直流线圈励磁的有限元分析计算

　　磁化在漏磁检测中占有重要地位,直流线圈磁化又是漏磁检测中经常用到的方式,因此,有必要了解线圈磁化的基本特性。已有的研究工作中,在裂纹深度和宽度对漏磁场的影响方面做了大量工作,但对线圈磁化及磁路设计方面的研究不多^[6]。用物理试验的方法研究线圈的磁化特性,将耗费大量人力物力,而数值计算的方法可以容易地解决该问题。通过有限元方法,可以用整个场的计算获得不同的线圈磁化方式对应的缺陷漏磁场分布,对于复杂的形状,也可以很好地近似。为此,应用ANSYS软件对线圈励磁的二维静态磁场进行分析,得出一些基本结论。人们最关心的是空气中的漏磁场,而环绕管道的空气隙大小对漏磁场的计算有很大影响,但ANSYS的无限边界模型(远场单元)解决了这一难题。以下研究的目的是通过有限元软件了解直流线圈磁化的基本特性,包括不同直流线圈的磁化能力和缺陷信号特征等,特别是了解增加聚磁板对直流线圈磁化能力和缺陷信号的影响等,从而为漏磁检测中直流线圈磁化方式的设计提供指导。

　　1　有限元计算模型

　　在管道漏磁探伤中,一般采用穿过式线圈磁化。因而,分析模型具有明显的轴对称特征。在AN-SYS的二维轴对称分析中,Y轴定义为对称轴,可以只在X轴上建立一部分模型。应用中需要为无限边界加远场方向标志(INF),用于说明单元边朝向开放区域。笔者建立的分析模型如图1所示,模型中需要定义空气、管道和聚磁板的无限边界区域。

　　定义空气和线圈相对磁导率为1,石钢管道材料有Q235,X60,X70和X50等多种牌号,该试验模型选用X50,查找磁特性手册,输入B-H曲线;聚磁板采用低碳钢,无限边界区域默认的相对磁导率为1。在该模型中,需在图1中的BC,DA和AB三条边上设定无限表面标志。

　　根据上述方法,图2所示的是四种线圈磁化模型,它反映了线圈轴向长度、径向宽度和聚磁板与管道间隙对线圈磁化的影响。另外再增加了在模型3的基础上增大线圈轴向长度和减小线圈径向宽度的线圈磁化方式5,以及在线圈磁化方式5的基础上减少聚磁板与管道间隙的线圈磁化模型。所以现在实际有六种线圈计算模型,反映了线圈长度、宽度、有无聚磁板以及聚磁板和管道间隙的变化情况,从图中可看出磁场分布情况。

　　2　直流线圈的基本特性

　　有限元分析软件ANSYS的后处理器可以定义显示路径,通过不同的路径可以观察线圈磁化下的磁场分布情况来了解直流线圈的基本特性。

　　2.1　磁化方式对磁场的影响

　　图3为不同磁化方式下当钢管磁化到相同的最大磁感应强度时,磁感应强度在轴向的变化。可以看出,钢管中磁感应强度在线圈中间位置最大,向两边逐渐减小,加聚磁板反而衰减快。线圈轴向越长、径向越窄、离钢管距离越近和聚磁板离钢管越近时,磁感应强度衰减越慢,磁场越均匀。图4为不同磁化方式下当钢管磁化到相同的最大磁感应强度下,磁感应强度在钢管壁厚径向的变化,可以看出磁感应强度在壁厚径向从离空气约1 mm的地方开始迅速变小,在壁厚方向上磁感应强度并不是均匀的。