方學(xué)鋒，于永亮，楊志軍，倪靜，劉玉琢，高廷巖

（1.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院， 江蘇 南京 210000）

（2.東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

（3.南京空港油料有限公司， 江蘇 南京 211113）

常壓儲(chǔ)罐主要用于盛裝易燃、易爆、有毒、有害的危險(xiǎn)化學(xué)品，其最主要的失效機(jī)理為腐蝕。受儲(chǔ)存介質(zhì)酸性、堿性、硫離子、微生物等多重因素影響，儲(chǔ)罐底板上表面易遭受到來(lái)自介質(zhì)側(cè)的腐蝕，形成上表面腐蝕缺陷，同時(shí)因基礎(chǔ)密封、排水、結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，儲(chǔ)罐底板下表面也往往會(huì)產(chǎn)生自下而上的土壤側(cè)腐蝕，形成下表面缺陷。隨著上表面缺陷或下表面缺陷的不斷加劇，最終導(dǎo)致常壓儲(chǔ)罐的泄漏失效。

根據(jù)儲(chǔ)罐內(nèi)部腐蝕發(fā)展趨勢(shì)，儲(chǔ)罐檢驗(yàn)通常每5-10年進(jìn)行一次。為了防止泄漏，發(fā)現(xiàn)底板母材中存在的腐蝕缺陷，漏磁檢測(cè)、低頻電磁檢測(cè)、導(dǎo)波檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用[1]。漏磁檢測(cè)技術(shù)主要用于檢測(cè)鐵磁性材料，通過(guò)傳感器采集的缺陷漏磁場(chǎng)強(qiáng)度變化對(duì)缺陷深度進(jìn)行量化[2]。隨著漏磁檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的永磁激勵(lì)式漏磁檢測(cè)設(shè)備可以獲得準(zhǔn)確的缺陷位置信息，能夠?yàn)橛脩籼峁┭氐装彘L(zhǎng)度/寬度方向的缺陷分布，但只有少數(shù)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)底板上下表面缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)識(shí)別，即缺陷沿底板厚度方向的分布特征[3]。目前對(duì)漏磁檢測(cè)的研究大多數(shù)關(guān)注于缺陷的量化、信號(hào)反演、靈敏度的提升等[4]，對(duì)儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)上下表面缺陷識(shí)別的研究甚少。為快速開展維修，準(zhǔn)確判定儲(chǔ)罐腐蝕機(jī)理，在儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)過(guò)程中，為判斷缺陷存在于上表面或下表面，需對(duì)已定位的缺陷進(jìn)行目視檢查或超聲測(cè)厚等方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，不僅導(dǎo)致檢驗(yàn)效率降低，還增加了檢維修停產(chǎn)時(shí)間。

采用有限元方法對(duì)儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)進(jìn)行仿真，旨在通過(guò)漏磁信號(hào)分布特征識(shí)別儲(chǔ)罐底板上下表面缺陷，減少或避免漏磁檢測(cè)過(guò)程中的目視檢查或其它方法復(fù)驗(yàn)，提高儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)效率，為儲(chǔ)罐失效機(jī)理的分析提供更充分的依據(jù)。

1 儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)有限元分析模型

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)過(guò)程的仿真，同時(shí)考慮建模、計(jì)算、結(jié)果處理等多重因素，僅對(duì)漏磁場(chǎng)變化中起主導(dǎo)作用的磁化結(jié)構(gòu)、局部罐底板、缺陷進(jìn)行建模，結(jié)合模型的對(duì)稱性，建立了圖1所示的漏磁檢測(cè)簡(jiǎn)化模型，檢測(cè)模型外圍建立包圍空氣模型。儲(chǔ)罐底板的尺寸為600mm×320mm×8mm，材料為Q235。銜鐵和極靴均采用45#鋼，永磁鐵采用鐵釹硼N35，磁化結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)際漏磁檢測(cè)設(shè)備相同。在外圍空氣模型的邊緣設(shè)置平行邊界條件進(jìn)行求解。由于漏磁檢測(cè)設(shè)備傳感器中沿水平方向分布，其采集到的信號(hào)反應(yīng)了磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量（BY）的變化規(guī)律，在仿真結(jié)果中提取圖1中不同路徑上的磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量（BY），即為磁化結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)傳感器所采集到的漏磁場(chǎng)信號(hào)。

圖1 儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)三維有限元簡(jiǎn)化模型

2 漏磁檢測(cè)有限元分析

為驗(yàn)證傳感器的布置位置與鋼板上下表面缺陷漏磁場(chǎng)分布的關(guān)系，有限元模型中分別設(shè)置寬度為5mm、長(zhǎng)度為5mm、深度為20%板厚的矩形上下表面缺陷，針對(duì)傳感器位置、傳感器提離值等條件進(jìn)行分析。

2.1傳感器的位置與上表面缺陷漏磁場(chǎng)的影響關(guān)系

設(shè)置提離值為1mm，改變傳感器與磁化結(jié)構(gòu)中心的距離分別為40.5mm、50.5mm、60.5mm、70.5mm，提取傳感器經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)引起的漏磁場(chǎng)豎直方向分量變化量，結(jié)果如圖2所示。改變提離值為2mm、3mm和4mm，提取傳感器行進(jìn)過(guò)程中引起的漏磁場(chǎng)豎直方向分量變化量，結(jié)果分別如圖3～圖5所示。

圖2 提離值1mm-不同傳感器位置缺陷漏磁場(chǎng)分布圖

圖3 提離值2mm-不同傳感器位置缺陷漏磁場(chǎng)分布圖

圖4 提離值3mm-不同傳感器位置缺陷漏磁場(chǎng)分布圖

圖5 提離值4mm-不同傳感器位置缺陷漏磁場(chǎng)分布

從圖2～圖5可以看出，傳感器距離磁化結(jié)構(gòu)中心為40.5mm、50.5mm和60.5mm時(shí)所獲得的缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量基本一致，當(dāng)傳感器距離磁化結(jié)構(gòu)中心為70.5mm時(shí)，所獲得的缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量快速減小。

2.2 提離值與上表面缺陷漏磁場(chǎng)的影響關(guān)系

傳感器提離值為0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm時(shí)，不同傳感器中心距情況下漏磁場(chǎng)豎直分量變化如圖6～圖8所示。缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量隨提離值的增大而減小，提離值為3mm和4mm時(shí)，缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量峰值明顯降低。

圖6 傳感器與磁化結(jié)構(gòu)中心的距離40.5mm-不同提離值缺陷漏磁場(chǎng)分布

圖7 傳感器與磁化結(jié)構(gòu)中心的距離50.5mm-不同提離值缺陷漏磁場(chǎng)分

圖8 傳感器與磁化結(jié)構(gòu)中心的距離60.5mm-不同提離值缺陷漏磁場(chǎng)分布圖

3 底板上下表面缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)分析

為研究不同缺陷條件下漏磁檢測(cè)信號(hào)存在的差異，提取傳感器提離值2mm，中心距40.5mm、50.5mm、60.5mm情況下，深20%板厚的上/下表面缺陷的有限元分析結(jié)果，獲得的缺陷漏磁場(chǎng)豎直分量如圖9～圖11。

圖9 40.5mm-上下表面缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量

圖10 50.5mm-上下表面缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量

圖11 60.5mm-上下表面缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量

當(dāng)傳感器與磁化結(jié)構(gòu)中心距離為40.5mm、50.5mm、60.5mm時(shí)，上/下表面缺陷磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量的分布規(guī)律差異明顯。存在上表面缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度BY變化，存在下表面缺陷時(shí)BY無(wú)明顯變化。也就是說(shuō)，常規(guī)漏磁檢測(cè)設(shè)備中，如在磁極下方增加一組監(jiān)視傳感器，根據(jù)該監(jiān)視傳感器中是否產(chǎn)生漏磁場(chǎng)變化即可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板上下表面缺陷信號(hào)識(shí)別。

4 結(jié)論

本文利用三維有限元的方法建立了常壓儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)的仿真分析模型，分析了儲(chǔ)罐底板上/下表面20%板厚減薄缺陷在不同傳感器中心距時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線，得出結(jié)論如下：

（1）對(duì)于上表面缺陷，傳感器中心距在40.5～60.5mm變化區(qū)間，缺陷漏磁場(chǎng)豎直分量變化較小，傳感器中心距為70.5mm時(shí)，漏磁場(chǎng)徑向分量快速減?。宦┐艌?chǎng)提離值在0.5mm～4mm時(shí)，缺陷漏磁場(chǎng)豎直分量隨提離值的增大而減小。

（2）傳感器中心距40.5～60.5mm時(shí)，如儲(chǔ)罐底板存在上表面缺陷，缺陷漏磁場(chǎng)豎直分量變化明顯；如儲(chǔ)罐底板存在下表面缺陷，缺陷漏磁場(chǎng)豎直分量無(wú)明顯變化。

（3）在常規(guī)漏磁檢測(cè)設(shè)備中，沿水平方向在磁極下方增加一組中心距為40.5～60.5mm的監(jiān)視傳感器，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板上下表面缺陷的識(shí)別。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 王勇，沈功田，李邦憲，等. 壓力容器無(wú)損檢測(cè)—大型常壓儲(chǔ)罐的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2005，(9)：487-490.

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[4] 蔣奇. 管道缺陷漏磁檢測(cè)量化技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2002.