(1.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，南京 210019；2.南京空港油料有限公司，南京 210000)

0 引言

儲罐作為重要的儲存容器經(jīng)常會發(fā)生腐蝕，按照SY/T 5921—2011《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規(guī)程》和SY/T 6620—2014《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》的規(guī)定，很多儲罐底板都需要補板維修[1]，在維修后的幾年補板也會發(fā)生腐蝕。國內學者對儲罐原底板和補板缺陷信號的相互影響鮮有研究，因此對補板的漏磁檢測特性研究迫在眉睫[2-4]。本研究以漏磁檢測原理為基礎，以仿真分析方法為手段，采用漏磁檢測自動行走裝置進行試驗研究，為補板檢測提供技術支持和為升降距離的設計提供理論基礎。圖1示出某5萬m3原油儲罐補板腐蝕狀況。

1 補板漏磁場空間分布特性仿真分析

漏磁檢測是通過識別缺陷處漏磁場的畸變磁場進行缺陷識別的，儲罐底板的磁化能力對底板的檢測有決定性的影響。本研究以TMS-08M型漏磁檢測儀(檢測能力為6～20 mm板厚)的磁化結構為仿真的磁化結構[5]。

圖1 儲罐補板腐蝕情況

首先選用Solid 117單元進行電磁場分析，然后進行實體建模并設定單元類型，在有限元分析中，涉及到的材料有磁化結構外圍的空氣、永磁鐵、被檢件、銜鐵和極靴等[6-7]。定義好材料屬性后,需要對實體模型進行網(wǎng)格劃分，選用網(wǎng)格規(guī)整的掃略網(wǎng)格劃分方法，所建模型將外圍空氣層外表面設置成磁力線平行邊界條件發(fā)生面，并且選用稀疏矩陣求解器進行求解，圖2示出補板漏磁場分布云圖[8]。

圖2 補板漏磁場分布云圖

1.1 補板合理檢測氣隙距離仿真分析

設置補板厚度為6 mm，原儲罐底板厚度為6 mm，補板和原儲罐底板間隙為1 mm，在補板上方設置長度為4 mm、寬度為4 mm、深度為20%板厚的矩形缺陷，求得補板漏磁場豎直方向分量如圖3(a)所示。每次求解漏磁場時改變氣隙距離，同理，求得厚度8，10 mm補板漏磁場豎直方向分量分別如圖3(b),(c)所示。

(a)6 mm板厚

(b)8 mm板厚

(c)10 mm板厚

選擇不同板厚與基準曲線最為接近的氣隙距離曲線，獲得該曲線漏磁場豎直方向分量如表1所示。

表1 不同板厚的氣隙距離與缺陷信號強度對照

從表1可以看出，6，8 mm厚補板在氣隙距離為9.8 mm和7 mm的情況下的漏磁場豎直方向分量都可以達到基準信號強度，而10 mm厚補板在氣隙距離為4 mm時，仍然難以達到基準信號強度。

1.2 氣隙距離對漏磁場特征分量的影響

對原儲罐底板缺陷漏磁場豎直方向特征分量進行分析，設置補板厚度為6 mm，原儲罐底板厚度6 mm，補板和原儲罐底板間隙為1 mm，在原儲罐底板上方設置長寬為4 mm×4 mm，深度分別為20%，40%，60%，80%板厚的矩形缺陷。每次求解漏磁場時設置氣隙距離分別為9.8,5 mm，得到漏磁場豎直方向分量如圖4所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(c)60%板厚

(d)80%板厚

圖4 6 mm底板-補板缺陷漏磁場分量

從圖4中可以看出，當補板與原儲罐底板厚度為6 mm、板間隙1 mm、氣隙距離為5 mm時，可以觀察到20%板厚、40%板厚、60%板厚和80%板厚缺陷深度的漏磁場豎直方向分量；氣隙距離為9.8 mm時，20%板厚和40%板厚缺陷漏磁場豎直方向分量不明顯，可以觀察到60%板厚和80%板厚缺陷漏磁場豎直方向分量；隨著氣隙距離的增大，不同深度缺陷漏磁場豎直方向分量都有明顯減小的趨勢，表明9.8 mm的氣隙距離可以減小原儲罐底板缺陷對補板檢測帶來的影響[9]。

同理，改變補板厚度為8 mm，原儲罐底板厚度8 mm，每次求解漏磁場時設置氣隙距離分別為7，5 mm，其他條件不變，可以得到類似的結論，即7 mm的氣隙距離可以減小原儲罐底板缺陷對補板檢測帶來的影響，如圖5所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(c)60%板厚

(d)80%板厚

圖5 8 mm底板-補板缺陷漏磁場分量

1.3 板間隙對漏磁場特征分量的影響

對補板和原儲罐底板間隙的漏磁場特性進行分析，設置補板厚度為6 mm，原儲罐底板厚度6 mm，補板和原儲罐底板間隙分別為0.4 mm和1 mm，在原儲罐底板上方設置長寬為4 mm×4 mm，深度為20%，40%，60%，80%板厚的矩形缺陷。設置氣隙距離為9.8 mm，得到漏磁場豎直方向分量如圖6所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(c)60%板厚

(d)80%板厚

圖6 6 mm板不同板間隙缺陷漏磁場分量

從圖6可以看出，當補板厚度為6 mm、原儲罐底板厚度6 mm、氣隙距離為9.8 mm時，板間隙0.4 mm的漏磁場豎直方向分量大于板間隙1 mm的漏磁場豎直方向分量，且隨著缺陷深度的增加，不同板間隙缺陷信號差值明顯增大[10-11]。同理，改變補板厚度為8 mm，原儲罐底板厚度8 mm，設置氣隙距離為7 mm，其他條件不變，可得出相同的結論，如圖7所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(c)60%板厚

(d)80%板厚

2 補板漏磁檢測試驗分析

試驗所需要的設備主要包括：儲罐底板漏磁檢測自動行走裝置主機1套(該裝置可以調節(jié)氣隙距離)；安裝有檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的計算機1臺；移動儲存設備和記錄本；游標卡尺1個；實驗室條件下預制檢測試板6個(厚度為6，8，10 mm)，分別加工矩形缺陷。加工尺寸如圖8所示。

圖8 矩形缺陷加工試板結構尺寸

模擬儲罐底板補板試驗，將2塊6 mm板厚、8 mm板厚和10 mm板厚的檢測試板疊放進行數(shù)據(jù)采集，補板缺陷類型為矩形缺陷，長寬為4 mm×4 mm，加工深度為20%，40%，60%，80%板厚，分別設置氣隙距離為9.8,7,4 mm，板間隙1 mm。

試驗過程如圖9所示，用2塊試板分別代替原儲罐底板和補板進行試驗，獲取的缺陷彩色帶圖如圖10所示，波形圖如圖11所示。

圖9 模擬儲罐補板檢測試驗

(a)6 mm補板

(b)8 mm補板

(c)10 mm補板

圖10(a)，(b)和圖11(a)，(b)中可以明顯觀察到20%板厚，40%板厚，60%板厚，80%板厚的缺陷信號。圖10(c)和圖11(c)中20%板厚缺陷信號不可見，表明儀器對10 mm厚補板小深度缺陷的檢測不可行。

(a)6 mm補板

(b)8 mm補板

(c)10 mm補板

重新模擬儲罐底板補板試驗，將2塊6 mm板厚和8 mm板厚檢測試板疊放進行數(shù)據(jù)采集，補板缺陷類型為矩形缺陷，長度為4 mm，寬度為4 mm，加工深度為20%板厚、40%板厚、60%板厚和80%板厚，分別設置氣隙距離為9.8 mm和7 mm，板間隙為0.4 mm，得到圖12所示彩色帶圖，從圖中可以看出，40%，60%,80%板厚的缺陷信號，表明板間隙越小、原儲罐底板對補板檢測的影響越大。

(a)6 mm補板

(b)8 mm補板

設置原儲罐底板上表面為矩形缺陷，改變氣隙距離為5 mm，板間隙設置為1 mm，其他設置同上，得到如圖13所示彩色帶圖。從圖中可以看出80%板厚的缺陷信號，且被識別成60%以下缺陷信號，提取檢測信號最好的傳感器通道數(shù)據(jù)，求得6 mm板厚和8 mm板厚不同深度缺陷信號波峰波谷差值如表2,3所示。

(a)6 mm底板

(b)8 mm底板

表2 1 mm板間隙、6 mm板厚不同深度缺陷信號波峰波谷差值對照

表3 1 mm板間隙、8 mm板厚不同深度缺陷信號波峰波谷差值對照

改變板間隙為0.4 mm，得到如圖14所示彩色帶圖。從圖中可以看出60%板厚和80%板厚缺陷信號，并且都被識別成60%以下缺陷信號，提取檢測信號最好的傳感器通道數(shù)據(jù)，求得6 mm板厚和8 mm板厚不同深度缺陷信號波峰波谷差值如表4,5所示。

(a)6 mm底板

(b)8 mm底板

圖14 氣隙距離為0.4 mm時，不同厚度原儲罐底板缺陷彩色帶圖

表4 0.4 mm板間隙、6 mm板厚不同深度缺陷信號波峰波谷差值對照

表5 0.4 mm板間隙、8 mm板厚不同深度缺陷信號波峰波谷差值對照

對6 mm不同板間距的缺陷進行對比分析，取表2,4中數(shù)據(jù)，得到圖15所示6 mm板厚缺陷波峰-波谷信號對比圖。同理，取表3，5中數(shù)據(jù)求得8 mm板厚缺陷波峰-波谷信號對比圖如圖16所示?？梢钥闯?，當板間隙為0.4 mm時，所檢測到的原儲罐底板缺陷信號較強，表明板間隙越大，原儲罐底板的缺陷對補板檢測的影響越小。

試驗所得結論與上一節(jié)仿真分析相符合，即：(1)厚度10 mm補板不適合對小缺陷進行識別；(2)厚度6 mm補板檢測時，所設計的9.8 mm檢測氣隙距離可以減小原儲罐底板對補板缺陷檢測的影響，厚度8 mm補板檢測時，所設計的7 mm檢測氣隙距離可以減小原儲罐底板對補板缺陷檢測的影響；(3)增大板間隙，可以降低原儲罐底板對補板缺陷檢測的影響。

圖16 8 mm板厚缺陷波峰-波谷信號對比

3 結論

采用有限元軟件對6，8，10 mm板厚補板漏磁場分布特性進行分析，并搭建漏磁檢測試驗系統(tǒng)進行了試驗驗證，得到如下結論。

(1)6 mm板厚補板檢測的合理檢測氣隙距離為9.8 mm;8 mm板厚補板檢測的合理檢測氣隙距離為7 mm;10 mm板厚不適合進行補板檢測工作。

(2)在一定范圍內，隨著氣隙距離的增大，原儲罐底板缺陷對補板缺陷檢測的影響變小，而板間隙越大，原儲罐底板缺陷對補板缺陷檢測的影響越小。

(3)當板間隙為1 mm時，所仿真的合理檢測氣隙距離可以降低原儲罐底板缺陷對補板檢測的影響。