缺陷特征對漏磁場檢測的影響規(guī)律

周忠賀 許皆樂，2 古玉祺

（1.浙江省特種設備科學研究院；2.浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室）

常壓儲罐作為石化工業(yè)中儲存有毒有害、易燃易爆等危險化學品的重要工具，對國防建設和國民生活有著戰(zhàn)略性作用［1～3］。儲罐長期運行過程中，受儲存介質堿性、酸性、微生物及氯離子等多因素的影響，經(jīng)常發(fā)生腐蝕失效［4～6］。 為及時發(fā)現(xiàn)底板存在的腐蝕缺陷，避免儲罐腐蝕穿孔、泄漏及爆炸等事故的發(fā)生，常采用無損漏磁檢測技術開展定期檢測。 漏磁檢測技術因缺陷檢出率高、檢測速度快、 易于操作及無需對底板進行打磨、除銹等優(yōu)點，已廣泛應用于立式儲罐底板的缺陷檢測［7～10］。

近年來，國內外學者針對漏磁檢測中缺陷特征對漏磁場的影響開展了相關研究。 紀鳳珠等利用有限元法分析了缺陷漏磁場，得到了三維磁通密度徑向分量曲面圖和矢量圖，直觀展示了缺陷附近的漏磁場特點［11］。 吳德會等研究了漏磁檢測中提離值對檢測結果的影響， 為提高檢測精度、優(yōu)化探測器結構提供了依據(jù)［12］。 楊志軍等就管道缺陷漏磁檢測開展了缺陷特征對漏磁檢測信號影響的研究，發(fā)現(xiàn)缺陷特征與漏磁信號特征之間有特定的關系，采用漏磁信號特征可定量評價缺陷特征［13］。 劉玉琢等探討了不同氣隙距離、板間距和缺陷深度的儲罐底板補板缺陷漏磁場空間分布特性［14］。 鄧志揚等通過對不同表面粗糙度試塊上的人工裂紋進行漏磁檢測試驗，探索了裂紋檢測靈敏度與表面粗糙度間的關系［15］。 然而，有關漏磁檢測方向對缺陷漏磁場的影響卻鮮有研究，因此筆者以漏磁探測器為研究對象，基于漏磁檢測原理，采用有限元分析法就檢測方向等漏磁檢測的影響因素對缺陷漏磁場的曲線分布特性開展研究， 為優(yōu)化探測器的結構提供理論基礎。

1 漏磁檢測有限元模型

漏磁檢測的基本原理是施加局部勵磁場使鐵磁性材料磁化，若材料存在缺陷，則磁導率變化將導致磁力線彎曲畸變，會有少部分磁力線泄漏出材料表面形成漏磁場，利用磁敏元件檢測該漏磁場的信號變化即可實現(xiàn)缺陷的檢出與量化。為完成儲罐底板漏磁檢測中的仿真分析，同時考慮有限元建模、 計算及結果后處理等影響因素，將缺陷和磁化模型簡化，僅對漏磁場改變中起主導作用的局部底板、缺陷、銜鐵、永磁鐵和極靴進行實體建模，缺陷位于中心區(qū)域，圖1 為漏磁檢測有限元簡化模型。 為了更真實地模擬實際模型的外部環(huán)境，檢測模型外圍建立適當大小的空氣域。 儲罐底板尺寸為550 mm×300 mm×8 mm，材料為Q235；定義空氣相對磁導率為1.0，銜鐵和極靴均采用45#鋼，永磁鐵選用鐵銣硼N35，矯頑力895 000 A/m。

圖1 漏磁檢測有限元簡化模型

采用自由網(wǎng)格對有限元模型進行劃分，設置邊界條件求解，有限元分析的邊界是外圍空氣層邊緣，永磁鐵產(chǎn)生的磁力線無法穿透邊界，僅可平行或垂直于外圍空氣層，因此將外圍空氣模型的邊緣設置為平行邊界條件進行求解，得到儲罐底板磁感應強度分布云圖和矢量圖如圖2 所示。由圖2 可知， 大部分磁力線被束縛于底板內部，且經(jīng)永磁鐵、極靴、底板和銜鐵形成了均勻閉合的曲線，缺陷位置處的磁力線發(fā)生了畸變，漏磁場強度較附近區(qū)域強。

圖2 儲罐底板磁感應強度分布云圖和矢量圖

2 有限元模擬分析

2.1 提離值對漏磁場的影響

有限元模型中設置長×深為10 mm×4 mm，寬為2、3、4 mm 的矩形缺陷，其他參數(shù)不變。模擬得到提離值為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mm 時不同缺陷寬度下的漏磁場垂直方向分量Bz及其峰值曲線（圖3）。 由圖3 可知，在同一缺陷寬度下，隨著提離值的增大漏磁場垂直方向分量Bz變化較為平緩，說明隨著提離值的增大，跨過缺陷的磁力線弧度曲率變化平緩； 隨著提離值的增大，Bz峰值呈減小趨勢。 提離值過大或過小均會對檢測結果帶來不利影響。 減小提離值雖能使磁敏元件采集到更多的漏磁場信息，但會增大因提離值波動所產(chǎn)生的誤差；增大提離值則相反，因此要根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇合適的提離值。

圖3 提離值變化時漏磁場垂直方向分量Bz 及其峰值曲線

2.2 缺陷寬度對漏磁場的影響

不同缺陷寬度下漏磁場垂直方向分量Bz曲線如圖4 所示。 由圖4 可知，在同一提離值下，缺陷寬度對漏磁場垂直方向分量Bz曲線的形狀無顯著影響；提離值為1.0、2.0 mm 時，缺陷寬度4 mm 時的Bz峰值略小于寬度為2、3 mm 時的值；提離值為3.0、4.0 mm 時，缺陷寬度4 mm 時的Bz峰值略大于寬度為2、3 mm 時的值。

圖4 缺陷寬度變化時漏磁場垂直方向分量Bz 曲線

2.3 底板厚度對漏磁場的影響

選擇長×寬×深為10 mm×4 mm×4 mm 的矩形缺陷， 對厚度分別為6、8、10、12 mm 的底板建立有限元實體模型，提取路徑上的磁場分量，得到不同底板厚度上提離值為1.0、3.0 mm 時的漏磁場垂直方向分量Bz曲線如圖5 所示。由圖5 可以看出，底板厚度對漏磁場垂直方向分量Bz的影響顯著； 底板厚度為6～10 mm 時，Bz峰值隨底板厚度的增加近似呈線性減小趨勢； 底板厚度為10～12 mm 時，Bz峰值隨底板厚度的增加快速減小。提離值為1.0 mm 時， 底板厚度為12 mm 的Bz峰值最小， 為2.9 mT。 這是因為隨著底板厚度的增加，永磁鐵對被檢底板的磁化飽和度下降，同時缺陷深度百分比相對底板厚度減小， 更多的磁力線直接在底板內部繞過缺陷形成磁回路， 僅有少量的磁力線泄漏到空氣中形成漏磁場， 使漏磁曲線隨著底板厚度的增加而整體下移。 由于漏磁檢測受底板厚度影響較大， 故在實際檢測中應選擇合適的永磁鐵使儲罐底板盡可能達到磁飽和狀態(tài)，或提高磁敏元件靈敏度，以保證缺陷的檢出率。

圖5 底板厚度變化時漏磁場垂直方向分量Bz 曲線

2.4 檢測方向對漏磁場的影響

針對10 mm×2 mm×4 mm、10 mm×3 mm×4 mm、10 mm×4 mm×4 mm 的矩形缺陷開展不同檢測方向（平行長軸方向和垂直長軸方向）的仿真分析， 得到漏磁場磁感應強度B 與Bz曲線如圖6 所示。 由圖6 可知，在同一缺陷下，不同的檢測方向均能對缺陷形成漏磁場，檢測方向對漏磁場影響明顯，且垂直長軸方向的磁感應強度B 和Bz峰值遠大于平行長軸方向的值。 這是因為當檢測方向為平行長軸方向時，即磁力線平行長軸方向時，缺陷寬度較小，且儲罐底板的相對磁導率遠大于缺陷處的空氣相對磁導率，導致大部分磁力線可直接繞過缺陷由附近區(qū)域的底板穿過形成磁回路，僅有一少部分磁力線發(fā)生畸變泄漏到空氣中，再經(jīng)空氣進入儲罐底板，故整體漏磁強度較??；而當檢測方向為垂直長軸方向時，即磁力線垂直長軸方向時，缺陷寬度較大，相對于磁力線來說， 難以在底板內部繞過缺陷形成磁回路， 僅有缺陷邊緣附近的磁力線由底板內部穿過，缺陷中間區(qū)域的多數(shù)磁力線均泄漏到空氣中形成漏磁場，因此整體漏磁場強度較大。 由此可見，在實際漏磁檢測中，對于發(fā)現(xiàn)的異常缺陷應從不同的檢測方向進行復驗， 以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

圖6 不同檢測方向下的漏磁場磁感應強度B 與Bz 曲線

3 結論

3.1 缺陷位置處的磁力線發(fā)生了畸變，漏磁場強度較附近區(qū)域強，漏磁場垂直方向分量Bz峰值隨提離值的增大呈減小趨勢；當缺陷寬度為2～3 mm 時，Bz變化較??； 當缺陷寬度為4 mm 時，在提離值1.0～2.0 mm 范圍內Bz峰值略小于寬度為2、3 mm 的， 在提離值3.0～4.0 mm 范圍內Bz峰值略大于寬度為2、3 mm 的。

3.2 底板厚度6～10 mm 時，Bz峰值隨底板厚度的增加近似呈線性減小趨勢； 底板厚度10～12 mm時，Bz峰值隨底板厚度的增加快速減小，最小峰值為2.9 mT。

3.3 檢測方向對漏磁場影響明顯， 檢測方向為垂直長軸方向的磁感應強度B 和Bz峰值遠大于平行長軸方向的值，因此在實際漏磁檢測中，對于發(fā)現(xiàn)的異常缺陷應從不同的檢測方向進行復驗。