交流電磁場技術(shù)在儲油罐角焊縫無損檢測中的應(yīng)用

冷建成，周國強(qiáng)，吳海濤，吳澤民

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

立式圓筒儲油罐作為石油化工和儲運(yùn)系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要用于儲存液態(tài)石油。儲罐主要由罐底、罐壁及附件等組成，其失效形式主要為罐底板的腐蝕失效和罐壁板的強(qiáng)度破壞［1］。由于油品屬于易燃易爆危險品，儲油罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行將直接關(guān)系到石化生產(chǎn)和人民生活，因而對其進(jìn)行無損檢測具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對儲罐罐壁板上的活性缺陷和罐底板上的腐蝕檢測技術(shù)相對來說比較成熟，離線檢測最常用的方法是漏磁檢測［2］，RAMíREZ等［3］利用漏磁方法檢測了罐底板腐蝕，并區(qū)分出上、下底板不同的缺陷分類。對于不開罐在線檢測，最有效的方法是采用聲發(fā)射檢測技術(shù)［4］，SOKOLKIN等［5］綜述了聲發(fā)射技術(shù)在檢測立式容器缺陷中的各方面應(yīng)用，但由于其易受噪聲信號干擾而定位精度較差。同時，大型儲罐為焊接結(jié)構(gòu)，尤其是罐底板與罐壁板之間的角焊縫在服役過程中長期承受著頻繁的低周交變載荷，很容易產(chǎn)生疲勞性裂紋，而上述的漏磁方法和聲發(fā)射檢測均不適合。由于使用傳統(tǒng)的磁粉檢測［6］、超聲檢測［7］、滲透檢測［8］等需要去除涂層而非常費(fèi)時、費(fèi)力且損耗較大，為此，文中引入一種新的無損檢測技術(shù)——交流電磁場(Alternating Current Field Measurement，簡稱ACFM)方法進(jìn)行檢測，可以很好地解決該問題。

1 ACFM檢測的基本原理

在20世紀(jì)80年代提出的ACFM技術(shù)是一種新興的電磁無損檢測技術(shù)，它融合了交流電位降(ACPD)和渦流檢測(ET)兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，其理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理［9-10］:當(dāng)載有交變電流的感應(yīng)探頭靠近待測工件時，此均勻電流在周圍的空間中又產(chǎn)生交變磁場，通過檢測磁場強(qiáng)度的變化來判斷是否存在裂紋，如圖1所示(圖中，X軸為裂紋方向，Y軸垂直于裂紋所在平面，同時平行于電流方向，Z軸垂直于導(dǎo)體的表面，并指向外部)。當(dāng)工件表面無缺陷時，平行于工件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx平行于X軸方向，而垂直于工件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz為零;當(dāng)有缺陷時，由于裂紋電阻率增大導(dǎo)致電流場和感應(yīng)磁場均發(fā)生畸變，其中稀疏的電流線與磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx的波谷值相對應(yīng)，即可測出裂紋的深度，順、逆時針電流線分別與磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz的正、負(fù)峰值相對應(yīng)，即可測出裂紋的長度。于是，通過兩個相互正交的磁場變化量可以實(shí)現(xiàn)缺陷大小的定量化檢測。

圖1 ACFM檢測原理示意

2 ANSYS電磁場模擬

利用ANSYS有限元軟件中的三維諧性電磁場分析可以模擬缺陷附近的電磁場擾動［11］。設(shè)一尺寸為40 mm×20 mm×10 mm的低碳鋼平板，中心有一缺陷為長6 mm、深4 mm的半橢圓形裂紋，相對磁導(dǎo)率為210，電阻率為1.1×107Ω·m，現(xiàn)在鋼板上方的圓柱形勵磁線圈中通以5000 Hz的正弦交流電流，則ACFM仿真模型如圖2所示。

圖2 ACFM仿真模型

采用5 kHz的頻率進(jìn)行諧性分析，圖3示出經(jīng)過缺陷中心路徑上的磁通密度曲線，其中，Bx表示平行于工件表面和裂紋走向的磁通密度在X方向上的分量，Bz為垂直于工件表面的磁通密度在Z方向上的分量。

由圖3不難發(fā)現(xiàn)，Bx信號在裂紋最深處出現(xiàn)最小值，而Bz信號在裂紋兩端達(dá)到峰值，該特征與ACFM原理示意圖的基本變化規(guī)律一致，仿真結(jié)果與其檢測原理相吻合。

圖3 經(jīng)過缺陷中心路徑上的磁通密度曲線

3 ACFM檢測系統(tǒng)

3.1 簡介

ACFM檢測系統(tǒng)如圖4所示，主要由掃描探頭、ACFM主機(jī)、計(jì)算機(jī)等組成。探頭在待測工件表面激勵出均勻交變電流，同時獲取工件表面引起的磁場信號變化。選用英國TSC公司的標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭和鉛筆型探頭，通過另一端自帶的5 m電纜線接頭與ACFM主機(jī)相連;主機(jī)主要對探頭采集的初始微弱磁場信號進(jìn)行放大和濾波預(yù)處理，并將A/D數(shù)據(jù)采集卡輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，選用AMIGO金屬裂紋檢測儀，通過COM接口與計(jì)算機(jī)相連;計(jì)算機(jī)裝有ASSISTant裂紋檢測分析軟件，可對被檢工件表面的裂紋缺陷進(jìn)行智能分析與識別。

圖4 ACFM檢測系統(tǒng)

由于儲油罐罐體較高，在上述ACFM檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入45 m探頭延長線及音頻視頻同步傳輸裝置，通過網(wǎng)線或WiFi無線與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)而可進(jìn)行50 m距離遠(yuǎn)程同步實(shí)時檢測;另外，為了消除測量干擾噪聲的影響，將ASSISTant軟件中采集的信號導(dǎo)出為EXCEL文件，然后利用MATLAB軟件讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行EMD濾波處理［12］，從而提高了ACFM缺陷信號解釋的準(zhǔn)確性和自動化程度。

3.2 特點(diǎn)

ACFM檢測系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)由于ACFM屬于非接觸電磁檢測，因而無須清理被測表面的油漆等涂層;

(2)由于ACFM屬于絕對值測量，因而檢測前不需要標(biāo)定;

(3)受提離效應(yīng)的影響較小，檢測精度高;

(4)檢測信號自動保存，可一次性完成缺陷的定性定量檢測。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

某油庫于1965年建庫投產(chǎn)，其6#儲油罐設(shè)計(jì)儲量為10×104m3，結(jié)構(gòu)為立雙盤外浮頂式，罐板由日本引進(jìn)，罐體高度21 m，罐底直徑80 m，罐壁與罐底相交處為角焊縫焊接，應(yīng)用前述的ACFM檢測系統(tǒng)分別對其上、下焊腳進(jìn)行100%檢測。

4.1 檢測方法

檢測前，首先利用標(biāo)準(zhǔn)試板進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。TSC公司提供的平板焊縫功能檢驗(yàn)試塊為一碳鋼試板，含有長50 mm、深5 mm的槽，如圖5所示。

在標(biāo)準(zhǔn)試板上掃描人工缺陷，測試信號如圖6所示?？梢钥闯觯珺x信號在缺陷處突變下凹，Bz信號出現(xiàn)波峰和波谷;同時在右邊的蝶形圖中，圖形顯示Bx達(dá)50%而Bz達(dá)175%，從而確定了整套系統(tǒng)可正常工作。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)試板

圖6 ACFM標(biāo)準(zhǔn)試板測試

現(xiàn)場檢測時，探頭總是沿著與焊縫平行的方向移動，掃描速度盡量保持均勻而平穩(wěn)，一般10～25 mm/s為好;由于標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭的掃描寬度約為20 mm，當(dāng)焊縫寬度超過20 mm時，應(yīng)多次掃描以覆蓋整個焊縫寬度。另外，由于被檢測的角焊縫長度近300 m，應(yīng)對焊縫進(jìn)行分段掃描，同時保證各段有30～50 mm區(qū)域重疊掃描。如果懷疑焊縫中有橫向缺陷時，探頭必須旋轉(zhuǎn)90°重新進(jìn)行掃描。

檢測完畢后，所有信息應(yīng)存檔，按照規(guī)程給出檢測部位的NDT圖紙，并標(biāo)出超標(biāo)缺陷的位置和尺寸，作為后續(xù)修理和更換的依據(jù)。

4.2 檢測結(jié)果與分析

現(xiàn)場檢測系統(tǒng)與探頭掃描路線如圖7所示。

在檢測過程中，ASSISTant ACFM監(jiān)測軟件自動存儲探頭掃描的原始記錄，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)距離“人孔”420 mm附近有一可疑裂紋缺陷，如圖8所示。首先通過移動或者縮放功能，使Bx圖的最小值、Bz圖波峰和波谷的位置都顯示在視圖中;然后在Bx圖中，單擊Bx最小值并向上移動鼠標(biāo)，直到第2條水平線對準(zhǔn)Bx背景水平為止;在Bz圖中，單擊波峰位置并向右移動鼠標(biāo)至波谷位置;接著選擇“數(shù)據(jù)尺寸缺陷”，輸入Bz波峰和波谷之間已測量的距離，此時Bx信號的最小值和背景水平值被自動輸入，進(jìn)而“重新計(jì)算”得到裂紋長11 mm、深1.3 mm。

圖7 現(xiàn)場檢測部位圖

圖8 缺陷尺寸計(jì)算

4.3 遇到的問題及解決辦法

(1)根據(jù)儲油罐底板與壁板角焊縫的受力分析可知，內(nèi)外側(cè)焊縫除了均承受縱向拉應(yīng)力外，內(nèi)側(cè)焊縫還承受橫向拉應(yīng)力，而外側(cè)焊縫承受橫向壓應(yīng)力，因此要對內(nèi)外側(cè)焊縫分別進(jìn)行檢驗(yàn)，且內(nèi)側(cè)焊縫需要開罐后檢測，外側(cè)焊縫也要求在清空卸載后進(jìn)行，以避免漏檢。

(2)當(dāng)角焊縫表面不平或有污物時，應(yīng)清理使得探頭可平穩(wěn)運(yùn)動;由于被檢的角焊縫很長，建議以400 mm長度分段進(jìn)行檢測。

(3)檢測時探頭應(yīng)總沿著焊縫兩焊腳進(jìn)行掃描，推薦速度為10 mm/s。一般情況下盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭，但對于T型角焊縫應(yīng)采用鉛筆型探頭;當(dāng)焊縫寬度超過20 mm時，建議選用陣列探頭，以覆蓋整個焊縫寬度和提高檢測效率。

(4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)較淺的表面裂紋時，可以以ACFM估計(jì)的深度利用打磨來進(jìn)行消除，之后再用鉛筆型探頭檢驗(yàn);當(dāng)計(jì)算裂紋深度大于板厚時，表明裂紋有可能是穿透型焊縫，此時應(yīng)通過裂紋的開口仔細(xì)檢查以尋找進(jìn)一步的證據(jù)來驗(yàn)證，必要時ACFM技術(shù)可以和MPI(磁粉檢測)聯(lián)合作用。

5 結(jié)語

基于ANSYS有限元軟件的電磁場模擬，得到裂紋缺陷引起的磁場畸變與ACFM檢測原理一致，即Bx信號在裂紋中心產(chǎn)生波谷，Bz信號在裂紋兩端呈相位相反的波峰和波谷變化。試驗(yàn)測試及應(yīng)用結(jié)果表明，ACFM檢測技術(shù)具有非接觸測量、無須去除涂層、無需標(biāo)定、檢測速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且檢測結(jié)果實(shí)時儲存，并能對焊縫裂紋實(shí)現(xiàn)定性和定量化評估。將ACFM技術(shù)成功應(yīng)用于儲油罐角焊縫的表面或近表面缺陷檢測，可以滿足無需表面打磨、缺陷定量化檢測、檢測速度快、受外因干擾影響小等現(xiàn)場使用要求，對其他工程結(jié)構(gòu)的無損檢測也具有一定的參考價值。

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