长输管道消磁数值模拟

在长输管道的建设、维抢修过程中，经常产生剩磁。实施焊接作业时，焊接管口存在的剩磁将导致磁偏吹现象的产生。具有一定电离程度的气体构成焊接电弧，焊接电弧的微观结构由分离且有运动方向的正、负电荷组成，流动电荷产生的电流促使电弧周围产生感应磁场。如果分布均匀的电弧磁场被破坏，局部的洛伦兹力过大，受力不均匀电弧将偏离焊条的轴线方向，与电极轴形成倾斜角度，产生电弧偏吹，即磁偏吹。如果不对磁偏吹加以控制，将对焊接产生严重影响：轻者，电弧的稳定燃烧受到影响，造成焊缝根部未焊透、未融合，此时，必须重新焊接管道；重者，焊接作业将无法正常进行[1]，因而影响工程进度和工程质量，恶化管道的物理特性，造成严重的经济损失。

1磁偏吹方向的判定

焊接具有磁性的管道焊口，将有较强的外磁场出现在电弧周围，即由焊口剩磁产生的磁场和电弧产生的磁场组成的复合磁场。该复合磁场的磁场强度超过一定数值后，将会破坏电弧的稳定性。这是因为带电粒子的运动使电弧具有导电性能，而复合磁场会对场强中带电粒子运动产生的洛仑兹力造成影响，进而影响电弧的稳定性。由洛仑兹力的表达式可以推导出偏转角α的计算式[2]：式中：B为磁感应强度，10-4T；I为焊接电流，A；L为焊接电弧长度，cm；K为常数，对于钢的钨极氩弧焊，K＝5。可见，有两种外力对电弧产生作用，一种是电弧中带电粒子在磁场中产生洛仑兹力的总和BLI，另一种是电磁场的收缩力，由流过电弧的电流自身产生，用I2表示。焊接电弧在复合磁场中的偏转角度由这两种外力共同决定。管道焊接处的剩磁磁通量B越大，BLI所表示的洛仑兹力越大。若复合磁场的洛伦兹力大于电磁场的收缩力，即BIL>I2，焊接电弧带电粒子的运动角度将发生偏转，在宏观上表现为电弧偏吹。如果电弧的偏转角度大于45°（图1a），在焊接过程中将出现严重的磁偏吹现象，这是因为剩磁磁场所产生的洛仑兹力，远远大于焊接电流自身的作用力[3]。反之，如果复合磁场的洛伦兹力小于电磁场的收缩力BLI<I2，两种外力的合力则主要作用于焊接电弧中的电荷，使电弧向空间的某一个偏离中心运动，则磁偏吹现象不明显（图1b）。以偏转角度45°为临界点确定管道在可施工范围内的最大剩磁感应强度Bmax[4]。对于长输管道，K值一般取2.5；焊接电流I一般为80~100A，这里取80A；电弧长度取0.2cm。将相关参数代入式（1）可得：Bmax＝0.07I/L，通过计算可知，管道可施焊的最大剩磁感应强度Bmax＝28×10－4T（表1）。

2管道直流消磁磁场的模拟

2.1管道模型的建立[5]以东北管网16MnR管材为对象，由于16MnR管材的相对磁导率与磁场强度呈非线性关系，因此，在建立管道模型之前须对管道的B-H磁化曲线进行定义。利用J40示波器测量16MnR钢管的磁场强度B和磁通量H，并与ANSYS软件提供的B-H磁化曲线进行对比，ANSYS提供的磁通量极大值与实际情况基本一致，但磁通量在磁场强度小于4000时存在明显误差（图2）。同时，16MnR钢管的实测磁导率曲线与ANSYS软件提供的磁导率曲线存在较大差异（图3）。因此，采用实测数据（图2a、图3a）作为模拟管道的基本数据。

2.2直流消磁法模拟ANSYS二维静态磁场模拟主要针对稳态电流、永外加电压、外加磁场、运动导体、永磁体以及外加磁场等激励下产生的静态磁场，只能模拟和计算各种非饱和的磁性材料，不能模拟涡流等由时间变化产生的效应。为了节省计算时间和简化分析过程，对模型进行简化使其成为二维轴对称图形，构建二维静态磁场[6]。由于远场的磁场强度微弱，对工件不构成影响，故不建立远空气场，只建立近空气场，并选用PLANE13作为其单元类型。对于管道和线圈，选用PLANE53作为其单元类型，该单元格的分析结果比PLANE13更加精确（表2）。根据ANSYS模拟结果，磁场以通电螺线管轴线为对称轴呈对称分布，且线圈中心的磁场强度最弱（图4a），距离线圈无限远处的磁场强度为0（图4b）。根据空间磁力线模拟结果（图5a），线圈中心磁力线最稀疏，因此，不应将管道退磁部位放在线圈中心所在位置。沿径向两端管壁的磁场强度最大，无限远处的磁场强度为0，中间区域分布较均匀（图5b）。管道在消磁过程中，由于其末端的磁场强度最高（图6a），因此，测量管道磁性时磁场强度应取最大值，避免消磁过量的现象发生。由于管道轴线上的磁场强度呈非线性减小（图6b），因此线圈不宜过长，需控制在1m以内。若管道磁性过强，可以采用多层缠绕法增强消磁磁场。综上所述，直流消磁法主要有两种基本形式：其一是通过改变直流电的方向和大小，对管道施加外磁场进行消磁，改变电流大小通过调压器或者多抽头变压器自动调压实现，改变电流方向通过时间继电器控制；这种形式要求退磁电流渐变且不断改变方向。其二是不改变直流电的大小和方向，而是使金属材料逐步远离退磁场；这种形式只改变了磁场场强的大小，没有改变场强的方向。由于直流消磁方法的电流方向不变换或者变换的频率较低，从而降低了趋附效应[7]，因此可以消除金属材料内部的磁性。