金属管道瞬变电磁检测有限元分析.pdf

1、XX 大学毕业设计（论文）毕业设计（论文）题题目目：金属管道瞬变电磁检测有限元分析金属管道瞬变电磁检测有限元分析学学院：院：测试与光电工程学院测试与光电工程学院专业名称：专业名称：测控技术与仪器测控技术与仪器班级学号：班级学号：学生姓名：学生姓名：指导教师：指导教师：二二 Oxx 年年 六六月月金属管道瞬变电磁检测有限元分析金属管道瞬变电磁检测有限元分析摘要：众所周知，金属管道已被广泛应用于石油、天然气、水等资源运输，但是随着管道使用年限的增金属管道的侵蚀已不可避免。侵蚀将会极大的缩短管道的使用年限。瞬变电磁法利用瞬变电磁手段评估金属管道的剩余壁厚，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源

2、电磁探测方法。因为瞬变电磁检测法具有简单易行、信息量丰富、耦合噪声小等优点，并可实现在役、非开挖检测，瞬变电磁检测法已经被越来越多的应用于埋地金属管道检测。ANSYS 是专业的有限元分析软件，其功能强大在多领域多变工程问题的求解有着广泛的应用。它可以非常方便的对各种实际中的工程问题进行建模和求解，并可以直观地体现目前还不易观测、任何试验都无法看到的发生在构造内部的一些物理现象，且 ANSYS 的仿真结果与实际十分接近，于是可以利用 ANSYS 仿真瞬变电磁法对金属管道的检测，为瞬变电磁检测金属管道的机理提供依据。关键词：瞬变电磁检测，金属管道，有限元分析，ANSYSMetalMetal pip

3、espipes FiniteFinite ElementElement AnalysisAnalysis ofof TransientTransientElectromagneticElectromagnetic DetectionDetectionAbstract:As we all know,the metal pipe has been widely used in petroleum,naturalgas,water,transportation and other resources,but with the age increase pipeline corrosionof met

4、al pipes have been inevitable.Erosion will greatly shorten the life of the pipeline.TEM method using transient electromagnetic means to assess the remaining wall thicknessof metal pipes,is based on the principle of electromagnetic induction time domainelectromagnetic method for detecting an artifici

5、al source establishment.Because transientelectromagnetic detection method is simple,informative,coupling noise,etc.,and can beimplemented in-service,non-excavation detection,transient electromagnetic detectionmethod has been used more and more buried metal piping testing.ANSYS is a professional fini

6、te element analysis software,its powerful and varied inmany fields of engineering problems to solve with a wide range of applications.It can bevery convenient for a variety of practical engineering modeling and solving problems,andcan be directly reflected yet easy observation,we can not see any tri

7、al takes place in theinternal structure of a number of physical phenomena,and ANSYS simulation results ofthe actual very close,so you can use ANSYS simulation of transient electromagneticmethod to detect metal pipes,provide the basis for the mechanism of transientelectromagnetic detection of metal p

8、ipes.Keywords:Keywords:Transient Electromagnetic method,Metal pipes,Finite Element Analysis，ANSYS目目录录1绪论1.1瞬变电磁检测发展及研究现状.（1）1.2埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势.（2）2瞬变电磁理论分析2.1瞬变电磁法检测基本原理.（4）2.2时域电磁场的理论基础.（4）2.2.1 微分形式的麦克斯韦方程.（4）2.2.2 积分形式的麦克斯韦方程和电磁场的边界条件.（5）2.3瞬变电磁检测法信号的分析.（7）2.3.1 瞬变电磁信号的动态范围.（7）2.3.2 瞬变电磁信号的

9、衰减特性和频带.（7）2.3.3 瞬变电磁信号的取样.（8）2.4瞬变电磁法常用的激发场波形.（8）3有限元分析方法及 ANSYS 简介3.1有限元分析方法简介.（10）3.2有限元分析法的特点.（10）3.3ANSYS 简介.（10）4埋地金属管道的 ANSYS 三维仿真分析4.1创建埋地金属管道三维模型的物理环境.（12）4.2三维仿真模型的建立.（13）4.3三维仿真模型的网格划分.（16）4.3施加载荷及边界条件.（17）4.4求解及后处理过程.（18）4.5三维管道模型仿真结果分析.（20）4.6不同壁厚的金属管道仿真结果分析.（21）5总结参考文献.（25）致谢.（26）1金属管道

10、瞬变电磁检测有限元分析金属管道瞬变电磁检测有限元分析1 1 绪论绪论1.11.1 瞬变电磁检测发展及研究现状瞬变电磁检测发展及研究现状瞬变电磁检测技术的应用始于 20 世纪 30 年代，当时瞬变电磁检测法是由前苏联科学家1提出被用于完善解决地质结构问题。从这以后前苏联科学家经过近三十年坚持不懈的努力，TEM（Transient Electromagnetic Method)的一维正演和反演被成功推到出。从这以后 TEM 发展十分迅速，随着瞬变电磁检测法的诠释理论和实践理论的建立，瞬变电磁检测法已经进入了实用阶段2。国外，自从二十世纪 70 年代以来，通过利用瞬变电磁法，前苏联科学家开展了大量的

11、实验工作。除此之外，大洋洲和北美等国的科学家也在瞬变电磁的理论和实践两方面做了研究，这使得瞬变电磁法的应用得到了迅速的发展。此时，TEM 已经在军事检测、考古检测、油气勘探、工程勘察和环境调查等多方面有着广泛的应用34；与此同时，在 TEM 仪器设备方面也取得了很大的成功，一些著名的全球仪器仪表公司也先后推出了不同种类的瞬变电磁检测仪器。例如美国 ZONGE 公司生产的GDP-32 系统；澳大利亚 SIROTEM 仪器等。这些仪器的最大的特性就是瞬变电磁检测系统的接收机能够实现全智能化，这使得 TEM 系统能够形成多功能的工作平台。国内，对于瞬变电磁检测法的探索兴起于上个世纪七十年代，中南大学

12、和地矿部物化探研究所等机构率先对瞬变电磁法进行了研究。在一维和二维正演5和反演、瞬变电磁理论的研究、野外实验和仪器的研制等方面它们做出了很大的贡献。与此同时，有关 TEM 方面的书籍也随之涌现出来，例如牛之琏编著的时间域电磁法原理6和王长清、祝西里编著的瞬变电磁场的理论和计算等。近年来由于国内市场的需要，国内 TEM 仪器的发展也十分迅速。廊坊物化探研究所研制的 IGGETEM 系列瞬变电磁仪，中南大学的 SD 系列瞬变电磁仪器，吉林大学研制的 ATEM 系列瞬变电磁仪等。经历了二十多年的发展，国内的瞬变电磁检测法已经在灾害、环境监测和工程检测等方面有了广泛的应用。在工程勘探范畴的应用研究，国

13、内对此方面的研究变得越来越活跃，利用瞬变电磁法检测地下的矿物质一直以来都是很重要的途径。另外在检测石油运输管道腐蚀78状况方面，国内的王淑英和黄桂柏，通过对输油管道的实地检测，成功的验证了瞬变电磁法能够检测埋地输油管道的腐蚀状况，但是瞬变电磁检2测法在对埋地金属管道小面积的比较严重的点状腐蚀的检测灵敏度还比较低，检测的准确性较低。尽管杂散电流和外界磁场等外界条件对检测的结果具有较大的影响，对于埋地金属管道的瞬变电磁检测这已经有了长足的进步。瞬变电磁检测的方法在对埋地金属管道腐蚀状况的检测过程中可以试验不停输和不开挖的在役检测，对金属管道以及金属管道内传输的物质对没有要求，检测的结果都能够直观的

14、显示埋地金属管道的腐蚀状况。尽管在广大科技工作者的共同努力下，瞬变电磁法有了很大的发展，但我们必须认识到在瞬变电磁的理论和计算，TEM 仪器研制等方面与国外还是有着不小的差距，对此我们仍需要付出更多的汗水和努力，进一步缩小与国外的差距。1.21.2 埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势周围土壤的腐蚀和杂散电流的腐蚀是造成埋地管道腐蚀的主要外界条件，长期的腐蚀会造成埋地金属管道穿孔现象的发生，这将会极大的缩短埋地金属管道的使用寿命。因此，埋地金属管道腐蚀状况的检测技术水平的高低对延长管道的使用寿命以及保证工业顺利生产有着非常重要的影响。在实施瞬变电

15、磁法时，具有空间的可分性和时间的可分性9。空间的可分性具体指的是，无论是什么性质的脉冲都能够被分解为不同的频率的余玄信号之和，不同的延时时刻所检测到的频率是不同的，所以在不同的时刻场在埋地金属管道内的传播速度不同，检测的深度也会有所不同。时间的可分性具体指的是，由于检测是在电源信号关断以后的时间段进行的，并且也只能解析脉冲间隙时间段内的数据，因此也就去除了一次磁场的干扰。因为上述两种可分性，瞬变电磁法检测埋地金属管道与其它的方法相比较具有的特点有：（1）在评估埋地金属管道的腐蚀程度时，瞬变电磁检测法是在埋地金属管道所覆盖的土壤上方直接检测埋地金属管道的缺陷，因此瞬变电磁检测法能够实现不开挖、在

16、役检测，这样便可极大的缩短更换和修复的时间，提高检测的效率。（2）瞬变电磁检测法检测埋地金属管道的噪声信号主要来自于自然电磁场和人文电磁场，提高发射功率不仅可以增大信噪比10，而且也能够提高检测的灵敏度。从而，可以达到提高检测深度的目的。（3）瞬变电磁检测法对激励线圈的方位和形状并没有严格的要求，可依据实地的检测条件调整检测装置的结构，因此 TEM 检测埋地金属管道具有灵活、工作简单，工作效率高等优点。总而言之，瞬变电磁法检测技术是一种非接触式信号加载信号的新兴检测技术，3将其应用于检测埋地金属管道，能够实现埋地金属管道检测的不开挖、在役检测，具有简单易行、检测精度高等特点，该技术具有非常广的应用前景。42 2 瞬变电磁理论分析瞬变电磁理论分析2.12.1 瞬变电磁法检测基本原理瞬变电磁法检测基本原理瞬变电磁法基于电磁感应原理，它以电磁的差异作为依据，通过不接入地的回线装置向地下发射一次磁场，在一次场的间歇时间段内，通过接受装置测量出二次磁场随时间的变化，以此来达到探测地下介质的分布特征和性质。如图 2-1 所示。图 2.1 瞬变电磁法检测原理2.22.2 时域电磁场的理论基础时域电磁