水下系泊缆漏磁检测仪结构设计方法研究

2014-06-27 02:01,,

船海工程 2014年5期

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(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

水下系泊钢缆是FPSO单点系泊系统的重要组成部分，在油田的整个开发过程中往往扮演着重要角色，一旦钢缆出现问题将造成极为严重的后果。目前我国南海的FPSO大多采用系泊钢缆的的系泊方式，以保证单点的安全，但是由于钢缆长期在水下使用，因此经常会出现磨损、断丝等损伤，特别是台风过后需要对系泊钢缆进行全面的无损检测。本文描述了一种针对于系泊钢缆研发的漏磁检测仪的结构设计方法，设计思路是先根据基准参数进行磁路设计，根据此路设计的结构进行压力加载校核。这种设计方法对水下漏磁检测仪的设计趋于成熟具有重要的意义。

1 磁路结构形式

磁化磁路中包括永磁体、衔铁、钢缆三大组件。永磁体作为励磁源，为磁路提供磁动势，其作用相当于电路中的干电池，只是其供能方式较干电池复杂得多；衔铁在磁路中起到导磁作用，形成高磁导，低磁阻磁回路，相当于电路中的导线，其自身虽然也具有一定的磁阻，但较其他磁路组件而已非常小；钢缆是需要进行磁化的目标构件，整个磁路的目的就是为了使钢缆中产生较大的磁感应强度。见图1[1]。

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1 漏磁检测仪磁路结构示意

考虑要检测137 mm系泊钢缆，对漏磁检测仪进行磁路设计，利用Ansoft Maxwell建立参数化有限元计算模型见图2。

图2 磁路有限元模型

2 磁路的参数化设计

设置边界条件如下。

钢缆直径，137 mm;

计算长度，800 mm;

永磁体参数，100 mm×80 mm×40 mm;

检测仪内径，152 mm;

永磁体间距为，180 mm。

钢缆和衔铁内的磁场强度均处于均匀分布状态。在钢缆中间段存在一段均匀区域，而衔铁在靠近永磁体内边缘附近出现磁场集中，类似应力集中现象，见图3。

图3 xoz平面磁感应强度分布云图和矢量图

条形磁铁附着在永磁体外表面，其主要作用是形成高磁导、低磁阻的磁回路，即衔铁是作为辅助构件施加于磁路，因此，必须保证衔铁具有足够的厚度。但是，厚度增加将导致仪器变得笨重，所以在保证磁路要求的条件下，尽可能减小衔铁厚度十分必要。条形衔铁越厚，钢缆磁化效果越好，这是因为衔铁越厚，其截面积越大，通过相同的磁通量时，磁感应强度越低，对于的磁导率越大，所以磁阻越小，磁化效果越好[3]，见图4。

图4 磁感应强度轴向分布曲线

1)衔铁厚度影响分析。从轴向分布结果看，衔铁厚度基本不影响均匀段长度。但是，随着衔铁厚度的增加，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[4]。

2)永磁体间距影响分析。随永磁体间距增加，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，磁阻增大，而钢缆的磁导率较大，所以磁阻增加幅度较小，因而导致磁感应强度略微减小[5]。

3)永磁体厚度影响分析。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[6]。

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。

最终通过优化，得到磁路参数的调整如下。

永磁体尺寸，100 mm×80 mm×45 mm;

检测仪内径，152 mm;

永磁体间距，190 mm。

3 结构校核计算

通过计算确定了水下系泊钢缆漏磁检测仪的磁路结构和尺寸。另外，考虑到检测电路、密封、加工与安装等方面的影响，确定检测仪的结构见图5。

图5 检测仪结构

为保证检测仪在水下对系泊钢缆进行安全、可靠、无损伤的检测，必须保证检测仪具有足够的强度，本文考虑应用的水深为300 m。

考虑水下风、浪、流的作用载况，运用MSC.Patran对检测仪进行建模和加载，采用MSC.Nastran进行直接计算，获得检测仪在水下作业过程中的详细受力状态，并采用等效应力校核结构强度。

1)计算模型。磁路部分和检测部分是仪器的主要功能模块部件，而安装在仪器内的检测构件——霍尔元件和聚磁环，尺寸小、重量轻，对检测仪的结构强度几乎没有影响。因此，将整个检测仪结构分为磁路部分和非磁路部分。利用MSC.Patran对漏磁检测仪进行建模，磁路部分结构见图6。

图6 磁路部分结构

非磁路部分结构包括内套筒、盖板、端部封头和连接件等构件，各构件结构见图7。

图7 内套筒结构

2)有限元模型。计算模型考虑了检测仪的主体部分，即检测仪外壳、内壳及磁块。在用MSC.Patran软件对其进行建模时，尽量使模型与实物保证一致性。忽略连接件、螺纹孔等对结构强度无实质影响的附属构件，见图8。

图8 漏磁检测仪有限元模型

模型主要采用六面体单元，用以模拟整个模型。模型尺寸接近10 mm×10 mm×10 mm。模型过渡处均采用规则单元，使其能得到更真实的应力，见图8。模型共17 592个单元，26 106个节点。静力计算时共74 859个自由度。检测仪主要由钢、铝合金、聚甲醛(高分子材料)和不锈钢4种材料制成，见表1。