣方程組加以求解,但是這時計算結(jié)果只是近似解。通過單元數(shù)目的劃分可以解決這個問題,使計算結(jié)果與實際情況相符。管道腐蝕缺陷有限元仿真中,電磁場問題屬于三維渦流場問題,即求解區(qū)域中含有導(dǎo)電材料的似穩(wěn)電磁場分析。由于有限元法對三維渦流場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)出分別描述電場和磁場的偏微分方程。20世紀(jì)80年代以來,國際電磁場數(shù)值計算界對三維渦流場的計算進行了深入的研究,給出了描述渦流場的多種方法,分為以場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?來分別描述電場和磁場。結(jié)合Maxwell方程組和有限元仿真的邊界條件,得到磁場和電場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每個有限元單元求解式(1)和(2)的電場和磁場的偏微分方程,得到管道上的電磁場分布和檢測線圈上的感應(yīng)電壓。2網(wǎng)格、求解和后處理ANSYS有限元實體模型建模仿真過程包含3個步驟: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、設(shè)定邊界條件以及求解)和后處理(查看仿真分析結(jié)果和驗證結(jié)果)。為了使仿真和實際更吻合,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,通過瞬態(tài)求解計算,獲得檢測線圈的感應(yīng)電壓時域信號及缺陷附近電磁場分布。2.1anasas有限元模型在ANSYS有限元仿真中,計算量和計算精度是建模時需要綜合考慮的關(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)格劃分可以達到一定的計算精度又節(jié)省內(nèi)存空間。同時建模時還要充分考慮激勵線圈的電流流向和管道腐蝕缺陷方向,要為矩形激勵線圈各不同部分賦予不同的電流方向,這就需要對坐標(biāo)系進行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)。為了分析管道上電磁場的分布和檢測線圈上的感應(yīng)電壓信號,ANSYS仿真中分別建立了有缺陷和無缺陷兩種有限元模型。由于管道具有對稱性,為了節(jié)省計算量和縮短計算時間,管道建立四分之一模型。ANSYS有限元模型如下所示:管道長為500mm,內(nèi)、外徑分別為50mm、55mm;激勵線圈為矩形線圈,長寬高均為45mm;檢測線圈為圓柱形線圈,內(nèi)、外徑分別為1mm、3mm,高為4mm;提離(檢測線圈底部距管道外表面的距離)為2mm;當(dāng)有缺陷時,腐蝕缺陷為平底弧形缺陷,位于管道外表面的中間位置,長為10mm,深為4mm。管道腐蝕缺陷有限元模型如圖1所示。為了更真實地模擬實際模型的外部環(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,賦予管道、缺陷、線圈和空氣不同的材料特性,使得整個模型符合實際需要。在網(wǎng)格劃分時,要在能量密集的區(qū)域進行細劃分,而在其它區(qū)域可適當(dāng)?shù)倪M行粗劃分,所以要保證檢測和激勵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,在檢測和激勵線圈周圍另建一層空氣域是十分必要的,這樣既保證計算精度,又節(jié)省計算時間。同時,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,通過外電路激勵耦合的方式為激勵線圈加載占空比為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、時間步和子步長,然后使用波前求解器對各個節(jié)點和單元的自由度進行求解,在后處理部分就可以觀察檢測線圈上的感應(yīng)電壓信號及缺陷附近電磁場分布。3模擬結(jié)果與分析3.1缺陷對磁場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缺陷存在時的電磁場分布。根據(jù)麥克斯韋電磁感應(yīng)定律,電磁場遇到缺陷會發(fā)生偏轉(zhuǎn),所以有缺陷存在和無缺陷存在時,電磁場分布會發(fā)生明顯變化。此時,檢測線圈感應(yīng)電壓信號也會發(fā)生變化。通過仿真求解,得到管道上表面激勵線圈正下方磁場分布如圖2所示。圖2中箭頭方向為磁場方向,不同顏色代表磁場值的不同大小,其中藍色代表的磁場值最小,紅色代表的磁場值最大。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)有缺陷存在時,磁場遇到缺陷會發(fā)生偏轉(zhuǎn),使磁場產(chǎn)生擾動。從圖2(a)中可以看出,磁場在缺陷附近發(fā)生嚴(yán)重偏轉(zhuǎn),磁場分布發(fā)生很大變化,產(chǎn)生了擾動;且磁場較強部分集中在缺陷邊緣附近,而遠離缺陷時恢復(fù)正常分布。從圖2(b)中可以看出,無缺陷存在時,磁場分布為類勻強場;且磁場較強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,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;而在遠離缺陷時電流逐漸恢復(fù)平行。在圖3(b)中,當(dāng)無缺陷存在時,電流互相平行,沒有發(fā)生任何偏轉(zhuǎn),電流場在激勵線圈正下方一定范圍內(nèi)均勻分布。3.2出現(xiàn)缺陷時的表現(xiàn)為了對仿真結(jié)果進行對比分析,分別建立了無缺陷、缺陷長度為10mm、深度為2mm和缺陷長度為10mm、深度為4mm三種情況下的仿真模型。圖4為這3種情況下,檢測線圈上的感應(yīng)電壓時域信號波形。其中,橫軸為激勵時間,由于波形具有對稱性,所以只取半周期時間。縱軸為感應(yīng)電壓信號幅值。從圖4中可以看出,當(dāng)有缺陷存在時,電壓波形的峰值比無缺陷存在時要大很多。有缺陷存在時,感應(yīng)電壓波形有過零;無缺陷存在時,感應(yīng)電壓波形沒有過零。而且缺陷體積越大,感應(yīng)電壓信號峰值也大,深度越深,過零時間越短。從仿真結(jié)果中可以看出,通過檢測線圈上感應(yīng)電壓的變化,可以檢測出管道上腐蝕缺陷的存在;峰