儲(chǔ)罐底板補(bǔ)板腐蝕缺陷的漏磁場(chǎng)特性

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(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318;2.南京鍋爐壓力容器檢驗(yàn)技術(shù)研究院，南京 210019)

近幾年我國(guó)儲(chǔ)罐事故頻繁出現(xiàn)，國(guó)家對(duì)儲(chǔ)罐的安全也越來越重視[1]，按照標(biāo)準(zhǔn)SYTT 5921-2011《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》和SY/T 6620-2014《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》的規(guī)定，很多儲(chǔ)罐底板都進(jìn)行了補(bǔ)板維修[2]，在運(yùn)行一段時(shí)間后補(bǔ)板也會(huì)發(fā)生腐蝕，并且因?yàn)檠a(bǔ)板和原底板材料的差異，更容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕[3]，而國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)儲(chǔ)罐原底板和補(bǔ)板缺陷信號(hào)的相互影響少有研究，因此對(duì)補(bǔ)板的漏磁檢測(cè)特性研究迫在眉急[4]。筆者以漏磁檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，以試驗(yàn)分析方法為手段，加工多種類型缺陷，對(duì)比分析工程應(yīng)用下不同缺陷信號(hào)的規(guī)律，并對(duì)已經(jīng)補(bǔ)板的儲(chǔ)罐底板進(jìn)行漏磁檢測(cè)試驗(yàn)分析。圖1為某5萬方原油儲(chǔ)罐補(bǔ)板的腐蝕狀況顯示。

圖1 某儲(chǔ)罐補(bǔ)板腐蝕狀況

1 原底板對(duì)儲(chǔ)罐補(bǔ)板漏磁場(chǎng)的影響

以TMS-08M型號(hào)漏磁檢測(cè)儀為例，其檢測(cè)能力為12.5 mm板厚，當(dāng)檢測(cè)6 mm的補(bǔ)板時(shí)，磁化機(jī)構(gòu)必定會(huì)對(duì)補(bǔ)板下方的原底板產(chǎn)生磁化效應(yīng)，在檢測(cè)過程中，受磁場(chǎng)吸附力的作用補(bǔ)板和原底板會(huì)緊密貼合。當(dāng)補(bǔ)板存在缺陷時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)從缺陷處上下表面溢出[5]，補(bǔ)板下方有一被磁化飽和的原底板，缺陷下方空氣中泄漏的磁力線的傳播會(huì)受到阻力，進(jìn)而多數(shù)磁力線會(huì)從缺陷上表面的空氣中傳播，磁感應(yīng)元件檢測(cè)到缺陷上方溢出的磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)比單板檢測(cè)時(shí)的強(qiáng)度要大[6]。當(dāng)原底板存在缺陷時(shí)，缺陷上方存在的磁力線會(huì)對(duì)上方的補(bǔ)板產(chǎn)生干擾，如果缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，則會(huì)影響補(bǔ)板中的磁力線走向，在補(bǔ)板上方產(chǎn)生磁場(chǎng)信號(hào)，磁感應(yīng)元件檢測(cè)到該信號(hào)會(huì)誤認(rèn)為這是補(bǔ)板中的缺陷。同理，當(dāng)補(bǔ)板和原底板都存在缺陷時(shí)，磁感應(yīng)元件檢測(cè)到的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)更大，影響檢測(cè)人員對(duì)缺陷深度的判斷。

同樣以TMS-08M為例，其檢測(cè)能力為12.5 mm板厚，當(dāng)檢測(cè)8 mm的底板時(shí)，磁化機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不足以將8 mm厚補(bǔ)板和原底板同時(shí)磁化至飽和狀態(tài)。當(dāng)補(bǔ)板存在缺陷時(shí)，缺陷下方溢出的磁力線受未被磁化至飽和狀態(tài)的原底板中的磁場(chǎng)影響較小，會(huì)從原底板中穿過，缺陷上方溢出的磁力線會(huì)比單板檢測(cè)的缺陷信號(hào)要小。當(dāng)未被磁化至飽和狀態(tài)的原底板存在缺陷時(shí)，若缺陷尺寸不大，原底板橫截面積中的磁力線不足以從空氣中溢出，此時(shí)原底板的存在不會(huì)對(duì)補(bǔ)板的檢測(cè)產(chǎn)生影響，若缺陷尺寸過大并形成漏磁場(chǎng)，仍會(huì)對(duì)補(bǔ)板的缺陷檢測(cè)產(chǎn)生影響。當(dāng)補(bǔ)板和原底板同時(shí)存在缺陷時(shí)，磁感應(yīng)元件檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)變大。

2 漏磁場(chǎng)缺陷信號(hào)仿真分析

筆者采用ANSYS軟件，選用SOLID117單元進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，然后進(jìn)行實(shí)體建模并設(shè)定單元類型，有限元分析中涉及到的材料有磁化結(jié)構(gòu)外圍的空氣、永磁鐵、儲(chǔ)罐底板、銜鐵和極靴等，儲(chǔ)罐底板厚度設(shè)置為12.5 mm，永磁鐵尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為260 mm×60 mm×15 mm，建立有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型如圖2所示，圓柱形缺陷漏磁場(chǎng)云圖如圖3所示；分別制作直徑為6 mm，深度為10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%板厚的圓柱缺陷進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，10%的缺陷可以被檢測(cè)到，證明12.5 mm的儲(chǔ)罐底板已經(jīng)處于近飽和狀態(tài)，再用此尺寸的磁化機(jī)構(gòu)模擬8 mm補(bǔ)板的漏磁場(chǎng)檢測(cè)。

圖2 儲(chǔ)罐底板網(wǎng)格劃分模型

圖3 圓柱形缺陷漏磁場(chǎng)云圖

圖4 不同深度缺陷的磁場(chǎng)水平/豎直分量曲線

分別建立補(bǔ)板上表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷、補(bǔ)板下表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷兩種分析模型，設(shè)定缺陷深度為20%板厚，補(bǔ)板和原底板板厚均設(shè)置為8mm進(jìn)行模擬，獲取漏磁信號(hào)曲線，結(jié)果如圖5，6所示，圖7為補(bǔ)板上表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷云圖。

圖5 補(bǔ)板上表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷漏磁場(chǎng)分布

圖6 補(bǔ)板下表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷漏磁場(chǎng)分布

圖7 補(bǔ)板上表面缺陷-原底板無缺陷云圖

提取最優(yōu)信號(hào)的仿真數(shù)據(jù)如圖8所示。對(duì)圖8中波峰波谷做差值處理得到如圖9所示曲線，可知缺陷深度為20%板厚時(shí)，儲(chǔ)罐底板上表面缺陷磁場(chǎng)強(qiáng)度>補(bǔ)板上表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷磁場(chǎng)強(qiáng)度>補(bǔ)板下表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖8 補(bǔ)板上下缺陷漏磁信號(hào)對(duì)比

圖9 補(bǔ)板上下缺陷漏磁信號(hào)波峰-波谷差值

建立補(bǔ)板無缺陷-原底板上表面圓柱形缺陷和補(bǔ)板無缺陷-原底板下表面圓柱形缺陷兩種分析模型，設(shè)定缺陷深度為20%板厚，補(bǔ)板和原底板板厚均設(shè)置為8 mm進(jìn)行模擬，獲取漏磁信號(hào)曲線，結(jié)果獲取不到缺陷信號(hào);設(shè)定缺陷深度為40%板厚，此時(shí)才可以獲取微弱缺陷信號(hào)，證明原底板未被磁化至近飽和狀態(tài)。

3 單板腐蝕缺陷試驗(yàn)分析

筆者用Q235鋼板試件模擬8 mm厚的儲(chǔ)罐底板，分別加工不同深度的矩形缺陷、圓錐形缺陷、圓臺(tái)形缺陷、圓柱形缺陷和球形缺陷,如圖10所示，試板長(zhǎng)1 250 mm、寬400 mm，每個(gè)缺陷間距為150 mm，缺陷的深度分別為板厚的20%,40%,60%,80%，以東北石油大學(xué)研發(fā)的TMS-08M(檢測(cè)范圍6～12.5 mm，靈敏度為20%板厚缺陷)漏磁檢測(cè)儀為試驗(yàn)儀器，探究不同類型缺陷信號(hào)的分布規(guī)律。

圖10 不同類型缺陷試驗(yàn)試板

調(diào)試儀器，固定傳感器高度，確保在試驗(yàn)過程中提離值不會(huì)改變，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性[7]，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片和所用軟件界面如圖11所示。多次試驗(yàn)后，對(duì)較好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖12為最優(yōu)傳感器信號(hào)波峰-波谷差值對(duì)比，從圖中可看出幾種缺陷曲線走向趨勢(shì)基本相同，隨著缺陷深度的增加漏磁場(chǎng)信號(hào)逐漸增強(qiáng)，且矩形缺陷信號(hào)強(qiáng)度>圓臺(tái)形缺陷信號(hào)強(qiáng)度>圓柱形缺陷信號(hào)強(qiáng)度>球形缺陷信號(hào)強(qiáng)度>圓錐形缺陷信號(hào)強(qiáng)度。圖12中20%板厚缺陷信號(hào)略有偏差，是由于加工缺陷深度誤差產(chǎn)生的。

圖11 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片及軟件界面示意

圖12 不同類型缺陷信號(hào)的波峰-波谷差值

4 補(bǔ)板腐蝕缺陷試驗(yàn)分析

采用兩個(gè)8 mm厚的Q235鋼板模擬補(bǔ)板和原底板進(jìn)行試驗(yàn)分析，試板長(zhǎng)1 250 mm、寬400 mm，每個(gè)缺陷間距為150 mm，缺陷的深度分別為板厚的20%,40%,60%,80%，將一塊試板放置在另一塊試板上方，模擬補(bǔ)板檢測(cè)。為更好地得到試驗(yàn)規(guī)律，采用TMS-08M儀器(檢測(cè)范圍6～16 mm、靈敏度為20%板厚缺陷)對(duì)補(bǔ)板缺陷特性進(jìn)行試驗(yàn)，首先將儀器放置在補(bǔ)板上方，調(diào)節(jié)傳感器距離補(bǔ)板的距離為0.5 mm，打開檢測(cè)軟件，設(shè)置板厚為8 mm，點(diǎn)擊采集選項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，補(bǔ)板和原底板分6種組合方式進(jìn)行分析：?jiǎn)伟迳媳砻嫒毕?；單板下表面缺陷；補(bǔ)板上表面缺陷-原底板無缺陷；補(bǔ)板下表面缺陷-原底板無缺陷；補(bǔ)板無缺陷-原底板上表面缺陷；補(bǔ)板無缺陷-原底板下表面缺陷。

試驗(yàn)設(shè)備包括：儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)自動(dòng)行走裝置主機(jī)一套；安裝有檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)一臺(tái)；移動(dòng)儲(chǔ)存設(shè)備和記錄本；游標(biāo)卡尺一把；實(shí)驗(yàn)室條件下預(yù)制的Q235鋼試板2塊，厚度為8 mm，其上加工有圓柱形缺陷，缺陷深度分別為板厚的20%，40%，60%，80%。

圖13 試驗(yàn)得到的補(bǔ)板-原底板不同位置缺陷的 彩色帶圖

試驗(yàn)所獲得的彩色帶圖如圖13所示，提取試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，求得最優(yōu)信號(hào)的波峰-波谷差值曲線如圖14所示。由圖14可以看出，上表面缺陷信號(hào)強(qiáng)度略大于下表面缺陷信號(hào)強(qiáng)度，補(bǔ)板缺陷信號(hào)強(qiáng)度小于單板缺陷信號(hào)強(qiáng)度，這是由于補(bǔ)板在磁化過程中有一部分磁力線進(jìn)入到原底板中，使得補(bǔ)板沒有完全磁化至飽和狀態(tài)；圖中可看出20%板厚的缺陷已經(jīng)被檢測(cè)到，并且40%，60%，80%板厚的缺陷都被識(shí)別為40%以下的缺陷，這是因?yàn)樵装鍖?duì)補(bǔ)板的檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生了很大的影響。此外，由單板上下表面數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，隨著缺陷深度的增加，上下表面信號(hào)波峰-波谷差值越來越接近，最后趨近于相等。而補(bǔ)板上下表面缺陷信號(hào)波峰-波谷差值在60%板厚深度缺陷附近有接近趨勢(shì)。

圖14 補(bǔ)板6種組合缺陷信號(hào)波峰-波谷差值曲線

圖15 補(bǔ)板缺陷信號(hào)波峰-波谷差值曲線

筆者忽略磁化過程中補(bǔ)板對(duì)原底板磁化產(chǎn)生的影響，用8 mm厚的塑料墊代替補(bǔ)板探究原底板的磁化狀況。采集數(shù)據(jù)，提取波形圖如圖15所示，20%,40%,60%,80%板厚的缺陷信號(hào)在圖中都可以觀察到，并且被識(shí)別成小于20%板厚的缺陷信號(hào)，只有80%板厚的缺陷被識(shí)別成小于40%板厚的缺陷信號(hào)，說明原底板被磁化至近飽和狀態(tài)。提取波形數(shù)據(jù)與塑料墊代替補(bǔ)板的單板試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，20%板厚的原底板缺陷不能識(shí)別，40%，60%，80%板厚的原底板缺陷信號(hào)強(qiáng)度整體要小于塑料墊代替補(bǔ)板的原底板缺陷信號(hào)強(qiáng)度。這是由于磁化飽和的補(bǔ)板對(duì)原底板的缺陷信號(hào)產(chǎn)生了影響，致使原底板的缺陷信號(hào)無法全部從補(bǔ)板穿過而被有效檢測(cè)到。

5 結(jié)論

(1) 儲(chǔ)罐底板缺陷深度越深，漏磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度越大，在一定范圍內(nèi)，矩形缺陷信號(hào)強(qiáng)度>圓柱形缺陷信號(hào)強(qiáng)度>圓臺(tái)形缺陷信號(hào)強(qiáng)度>球形缺陷信號(hào)強(qiáng)度>圓錐形缺陷信號(hào)強(qiáng)度。

(2) 磁化機(jī)構(gòu)在磁化補(bǔ)板和原底板的過程中，會(huì)首先將補(bǔ)板磁化至近飽和狀態(tài)，但補(bǔ)板缺陷處產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)會(huì)優(yōu)先選擇從未被磁化至飽和狀態(tài)的原底板中穿過，致使大型缺陷量化結(jié)果小于實(shí)際值。原底板大型缺陷處的漏磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)對(duì)補(bǔ)板檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，影響檢測(cè)人員對(duì)缺陷的判斷，此時(shí)可以降低磁化機(jī)構(gòu)的磁化能力，在補(bǔ)板磁化至近飽和狀態(tài)的前提下盡量降低原底板的磁化程度，減少原底板缺陷對(duì)補(bǔ)板檢測(cè)結(jié)果的影響。