X80钢管道磁化特性及退磁仿真分析

玄文博，王维斌，贾仕豪，赵 弘，邱红辉

(1.国家管网集团北方管道有限责任公司管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

0 引言

国内外石油天然气管道向高钢级、大口径、长距离方向发展。西气东输二线等管道工程中已经大量使用X80管线钢，目前X80钢已成为国内天然气输送管道主要用钢[1-3]。然而，由于石油和天然气具有易燃易爆的特性，输送管道一旦发生事故，易导致严重后果[4-5]。因此，为了避免管道事故的发生，需要对管道进行定期检测，对于不满足服役条件的管道，需要将其更换或维修。由于检测过程中，管道被磁化至饱和或近饱和状态，检测过后管道上仍会残留一定的剩磁[6]。在管道换管等维抢修作业中，管道上的剩磁会导致焊接过程中出现电弧磁偏吹现象，容易产生焊接缺陷，从而直接影响焊接质量，使管道质量下降[7]。因此，在焊接前对X80钢管道进行快速有效的退磁，可提高管道的焊接速度和焊接质量，缩短管道维抢修作业时间[8]。

传统退磁方法主要分为：直流退磁法、交流退磁法、直流-交流复合退磁法、居里点热退磁法及旋转退磁法等[9]。考虑到X80钢管道属于镍含量高的高等级合金钢，很容易被磁化[10]，因而X80钢管道剩磁水平要高于低钢级管道。目前应用的退磁设备和技术主要是在离线状态下实施退磁作业，且大部分通过电源加载来实现。本文通过试验获取了X80钢的B-H曲线，并利用Maxwell软件对X80钢磁化特性及实现快速退磁的方法开展研究，为后期X80钢管道的退磁技术发展提供参考。

1 管道磁化特性分析

在外加磁场的作用下，X80钢的磁畴结构发生变化，对于原本没有磁性的X80钢，这一过程就是磁化，而对于原本就具有磁性的X80钢，通过对于外加磁场的控制，可以使X80钢的磁畴再次被打乱，从而减小X80钢本身的磁性，这一过程就是X80钢铁磁材料的退磁。当外加磁场撤掉后，X80钢材料的磁感应强度会减小到与X80钢材料的内部磁场强度相等，这一磁感应强度被称为剩磁。如果继续给X80钢材料施加反向的磁场，X80钢材料的磁感应强度会继续减小，直到外加磁场减小到某一特定值时，X80钢材料的磁感应强度减小为0，此时的外部磁场强度称为X80钢材料的矫顽力，继续增大反向的外部磁场，X80钢材料就会进行反向磁化。

X80钢的磁化特性曲线，是由X80钢材料本身所决定的，因此，本文采用BKT-4500振动样品磁强计进行测试实验，测试设备如图1所示，样本选择10 mm×10 mm×1 mm的X80钢薄膜，测得X80钢的磁化特性曲线(B-H曲线)如图2所示。

图1 BKT-4500振动样品磁强计

图2 X80钢B-H曲线

2 仿真分析

2.1 仿真软件

目前常用的磁场有限元分析软件主要有Maxwell、ABAQUS、MAGSOFT、COMSOL等。其中，Maxwell能够针对电磁场、静态磁场、动态磁场等进行模拟仿真，与其他有限元仿真软件相比，主要有以下优点：数据处理功能强；用户建模界面直观，模型绘制方法简单方便；可以通过输入B-H曲线的方法自行添加材料；网格划分简单精确，可以对网格进行手动剖分；求解器设置步骤简单，根据实际情况选择合适的计算模块，可以节省计算时间，提高效率。

2.2 永磁铁退磁磁路分析

现代原子结构理论认为：从微观角度来看，分子电流磁矩主要可分为轨道磁矩和自旋磁矩2种，轨道磁矩是由于电子绕原子核运动形成的，而自旋磁矩则是由于电子自旋形成的[11]。在磁介质均匀的情况下，分子环流的回绕方向相同，而介质内部任何2个相邻的分子环流中的电流元方向总是彼此相反的，只有横截面边缘上的电流元没有抵消。因此，从宏观角度来看，横截面内所有分子环流作用总和与沿截面边的一个大环形电流的作用效果相同。

设永磁铁的尺寸为a×b×h，单位均为mm，在永磁铁上建立坐标系，如图3所示，磁化方向为沿样板最长边方向。因此，永磁体外部空间中任一点P的磁场可以等效为永磁体表面闭合电流环路A-B-C-D-A所激发的磁场。永磁体的三维磁场分布Hx、Hy和Hz的解析式为：

图3 钢板永磁铁分子环流模型

(1)

Γ(y,a-x,z)+Γ(y,x,z)]

(2)

Hz=k[-Ψ(b-y,a-x,z)-Ψ(y,a-x,z)-
Ψ(a-x,b-y,z)-Ψ(x,b-y,z)-
Ψ(b-y,x,z)-Ψ(y,x,z)-
Ψ(a-x,y,z)-Ψ(x,y,z)]

(3)

辅助函数Γ、Ψ表达式如下：

(4)

(5)

2.3 X80管道样板磁化仿真

使用Maxwell软件建立线圈激励实体模型，如图4所示。该模型主要包括模拟线圈和X80管道样板。将线圈材料设置为铜，通过输入B-H曲线将管道样板材料设置为X80钢，样板尺寸为220 mm×110 mm×

图4 管道样板磁化模型

21.4 mm。

设置磁化线圈为1 500匝，施加电流为3.3 A，经过磁化仿真后，X80钢管道样板的磁场静态云图如图5所示。从图5中可以看出，静态磁化后，管道样板左侧和右侧边缘(图中方框所示位置)磁场数值略小，上侧和下侧边缘(图中圆框所示位置)磁场数值略大，整体来看，样板表面磁感应强度均在8.3～8.6 mT之间，表面磁场分布较均匀。

图5 管道样板磁化仿真云图

2.4 X80管道样板动态退磁仿真

X80钢管道样板退磁装置的仿真模型包括永磁铁、轭铁和X80管道样板，如图6所示。选用不同组数的永磁铁作为退磁装置的磁场源，其中单个磁铁的尺寸为60 mm×20 mm×10 mm，磁极在2个最大面的正中心，1个、2个和3个磁铁叠加后磁极正对位置的磁场强度分别约为25、45、65 mT。外部激励源为1 500匝线圈，电流3.3 A，设置试验管道样板与永磁铁距离为20 mm，将外部激励源和退磁装置放置于X80钢管道样板的上方，设置管道样板为运动部件，磁化线圈和退磁装置为静止部件，管道样板以0.5 m/s的运行速度先后经过磁化线圈和退磁装置，完成磁化和退磁，运动方向平行于磁化线圈和退磁装置，运行长度为3.5 m，迭代步长为0.5 s。

图6 X80管道样板退磁装置仿真模型

图7～图9给出了不同组数永磁铁的动态退磁仿真结果。从图中可以看出，管道样板表面的磁场分布云图均呈现两侧边缘大(图中方框所示位置)、中间区域小的分布规律。管道经磁化后，在外加磁场的作用下，材料的磁畴结构发生变化，管道中间区域的磁畴相互抵消，使得中间区域的磁场较小，而管道边缘处的磁畴不能相互抵消，因而边缘处的磁场较大。采用1组永磁铁(图7)进行退磁时，退磁后样板左侧边缘磁场下降，右侧边缘磁场反而增大，未起到退磁效果，说明采用较低的磁场强度进行退磁时，退磁效果较差。采用2组永磁铁(图8)和3组永磁铁(图9)进行退磁时，退磁前后样板边缘和中间区域磁场下降较明显，说明退磁强度增大后，退磁效果明显提升。

(a)退磁前磁感应强度云图

(a)退磁前磁感应强度云图

(a)退磁前磁感应强度云图

为了进一步分析不同工况的退磁效果，选用退磁前后样板左右两侧边缘峰值磁感应强度变化情况来表征退磁率，如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

式中：η为退磁率，%；η1为样板左侧边缘退磁率，%；η2为样板右侧边缘退磁率，%；Β前为退磁前样板边缘磁感应强度峰值，mT；Β后为退磁后样板边缘磁感应强度峰值，mT。

改变管道样板的运行速度和磁铁的个数，得到不同参数组合下的退磁率，如表1所示。

表1 磁铁个数、退磁速度与退磁率的关系

结合表1数据可以看出，随着退磁装置磁铁个数的增加，即随着退磁强度增加，退磁率有明显提升，即采用3组磁铁进行退磁时，退磁效果要明显好于其他工况。采用1组磁铁进行退磁时，结合图7仿真结果可以看出，由于退磁后右侧边缘峰值增大，未起到退磁效果，因而退磁率为负值。总体来看，退磁效果与退磁强度存在相关性。

采用相同的退磁强度进行退磁时，结合表1数据和3组磁铁在0.1 m/s和0.5 m/s速度下的退磁仿真结果(图9和图10)可以看出，采用0.1 m/s或0.5 m/s的退磁速度，退磁率没有明显变化，说明退磁速度对退磁效果影响不大。

(a)退磁前磁感应强度云图

为了验证仿真结果的准确性，采用相同尺寸的X80管道样板进行动态退磁试验，选择样板水平中心线作为数据采集路径提取退磁前后的仿真数据与试验数据进行对比，以2组磁铁在0.5 m/s速度下退磁为例，如图11所示，退磁试验获取的管道样板磁感应强度曲线呈现边缘大、中间小的分布规律，与退磁仿真获取的曲线规律一致，验证了仿真结果的准确性。

(a)试验结果

3 结论

本文通过试验获取了X80钢的磁化特性曲线，分析了X80钢的磁化和退磁现象，针对永磁铁退磁的磁路进行了理论解析。采用Maxwell仿真软件对X80管道样板进行了静态磁化和动态退磁仿真，静态磁化结果较均匀，建立了退磁率的表征公式，永磁铁对X80管道样板在线退磁的效果与退磁强度存在一定的关联性，受退磁速度影响不大。随着退磁强度增大，退磁效果明显提升。