馬 駿，趙雅閣，丁廣軍，曹景林，陳東輝，史雲(yún)霄

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，鄭州 450000）

0 引言

本文基于FSM電場指紋法，提出了一種針對(duì)臥式儲(chǔ)罐的石油石化特點(diǎn)方法，以檢測大型液化天然氣儲(chǔ)罐的缺陷。在檢測初級(jí)階段，無需人工冒風(fēng)險(xiǎn)，具有成本低、靈敏度高、非侵入式，可監(jiān)測不同幾何形狀如焊縫等特點(diǎn)，是解決管段和容器腐蝕測量難題的一個(gè)突破口，降低了停機(jī)成本[1-3]。漏磁檢測系統(tǒng)主要由磁化器（如永磁體）、磁傳感器陣列（如霍爾傳感器）、鋼刷（或極片）和磁軛組成[4]。磁化器使被測鐵磁試樣處于飽和或接近飽和磁化狀態(tài)。由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于空氣的磁導(dǎo)率，如果被測鐵磁試樣中沒有缺陷，磁場強(qiáng)度的大部分流線都限制在材料內(nèi)部；如果試樣中存在缺陷，根據(jù)磁場傳播模型，包括磁場折射和透射等，缺陷附近會(huì)產(chǎn)生漏磁場，其分布特征與缺陷大小有關(guān)。因此，霍爾傳感器和磁阻傳感器等磁傳感器可以用來測量漏磁場的大小和分布，實(shí)現(xiàn)缺陷尺寸的量化和評(píng)估。此外，使用鋼刷（極靴）和磁軛形成閉合磁路，優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，減少背景磁場，提高磁化效率[5,6]。

1 基于有限元漏磁信號(hào)分析

1.1 基于有限元法的儲(chǔ)罐缺陷漏磁信號(hào)影響

基于有限元法的臥式儲(chǔ)罐缺陷漏磁信號(hào)影響因素分析如下：為了解決周向裂紋缺陷常規(guī)MFL檢測中的稀疏采樣問題，本節(jié)提出了一種先對(duì)磁場信號(hào)進(jìn)行積分再采樣的檢測拓?fù)洌⑾鄳?yīng)地發(fā)展了一種磁場空間積分方法，以借助積分操作的累積特性提取裂紋漏磁場的有效信號(hào)。漏磁場的垂直分量（By）分布曲線如圖1。并設(shè)置容器壁厚的40%缺陷深度，缺陷直徑為4 mm～12mm，以分析缺陷直徑對(duì)漏磁信號(hào)的影響；還提取缺陷漏磁場垂直分量（By）分布曲線，如圖2。其中，MFL檢測器的移動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)90°，使其垂直于移動(dòng)方向。擬議的漏磁檢測系統(tǒng)類似于沿縱向掃描，以檢測管道中的縱向缺陷。為了擴(kuò)大測量范圍，采用霍爾元件法來測試磁場的泄漏。霍爾傳感器陣列（SS459A）由10個(gè)傳感器組成。由于磁化方向相對(duì)于行進(jìn)方向的變化，設(shè)計(jì)用于測試新系統(tǒng)的霍爾元件陣列也相應(yīng)變化。

圖1 不同深度垂直分量Fig.1 Vertical components at different depth

圖2 不同直徑垂直分量Fig.2 Vertical components of different diameters

與傳統(tǒng)的無損檢測方法相比，微波檢測作為一種新型的無損檢測手段，具有非接觸、無偶聯(lián)劑，在油氣等介質(zhì)中能量損耗低的特點(diǎn)。為了解決金屬表面缺陷的微波檢測問題，本文建立了TE01型金屬表面裂紋和腐蝕缺陷微波檢測系統(tǒng)、裂紋和腐蝕缺陷的微波檢測模型、缺陷尺寸和微波反射波特征參數(shù)模型，建立了缺陷處TE01微波仿真模型，分析了缺陷處電場、磁場和管壁電流的分布，得到了仿真模型下缺陷處回波損耗的能量損失。為了驗(yàn)證TE01對(duì)不同類型金屬表面缺陷的檢測能力，搭建了TE01模式微波金屬表面缺陷微波檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。TE01模式微波對(duì)金屬表面缺陷的檢測具有很高的靈敏度。

隨著缺陷深度的增加，垂直分量在一定范圍內(nèi)由幅值近似線性增加。圖2則展示了不同直徑垂直分量漏磁曲線仿真量。檢測探頭采用彈簧伺服結(jié)構(gòu)，確保探頭靠近被測鋼板和焊縫。焊縫連續(xù)非接觸掃描漏磁檢測系統(tǒng)由磁結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成；磁性結(jié)構(gòu)由電樞、極靴和磁鐵組成；信號(hào)采集系統(tǒng)由霍爾傳感器、編碼器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。手柄是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，焊縫連續(xù)非接觸掃描MFL系統(tǒng)。

1.2 厚度與漏磁信號(hào)關(guān)系

建立缺陷直徑為5mm、深度為2.4mm、壁厚為4mm～12.5mm的儲(chǔ)罐基于有限元進(jìn)行分析，得到如圖3所示的漏磁場分布曲線（By）。特性曲線表明，容器壁厚增加，由于裂紋是影響焊縫力學(xué)性能的主要缺陷，在許多焊縫缺陷中，預(yù)制矩形槽缺陷被用來模擬試驗(yàn)板上的裂紋缺陷，并分析矩形槽缺陷在不同區(qū)域（焊縫和熔合區(qū)）的分布特征。由于焊縫和鋼板的使用壽命與矩形槽缺陷的深度直接相關(guān)，因而從單向深度方向（其他方向尺寸不變）的幾何變換，研究矩形槽缺陷MFL圖像特征的變化。

圖3 不同厚壁分量曲線Fig.3 Curves of different thick wall components

建立了金屬表面缺陷的微波檢測模型。矩形波導(dǎo)探頭尺寸為59mm×29mm，微波入射波頻率為5.2GHz～6GHz，用于建立裂紋缺陷和腐蝕缺陷的微波檢測模型。微波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，以電場、磁場和壁電流的形式在波導(dǎo)中傳播[7,8]。當(dāng)被測金屬表面存在缺陷時(shí)，缺陷處的邊界條件發(fā)生變化，導(dǎo)致波導(dǎo)中的場分布畸變，傳播模式跳躍。TE01模式微波缺陷檢測模型裂紋缺陷處建立了不同缺陷、裂紋缺陷（50mm×0.3mm×5mm）和不同直角坐標(biāo)類型缺陷的微波仿真模型。

1.3 直徑對(duì)漏磁信號(hào)的影響

為分析儲(chǔ)罐直徑對(duì)缺陷漏磁信號(hào)的影響，建立缺陷深度為4.8mm、直徑為5mm的圓柱形缺陷，對(duì)壁厚為8mm、直徑為2m～6m的儲(chǔ)罐分別進(jìn)行建模分析，通過對(duì)缺陷漏磁信號(hào)垂直分量的比較，選取缺陷漏磁信號(hào)。從圖4可以看出，儲(chǔ)罐直徑變化到相同尺寸的缺陷漏磁信號(hào)，隨著直徑的增大，垂直分量的缺陷漏磁信號(hào)峰值略有減小，而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是隨著直徑的增大，梯形極靴和罐壁間距增大，導(dǎo)致容器壁被測飽和磁化，漏磁信號(hào)減弱。

圖4 不同直徑分量曲線Fig.4 Curves of different diameter components

當(dāng)管道中沒有缺陷時(shí)，矩形波導(dǎo)中的磁場等于管壁電流值，管壁電流等于管壁處的切向磁場，管壁電流等于磁場。當(dāng)缺陷出現(xiàn)在金屬表面時(shí)，電場、磁場和管壁電流的部分能量泄漏到缺陷中，導(dǎo)致波導(dǎo)中電場、磁場和管壁電流的峰值增加。當(dāng)金屬表面缺陷為0.3mm寬的裂紋時(shí)，能量泄漏相對(duì)較高。隨著缺陷寬度的增加，每個(gè)場分量的大小增加。當(dāng)缺陷表面尺寸相同時(shí)，缺陷體積越大，能量泄漏越大，矩形波導(dǎo)中的能量峰值越大。從缺陷處的電場、磁場和管壁電流的分布可以看出，隨著缺陷體積的增加，管壁電流的方向變化越大，管壁電流從缺陷中漏出的越多，矩形波導(dǎo)中的電場和磁場越大，管壁電流峰值越大。

1.4 內(nèi)外壁缺陷對(duì)漏磁信號(hào)的影響

為了分析缺陷內(nèi)外壁的漏磁信號(hào)不同，以厚度為8mm、直徑為2m的臥式儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，分別設(shè)置內(nèi)外壁兩組相同的缺陷，直徑為5mm、深度為壁厚20%～80%的圓柱形缺陷，1mm以上的儲(chǔ)罐內(nèi)壁漏磁缺陷提取，比較磁場的垂直分量，使用深度為40%的壁厚缺陷內(nèi)外漏磁場垂直分量曲線。表1為內(nèi)部和外部缺陷的不同深度與壁缺陷磁場墻體深度（%）垂直分量峰谷差值。

使用深度40%及表1比較可知，MFL信號(hào)有兩個(gè)方向：水平和垂直。由于垂直分量By，漏磁場只受磁極的最小影響，泄漏磁場的內(nèi)壁缺陷強(qiáng)度大于外壁缺陷強(qiáng)度，只是信號(hào)形狀差異不如實(shí)際探測值明顯。

表1 內(nèi)外壁缺陷磁場的深度Table 1 Magnetic field depth of internal and external wall defects

2 實(shí)測分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用厚度8mm、直徑2m的16MnR臥式儲(chǔ)水箱，分別設(shè)置在儲(chǔ)水箱外側(cè)，基于有限元分析，對(duì)臥式儲(chǔ)罐的尺寸加工和裝配過程中的漏磁檢測進(jìn)行了掃描。這套設(shè)備的掃描寬度為100mm，從1mm的值開始，可以動(dòng)態(tài)采集垂直分量的漏磁缺陷和位移傳感器信息。

圖5是容器壁探測實(shí)驗(yàn)設(shè)備效果圖，進(jìn)行實(shí)際探測時(shí)很好檢測缺陷。本文基于漏磁場的垂直分量對(duì)漏磁場進(jìn)行分析。兩極之間的距離以及極靴和鋼板之間的氣隙導(dǎo)致一些磁力線從N極開始，大致平行于朝向S極的板。由于漏磁場的提取磁通密度Bx是在這個(gè)方向上，受其影響很大。使用所示的檢測系統(tǒng)，計(jì)算了3種狀態(tài)下MFL信號(hào)3D圖的垂直分量。疊加在缺陷信號(hào)上的焊縫信號(hào)導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)矩形槽缺陷，它比焊縫中的波峰和波谷更多，即缺陷導(dǎo)致的波峰和波谷通道。當(dāng)矩形槽缺陷位于熔合區(qū)時(shí)，由于缺陷的位置，焊縫的槽道疊加在缺陷的槽道上，與現(xiàn)有焊縫相比，還有一個(gè)峰值，即此處的峰值，即缺陷的峰值通道。在一定掃描方向、波形、峰值和谷值的前提下，焊縫中的缺陷和焊縫本身的MFL信號(hào)以不同的順序出現(xiàn)，首先出現(xiàn)波谷，然后是焊縫本身的峰值，焊縫中的缺陷則相反。對(duì)于焊縫，首先是一個(gè)波谷，然后是一個(gè)波峰，但對(duì)于缺陷，順序相反，這與有限元分析結(jié)果一致。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.5 Experimental equipment

3 結(jié)論

本文基于FSM電場指紋法提出了一種基于有限元的儲(chǔ)罐缺陷研究，以檢測大型液化天然氣儲(chǔ)罐的缺陷，涉及到的技術(shù)包括：容器、管件電機(jī)布置及探針焊接貼合技術(shù)研究；螺柱焊技術(shù)及其焊接工藝；采用最新的濾波去噪芯片，設(shè)計(jì)專用信號(hào)處理電路，配套相應(yīng)計(jì)算軟件，完成特征信號(hào)提??；采用有限元模擬與試驗(yàn)分析方法，確定電流饋入、饋出與電極布置間距的最佳方案。電極陣測量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集與存儲(chǔ)技術(shù)；采用最新的濾波去噪芯片，設(shè)計(jì)專用信號(hào)處理電路，進(jìn)行與計(jì)算機(jī)的配套從而提取信號(hào)。建立實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)庫，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析以及腐蝕結(jié)果評(píng)價(jià)技術(shù)。