CN110427691A - 一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，该方法包括以下步骤：步骤1：根据真实环境下的实际测量装置建立三维静态模型；步骤2：对三维静态模型进行模型或网格优化；步骤3：针对模型或网格优化整个过程建立自动建模脚本；步骤4：选择合适的空隙；步骤5：计算磁铁矫顽力修正系数，根据选择的合适空隙和磁铁矫顽力修正系数建立修正后的三维静态模型；步骤6：对修正后的三维静态模型进行三维瞬态模型需求配置以得到三维瞬态模型并利用该模型进行管道漏磁检测仿真。与现有技术相比，本发明具有仿真准确度高，仿真计算速度快等优点。

Description

一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法

技术领域

本发明涉及检测仿真技术领域，尤其是涉及一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法。

背景技术

漏磁检测技术是油气管道最广泛使用的无损检测方法。主要工作原理是：在外磁场作用下，管道被磁化到近饱和状态，若管道内部存在腐蚀等缺陷，磁力线将绕开磁导率较低的缺陷区域，在管道表面形成漏磁场，从而引起磁敏传感器读数发生变化，经过反演算法评估后得到缺陷的类型、大小等关键信息，为管道维护提供科学依据。其中，训练数据是影响评估精度的关键因素，一般通过仿真和实验的方式获得，有限元仿真方式计算精度高、相比实验方式更易于得到大量的数据，因而得到广泛使用。

考虑到速度效应引起的涡流影响以及漏磁场具有的三维空间分布的特性，三维瞬态仿真是最适合的方法。由于是三维模型，模型网格规模一般较大；为响应速度效应引起的涡流影响，时间步长应足够小；因此，一般的三维瞬态模型计算速度较慢、或计算精度较低。如何建立得到计算快速、精度准确的瞬态模型，从而提升漏磁检测的量化精度，对管道合理维护、防止恶性事故发生，具有重要的科学与工程价值。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据真实环境下的实际测量装置建立三维静态模型；

步骤2：对三维静态模型进行模型或网格优化；

步骤3：针对模型或网格优化整个过程建立自动建模脚本；

步骤4：选择合适的空隙；

步骤5：计算磁铁矫顽力修正系数，根据选择的合适空隙和磁铁矫顽力修正系数建立修正后的三维静态模型；

步骤6：对修正后的三维静态模型进行三维瞬态模型需求配置以得到三维瞬态模型并利用该模型进行管道漏磁检测仿真。

进一步地，为了补偿引入空气隙造成的漏磁信号降低，所述步骤1中的三维静态模型的磁路方程为：

F＝φ(R_m+2R_g+R₁+R₂+R_p||R_c)

式中，F表示检测器的两个永磁铁之间的磁动势，φ表示通过管道的磁通，R_m表示检测器的钢刷、背铁和磁铁的总磁阻，R_g表示钢刷与管道管壁之间空气间隙的磁阻，R₁、R₂、R_p和R_c分别表示2段管道管壁、缺陷和缺陷旁管壁的磁阻。

进一步地，所述步骤1中的三维静态模型的磁动势增加系数为：

式中，k表示磁动势增加系数，S表示钢刷横截面积，l表示气隙长度。

进一步地，所述的步骤1具体包括：在有限元分析软件中，根据真实测试环境情况，针对检测器按照真实尺寸建立对应三维静态模型，针对待测管道按照检测器总长度的设定倍数建立对应三维静态模型。

进一步地，所述检测器由永磁铁、轭铁、钢刷及相关导磁部件组成，所述待测管道的设定倍数为所述检测器的最大长度(轭铁长度)的5倍～10倍。

进一步地，所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤21：在三维静态模型中的待测管道上建立管道加密区；

步骤22：在管道加密区内建立缺陷附近加密区；

步骤23：在缺陷附近加密区中建立缺陷；

步骤24：针对缺陷信号提取点附近建立辅助部件。

进一步地，所述步骤3中的自动建模脚本的定义参数包括：缺陷长度、缺陷宽度、缺陷深度、钢刷于管道空隙、磁铁矫顽力、磁铁矫顽力修正系数和磁化器整体偏移量。

进一步地，所述步骤4具体包括：预先改变钢刷于管道空隙大小，通过建模计算后分析三维静态模型下网格规模与钢刷于管道空隙的关系以选择得到合适的空隙。

进一步地，所述步骤5中的磁铁矫顽力修正系数的计算过程包括以下分步骤：

步骤51：建立设定表配置的三个模型并逐个获取各个模型下的磁铁矫顽力修正系数和径向漏磁场峰峰值；

步骤52：根据各个模型下的磁铁矫顽力修正系数和径向漏磁场峰峰值通过插值法得到磁铁矫顽力修正系数。

进一步地，所述步骤6中的三维瞬态模型需求配置的建立过程包括以下分步骤：

步骤61：建立三维瞬态模型需求配置中作为运动域的空气域中包裹住检测器的部分空间并配置运动域的相关参数；

步骤62：配置三维瞬态模型需求配置中的瞬态计算时间步长和时间范围。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明鉴于实际检测过程，钢刷与管壁紧密接触，但在应用现有有限元技术时，相对运动的部件间必须留有空隙，空隙太小将导致网格划分困难、质量较差或规模过于庞大，空隙太大将导致漏磁信号发生显著变形的问题，在仿真过程中，利用插值法获得了磁铁矫顽力修正系数，选择了合适的空隙，并最终于经过修正优化的三维静态模型上实现了的瞬态模型的建立，能考虑速度影响的涡流影响，有望为反演研究提供更为准确的数据。

(2)本发明中通过建立三维瞬态模型需求配置中作为运动域的空气域中包裹住检测器的部分空间并配置运动域的相关参数并配置三维瞬态模型需求配置中的瞬态计算时间步长和时间范围，实现了高效的三维瞬态模型。计算平均每步计算时间约为1～2分钟，十几个小时内完成整个瞬态计算。

(3)本发明中由于利用插值法获得了磁铁矫顽力修正系数，选择了合适的空隙，并最终于经过修正优化的三维静态模型上实现了的瞬态模型的建立，使得计算得到的漏磁曲线光滑，且修正了空隙引起的漏磁信号影响。

附图说明

图1为本发明漏磁检测的原理图；

图2为本发明等效磁路模型图；

图3为本发明三维静态模型的整体结构示意图；

图4为本发明三维静态模型的局部结构示意图；

图5为本发明方法实施例中得到的漏磁曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

发明思想：

漏磁检测如图1所示是漏磁检测原理图。实际检测过程，钢刷与管壁紧密接触，但在应用现有有限元技术时，相对运动的部件间必须留有空隙，空隙太小将导致网格划分困难、质量较差或规模过于庞大，空隙太大将导致漏磁信号发生显著变形。选择合适的空隙大小，可提升网格质量、减少网格错误、加快计算速度。

在引入空隙后，还应考虑消除间隙引入的磁场变化。漏磁检测的等效磁路模型，如图2所示，主要由磁铁、钢刷、轭铁、管道、空气隙组成，磁路方程可表示为：

F＝φ(R_m+2R_g+R₁+R₂+R_p||R_c)

式中，F表示检测器的两个永磁铁之间的磁动势，φ表示通过管道的磁通，R_m表示检测器的钢刷、背铁和磁铁的总磁阻，R_g表示钢刷与管道管壁之间空气间隙的磁阻，R₁、R₂、R_p和R_c分别表示2段管道管壁、缺陷和缺陷旁管壁的磁阻。

由于漏磁信号大小与通过管道的磁通大小成正相关，故可以通过提升磁动势的方式补偿引入空气隙造成的漏磁信号降低。对于确定的管道以及缺陷，除气隙磁阻外，其它磁阻为一定值，当气隙大小增大时，若要保持通过管壁的磁通量不变，则需要增加磁动势。

假设气隙长度为l，钢刷横截面积为S，气隙磁导率近似为1，则气隙磁阻为R_g＝l/S，故磁动势增加系数为：

式中，k表示磁动势增加系数，S表示钢刷横截面积，l表示气隙长度。

这里通过增大磁铁矫顽力修正系数的方式进行实现。

另外，为提升网格质量、降低网格规模，针对管道、缺陷、提取点附近区域建立加密区，而在其它次要区域可选择一般或粗糙网格。许多有限元软件可对交叠实体进行处理，如Ansys Maxwell、Infolytica MagNet对于一个大实体完全包住一个小实体时，则小实体的优先级高，据此规则可以建立网格加密区。

本发明的具体实现步骤如下：

1.根据真实测量装置建立三维静态模型

漏磁检测装置一般具有n重旋转对称性，故建模时可结合对称性边界条件，仅建立1/n对称结构；永磁铁、轭铁、钢刷及其它导磁部件按真实尺寸进行建立；由于真实管道远大于检测器，同时考虑到计算资源的有限性，管道长度值可在检测器总长度5～10倍的范围内选择。

2.模型或网格优化

对于影响漏磁场分布的关键区域，通过建立辅助区域，有针对性地加密网格，从而提升网格质量；同时对于次要区域或影响较小的区域，使用一般网格或粗糙网格，从而实现减小网格规模总量，如图3和图4所示，具体步骤为：

1)对于管道中感兴趣的中心区域，建立1个或多个完全包含于步骤1中管道实体的实体，网格密度。优选地，应有1个加密区该组件长度可选择为检测器长度1～2倍；

2)建立缺陷周边网格加密区，该区大小应能完全包容缺陷组件，优选地，其尺寸可设定为最大缺陷的1～2倍；

3)建立缺陷：按设计要求进行建立；

4)针对提取点附近建立多个网格密度由疏至密的辅助部件；

3.建立自动建模脚本

将上述建模过程建立成自动建模脚本。并且定义以下参数：

1)缺陷长度lc、宽度dc、深度hc

2)钢刷于管道空隙大小lg

3)磁铁矫顽力定义为Hc

4)磁铁矫顽力修正系数s

5)磁化器整体偏移量zoffset

4.选择合适的空隙大小lg。

改变参数lg值，建立模型进行计算，并分析静态模型下网格规模于参数lg的关系，据此选择合适的空隙大小。对于外径为813mm的管道，计算发现，当空隙大小为2mm时，网格规模适中、网格质量良好。

5.计算磁铁矫顽力修正系数

1)建立如下表1：配置表的三个模型。为了让计算结果尽可能与检测过程吻合，这里采用改变磁化器偏移量zoffset，逐个计算信号提取点位置的漏磁场值。

表1：配置表

	空隙大小lg	磁铁矫顽力修正系数S	径向漏磁场峰峰值
				模型1	0	1	b<sub>3</sub>
模型2	2	1	b<sub>1</sub>
				模型3	2	1.2	b<sub>2</sub>

2)计算径向漏磁场峰峰值。计算公式如下：

b_r,pp＝b_r,max-b_r,min

式中，b_r,pp表示径向漏磁场峰峰值，b_r,max和b_r,min分别表示径向漏磁信号最大值和最小值；

3)插值计算矫顽力修正系数

由于漏磁场信号与磁铁矫顽力修正系数成正比，故可以通过线性插值计算出修正系数。则，漏磁场峰峰值与磁铁修正系数线性关系的斜率k为：

漏磁场峰峰值与磁铁修正系数线性关系的截距b为：

则磁铁矫顽力修正系数为：

其中，S₁、S₂和S分别为模型2、模型3和模型1的磁铁矫顽力修正系数；b₁、b₂和b₃分别为模型2、模型3和模型1的径向漏磁场峰峰值；

具体实际实施例：

模型序号	空隙大小lg(mm)	矫顽力调整系数S	径向漏磁信号峰峰值b<sub>r,pp</sub>(Gauss)
				模型1	0	1	582
模型2	2	1	528
				模型3	2	1.2	619.4

修正后的模型两个关键参数：空隙大小lg＝2mm，磁铁矫顽力系数为1.119；

6.建立修正后的三维静态模型

其中，空隙大小lg取为2mm，磁铁矫顽力设置为S*Hc；

7.建立三维瞬态模型

1)建立空气域包裹住检测器部分(钢刷、磁铁、轭铁、其它导磁部件)，并将其设置为运动域v，配置运动速度、运动范围、运动域边界。由于检测器完整的从一个缺陷上方扫过过程中，检测运动的距离为检测器的长度，故优选的，运动范围应为检测器总长度的1～2倍。

2)配置瞬态计算时间步长、时间范围。由于检测器真实检测步长一般为1mm/步，故时间步长应小于1/v(ms)，计算总时间根据运动范围进行确定。

如图5所示为采用本发明方法得到的漏磁曲线图，由图可看出曲线光滑，且修正了空隙引起的漏磁信号影响。

综上所述，本发明一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，可归纳概括为：

步骤1：根据真实环境下的实际测量装置建立三维静态模型；

步骤2：对三维静态模型进行模型或网格优化；

步骤3：针对模型或网格优化整个过程建立自动建模脚本；

步骤4：选择合适的空隙；

步骤5：计算磁铁矫顽力修正系数，根据选择的合适空隙和磁铁矫顽力修正系数建立修正后的三维静态模型；

步骤6：对修正后的三维静态模型进行三维瞬态模型需求配置以得到三维瞬态模型并利用该模型进行管道漏磁检测仿真。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据真实环境下的实际测量装置建立三维静态模型；

步骤2：对三维静态模型进行模型或网格优化；

步骤3：针对模型或网格优化整个过程建立自动建模脚本；

步骤4：选择合适的空隙；

步骤5：计算磁铁矫顽力修正系数，根据选择的合适空隙和磁铁矫顽力修正系数建立修正后的三维静态模型；

步骤6：对修正后的三维静态模型进行三维瞬态模型需求配置以得到三维瞬态模型并利用该模型进行管道漏磁检测仿真。

2.根据权利要求1所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述步骤1中的三维静态模型的磁路方程为：

F＝φ(R_m+2R_g+R₁+R₂+R_p||R_c)

式中，F表示检测器的两个永磁铁之间的磁动势，φ表示通过管道的磁通，R_m表示检测器的钢刷、背铁和磁铁的总磁阻，R_g表示钢刷与管道管壁之间空气间隙的磁阻，R₁、R₂、R_p和R_c分别表示2段管道管壁、缺陷和缺陷旁管壁的磁阻。

3.根据权利要求1所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述步骤1中的三维静态模型的磁动势增加系数为：

式中，k表示磁动势增加系数，S表示钢刷横截面积，l表示气隙长度。

4.根据权利要求1所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：在有限元分析软件中，根据真实测试环境情况，针对检测器按照真实尺寸建立对应三维静态模型，针对待测管道按照检测器总长度的设定倍数建立对应三维静态模型。

5.根据权利要求4所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述检测器由永磁铁、轭铁、钢刷及相关导磁部件组成，所述待测管道的设定倍数为所述检测器的最大长度的5倍～10倍。

6.根据权利要求1所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤21：在三维静态模型中的待测管道上建立管道加密区；

步骤22：在管道加密区内建立缺陷附近加密区；

步骤23：在缺陷附近加密区中建立缺陷；

步骤24：针对缺陷信号提取点附近建立辅助部件。

7.根据权利要求1所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述步骤3中的自动建模脚本的定义参数包括：缺陷长度、缺陷宽度、缺陷深度、钢刷于管道空隙、磁铁矫顽力、磁铁矫顽力修正系数和磁化器整体偏移量。

8.根据权利要求1所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：预先改变钢刷于管道空隙大小，通过建模计算后分析三维静态模型下网格规模与钢刷于管道空隙的关系以选择得到合适的空隙。

9.根据权利要求1所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述步骤5中的磁铁矫顽力修正系数的计算过程包括以下分步骤：

步骤51：建立设定表配置的三个模型并逐个获取各个模型下的磁铁矫顽力修正系数和径向漏磁场峰峰值；

步骤52：根据各个模型下的磁铁矫顽力修正系数和径向漏磁场峰峰值通过插值法得到磁铁矫顽力修正系数。

10.根据权利要求1所述的一种用于管道漏磁检测的三维瞬态仿真方法，其特征在于，所述步骤6中的三维瞬态模型需求配置的建立过程包括以下分步骤：

步骤61：建立三维瞬态模型需求配置中作为运动域的空气域中包裹住检测器的部分空间并配置运动域的相关参数；

步骤62：配置三维瞬态模型需求配置中的瞬态计算时间步长和时间范围。