FPSO系泊钢缆漏磁检测仪磁路设计

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(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

浮式生产储油卸货装置(floating production storage and offloading),FPSO是全海式油田开发的核心单元，在油田的整个开发过程中往往扮演着重要角色，一旦出现问题将造成极为严重的后果。目前我国的FPSO大多采用转塔式系泊系统，要保证此类FPSO的安全，必须要先保证其单点系泊系统的安全。系泊系统钢缆是整个单点系泊系统的最薄弱环节，除了在日常使用中经常发生断丝和磨损外，在早期的安装过程中也经常使锚缆受到损伤，这些损伤都使得其强度降低，增大了事故风险。所以如何科学、准确地检测FPSO系泊钢缆，具有非常重要的意义。

目前系泊系统钢缆的检测主要采用可视检验、直径测量和内部检验三种方法。前两种可实现水下无损检测，但是仅能观察表面状态，且受海生物的影响，内部检测属于破坏性检测，不能满足水下无损检测要求。因此，有必要研发一套适用于水下环境的FPSO系泊钢缆检测仪。现行陆用钢缆无损检测主要采用漏磁法，并开发、生产了多种型号的漏磁检测仪。但是，陆用钢缆一般直径较小，且无水密保护装置。要把漏磁法检测应用于FPSO系泊钢缆无损检测必须重新设计检测仪的结构和尺寸，其中，系泊钢缆检测仪的磁路设计是检测仪研发的核心内容。

本文应用电磁学有限元分析软件ANSOFT对FPSO系泊钢缆检测仪的磁路部分进行精细建模计算，以减少反复制作样机的过程，提高设计速度和效率。

1 漏磁检测原理

从外部向有不连续性的试块中施加一定的磁场(见图1)，当外部磁场强度低时，磁力线趋向于绕过不连续性在钢中互相聚紧，而不通过不连续性的非磁性区[1]。这样，磁通密度在不连续性区域的上下部位比左右部位要高，材料表面没有明显的漏磁通，见图1a)。随着外部磁场强度增强，材料内部逐渐趋向磁饱和，此时材料表面开始出现漏磁通，见图1b)。

磁化设计的目的在于将检测钢缆磁化到深度饱和区，使钢缆内部缺陷处产生漏磁。典型钢缆深度饱和区对应的磁感应强度在1.75 T附近[2]。

2 初步设计

根据水下系泊钢缆作业要求，确定水下系泊钢缆检测仪磁路结构[3]见图2。

有研究表明，当钢缆直径超过20 mm时，可以用一定数量，均匀分布在钢丝绳周向上的块状永磁来替代图2中的环形永磁，靠近钢丝绳表面处用环形衔铁连接，这样并不影响励磁效果，而且可以降低励磁器的重量。采用等效电路的思想确定磁路构件的材料和初始尺寸见表1。

表1 磁路初步尺寸 mm

图1 不连续性对磁通的影响

Ds-钢丝绳公称直径;Ls-两极靴内侧间距;Lm-永磁沿钢丝绳轴向的长度;Tm-永磁沿钢丝绳径向的厚度;S-钢丝绳表面到衔铁内侧的距离;Tx-衔铁沿钢丝绳径向的厚度;q-永磁与钢丝绳表面的气隙。图2 系泊钢缆漏磁检测仪磁路结构

采用初始尺寸，建立ANSOFT有限元模型，见图3。

图3 ANSOFT有限元模型

利用ANSOFT软件的后处理功能分析磁路参数。为了观测钢缆轴向磁场的分布，在检测仪中心沿x轴向、xoy平面内距离x轴40和68 mm处设置3条提取线，长度为永磁体间距。见图4。

图4 钢缆轴向提取线段

重点研究钢缆轴向磁化效果，3条轴向提取线的磁感应强度数据曲线见图5。

图5 轴向提取线磁感应强度分布

钢缆内部磁感应强度由两端向中间逐渐增大，达到一定数量后在中间一段长度内保持不变，将中间稳定段长度称为均匀段。检测要求有一定长度的均匀段，其具体长度与缺陷的大小和轴向长度有关。从端部到达稳定值之间的区间称为过渡段。

通过软件计算钢缆磁化效果：

工作点，(1.72 T，6 800 A/m);

过渡段长度，50 mm;

均匀段长度，80 mm。

由于工作点对应的磁感应强度为1.72 T，小于1.75 T，因此需要进一步调整磁路尺寸。为此，首先要了解磁路各主要参数对磁化效果的影响规律。

3 优化分析

为了使漏磁检测仪能满足使用要求，必须对初步设计进行调整。调整磁路尺寸之前，首先需要了解磁路主要参数对磁化效果的影响程度，包括钢缆直径、条形衔铁厚度、永磁体轴向间距和永磁体尺寸。

3.1 钢缆直径分析

钢缆直径对磁感应强度的影响分为两个方面。

1)直径越大，空气间隙越小，空气漏磁越小，因而有利于增大磁感应强度。

2)直径越大，钢缆截面积越大，达到相同的磁感应强度所需的磁通量与截面积等比例增大，导致在相同的永磁体磁化作用下，磁化强度减小，起阻碍作用。

两方面影响互为矛盾，同时作用。通过大量计算表明，在钢缆直径达到110 mm左右时，由于磁路中其他构件的阻碍作用，磁通量的增加变得困难，因此随着直径增加，磁感应强度降低速度加快。见图6。

图6 钢缆直径对磁化效果的影响曲线

另外，钢缆直径对均匀段长度有一定影响，但是影响程度较小。

3.2 条形衔铁厚度分析

衔铁厚度的增加，磁化效果的增强速度降低，即当衔铁厚度达到一定程度后，其磁阻不再是影响磁化效果的主要因素，继续增加厚度的作用不大。通过计算：衔铁厚度从48 mm增加到60 mm，厚度增加25%，而磁感应强度仅由1.75 T增加到1.78 T，增长1.7%，明显不经济。

通过计算表明：衔铁厚度基本不影响均匀段长度。

3.3 永磁体轴向间距分析

永磁体轴向间距的增加，使钢缆磁感应强度略有降低，但降幅较小。这是因为永磁体间距增加后，钢缆磁化长度增加，磁阻相应增大；但是钢缆的磁导率较大，所以磁阻增加幅度较小，因而导致磁感应强度略微减小。见图7。

图7 永磁体轴向间距对磁化效果的影响曲线

计算表明：不同永磁体间距的过渡段长度基本相同，在初步设计状态下为40 mm左右。

3.4 永磁体长度分析

通过软件计算表明：永磁体长度增加，磁感应强度增长曲线呈微凸形，长度由80 mm增大到120 mm，增长50%，而磁感应强度由1.50 T增长到1.83 T，增长22%，有显著提高。因为，永磁体长度增加，使得通磁截面积增加，虽然永磁体磁动势略有降低，但磁通量增加，所以钢缆磁感应强度增加。

计算结果同时表明：永磁体长度对过渡段长度基本没有影响。

3.5 永磁体宽度分析

与永磁体长度类似，通过软件计算表明：随着永磁体宽度增加，钢缆磁感应强度增加，但当宽度大于90 mm以后，增长速度明显降低。与永磁体长度一样，宽度主要影响永磁体的磁通量，而磁动势仅略微减小，所以二者的作用相差不大。见图8。

图8 永磁体宽度对磁化效果影响曲线

另外，计算结果说明：永磁体宽度越大，过渡段长度越小，均匀段长度相应增大。这是因为，宽度越大，越接近环形，则激励磁场环形越均匀，过渡段长度因而减小。

3.6 永磁体厚度分析

通过软件计算表明：随永磁体厚度增加，钢缆磁感应强度几乎成线性增大，但增长速度慢。厚度由30 mm增加到60 mm，增长100%，而钢缆的磁感应强度仅由1.64 T增长到1.80 T，增长9.6%。

永磁体厚度增加，直接导致永磁体磁动势增加，使得磁路各部分的磁降势有所增加，所以磁感应强度有所增大，但是整个磁路的磁通量增量是由磁动势的增加而驱动的，其增量值较小，而在截面积不变的条件下，磁感应强度的大小与磁通量成正比，所以钢缆的磁感应强度增加较小。

随着永磁体厚度增加，过渡段长度有所减小。永磁体厚度从两个方面影响过渡段长度。

1)磁动势增加使得空气漏磁增大，因而导致过渡段长度增加。

2)钢缆与外面的条形衔铁距离变大，使得两者间的漏磁减小，从而导致过渡段长度变小。两个方面共同作用，而计算结果表明：距离的削弱作用大于磁动势的增长作用，使得最终的过渡段长度有所减小。

优化分析结果汇总见表2。

表2 参数分析结果汇总

注：优化分析采用单一变量进行，参考尺寸为：钢缆直径 137 mm，衔铁厚度45 mm，永磁体轴向间距180 mm，永磁体尺寸 100 mm×80 mm×40 mm。

4 设计调整及试验结果

4.1 参数调整

根据上述分析的参数影响规律，并考虑结构设计要求和仪器的加工、制作限制，调整磁路参数，结果见表3。

表3 调整后磁路参数 mm

根据调整后的设计尺寸，建立更精细有限元计算模型，见图9和图10。

图9 非空气区域有限元计算网格

图10 空气区域有限元计算网格

通过精细计算获得：

钢缆磁化工作点：(7 748 A/m，1.752 8 T);

均匀段长度：90 mm。

计算结果表明，参数调整后，设计磁路能够满足使用要求。

4.2 试验结果

根据上述尺寸制作样机，并进行试验。

试验试件：长5 m、直径128 mm的单股无保护层钢缆，制作一处断丝1根的人工断丝缺陷。

试验结果见图11。

图11 样机试验结果

样机试验结果表明：通过直接计算设计的漏磁检测仪，磁化性能完全能满足使用要求。

5 结论

1)由于磁化效果随钢缆直径的减小而增强，所以一个内径固定的检测仪的有效检测范围不是由磁化效果限制的，当钢缆直径小于检测仪的标准设计直径时，其磁化效果较标准直径时更强。

2)永磁体长度和宽度对磁化效果的影响基本相同，而宽度还能减小过渡段长度，所以在增大磁铁截面积方面应该优先考虑增大宽度。

3)永磁体的厚度即能增强磁化效果，又能减小过渡段长度，但增强效果不显著，所以在单纯为提高磁化效果的情况下，不采用增加永磁体厚度的方法。

4)使用ANSOFT直接计算进行设计校核，可以获得合理的结果，满足使用要求，同时缩短设计周期，提高设计效率。

[1] 张 勇.漏磁检测若干关键技术的研究[D].合肥:中国科学技术大学,2007.

[2] 中国航空材料手册编辑委员会编.中国航空材料手册:结构钢:不锈钢[M].北京：中国标准出版社，1988.

[3] 田 军.钢丝绳断丝损伤电磁检测原理与技术研究[D].青岛:青岛理工大学,2006.