考虑磁极边缘效应的管道轴向磁路模型

摘要

【目的】磁路法是一种用于分析管道磁场以及优化检测装置设计性能的快速分析方法。现有基于理想假设的传统磁路模型在计算管道内部磁场时，往往忽略边缘磁通和铁磁材料非线性特性的影响，导致理论模型与实测结果之间存在显著偏差，直接影响检测装置设计的可靠性与精度。【方法】针对上述问题，本文提出一种基于磁场分割法的管道轴向磁路建模方法，重点考虑边缘磁阻的实际影响，以建立更为完善的磁路数学模型。将磁化装置与管道视作一个耦合系统，根据激磁区边缘磁场的分布路径，采用磁场分割法将其划分为圆柱体与球体子区域，分别推导出各子区域的磁导表达式，从而构建更准确的气隙磁导数学模型。同时，通过分析X52碳钢材料的磁化特性，得到管道磁化特性表达式。在此基础上，引入等效磁阻网络，建立了一种考虑边缘效应的管道轴向磁路模型，计算了管道磁化区气隙磁场强度及管道内部有效磁场的分布。为验证模型准确性，利用有限元软件构建管道永磁磁化的三维磁场仿真模型，并搭建无损探伤实验平台实际测量激磁端气隙磁场。在验证本文提出模型有效性的基础上，系统分析了管道永磁磁化检测装置的结构参数对管道内部有效磁通的影响机制。【结果】与传统磁路模型相比，本文提出的改进磁路模型在计算管道内部磁场时表现出更高精度，计算结果与有限元仿真结果的吻合良好，磁场强度的相对误差不超过5%。在气隙磁场的实验验证中，改进磁路模型计算值与实测值之间的误差小于30%。该误差主要源于实际测量中传感器定位偏差及材料属性的波动，模型本身仍表现出较强的鲁棒性。进一步分析表明，磁化装置的边缘效应会导致管道内部有效磁通显著衰减，且边缘漏磁系数与磁极的有效磁路长度呈正比关系。磁极间距为磁极有效磁路长度的1.25倍时，可在确保管道被充分磁化至饱和状态的同时有效抑制边缘磁场。【结论】本文提出的考虑边缘效应的管道轴向磁路模型不仅深化了对管道内部磁场分布规律的认识，也为高精度永磁检测装置的结构设计提供了重要的理论依据与模型支持，对提升管道无损检测技术水平具有积极意义。

关键词

管道检测 / 永磁装置 / 边缘效应 / 磁路模型 / 磁场分割法 / 非线性 / 有限元 / 无损探伤

基金资助

国家自然科学基金项目(62101356)