臥式儲(chǔ)罐漏磁內(nèi)檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究

孫立強(qiáng)

(克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系)

臥式圓柱形儲(chǔ)罐具有承受較高正壓和負(fù)壓的能力，有利于減少油品的蒸發(fā)損耗，也減少了發(fā)生火災(zāi)的可能性，它可以成批制造，然后運(yùn)往工地安裝，便于搬運(yùn)和拆遷，機(jī)動(dòng)性較好，因此廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。而目前對(duì)此類(lèi)儲(chǔ)罐的安全檢測(cè)還沒(méi)有比較完善的方法。漏磁檢測(cè)憑借其特有的優(yōu)勢(shì)，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展，目前我國(guó)漏磁檢測(cè)研究取得了許多成果，并應(yīng)用于立式儲(chǔ)罐罐底板檢測(cè)及管道檢測(cè)等方面，但是對(duì)于應(yīng)用到臥式儲(chǔ)罐檢測(cè)的研究還較少[1]。筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有漏磁檢測(cè)的研究進(jìn)展，提出臥式儲(chǔ)罐內(nèi)部漏磁檢測(cè)方法，對(duì)檢測(cè)的影響因素進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)臥式儲(chǔ)罐檢測(cè)系統(tǒng)并驗(yàn)證了此方法實(shí)際應(yīng)用到臥式儲(chǔ)罐檢測(cè)中的效果。

1 漏磁檢測(cè)原理與影響因素

實(shí)際臥式儲(chǔ)罐多采用導(dǎo)磁性能良好的高碳鋼或者合金鋼制成，適合利用漏磁檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。漏磁檢測(cè)是利用磁現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)鐵磁材料工件表面及近表面缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法[2]。它通過(guò)電磁能量與被測(cè)件之間的交互作用來(lái)檢測(cè)工件存在的缺陷。筆者采用永磁局部磁化方式，磁化結(jié)構(gòu)沿著儲(chǔ)罐內(nèi)壁周向進(jìn)行掃描檢測(cè)。

影響臥式儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)的因素主要有以下幾個(gè)方面：

a. 磁化場(chǎng)的強(qiáng)弱對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的影響很大。由于磁化場(chǎng)決定了工件的磁化程度(磁感應(yīng)強(qiáng)度)，當(dāng)磁化程度較低時(shí)，漏磁場(chǎng)偏小，而且增加緩慢，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和值的80%左右時(shí)，漏磁場(chǎng)不僅幅值較大，而且隨著磁化場(chǎng)的增加會(huì)迅速增大。

b. 臥罐的材料和曲率。漏磁檢測(cè)其本身的特性是僅能對(duì)鐵磁性材料進(jìn)行檢測(cè)，所以容器材料的情況也直接影響到臥罐漏磁檢測(cè)的結(jié)果。材料磁導(dǎo)率越低的容器其缺陷漏磁場(chǎng)越不容易被檢測(cè)到；當(dāng)磁化結(jié)構(gòu)一定時(shí)，檢測(cè)還受儲(chǔ)罐的曲率的影響。

c. 缺陷特征對(duì)漏磁場(chǎng)的影響。對(duì)臥式儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，缺陷本身是產(chǎn)生漏磁場(chǎng)的主要原因，其中缺陷的方向、大小、位置和性質(zhì)會(huì)對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度產(chǎn)生影響[3]。

實(shí)際檢測(cè)中，檢測(cè)速度、腐蝕產(chǎn)物、表面涂層厚度以及傳感器提離值等都會(huì)對(duì)漏磁檢測(cè)產(chǎn)生一定影響[4]。

2 漏磁檢測(cè)系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

根據(jù)臥式儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)的基本原理，采用局部勵(lì)磁，本設(shè)計(jì)臥式儲(chǔ)罐內(nèi)部漏磁檢測(cè)儀主要由勵(lì)磁裝置、漏磁檢測(cè)裝置及檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)(包括傳感器、信號(hào)采集處理裝置、軟件系統(tǒng))等組成，另外根據(jù)臥式儲(chǔ)罐檢測(cè)儀的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，還應(yīng)該包含有輸入輸出、人機(jī)交互設(shè)備及充電等基本功能。

2.1 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此次分析臥式儲(chǔ)罐的漏磁檢測(cè)采用內(nèi)部周向檢測(cè)，檢測(cè)磁化結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁化結(jié)構(gòu)中銜鐵、永久磁鐵、極靴、氣隙和臥式儲(chǔ)罐罐壁組成了整個(gè)勵(lì)磁回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)容器壁的局部磁化。勵(lì)磁裝置的設(shè)計(jì)是影響檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)能力的主要因素，可以用試件的磁飽和率來(lái)衡量結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足要求，在滿足容器磁化強(qiáng)度的前提下，盡量使磁化結(jié)構(gòu)體積小、重量輕。在理論初步計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS軟件仿真進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定磁鐵、銜鐵和極靴的尺寸參數(shù)。

圖1 臥式儲(chǔ)罐內(nèi)檢測(cè)磁化示意圖

2.2 漏磁檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.2.1傳感器的選擇與應(yīng)用

傳感器作為提取缺陷漏磁場(chǎng)之用，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，本檢測(cè)系統(tǒng)傳感器采用霍爾元件。但傳感器是精密器件，為使其在檢測(cè)過(guò)程中不受到損壞，將其放入由不銹鋼制成的傳感器盒中。

2.2.2編碼器的選擇與應(yīng)用

編碼器主要是選用問(wèn)題，缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)是在空間域上的連續(xù)信號(hào)，根據(jù)空間域采樣定理確定出采樣間隔，光電脈沖編碼器為e6a2型旋轉(zhuǎn)光電脈沖編碼器，采用的采樣間距為2mm。

2.2.3數(shù)據(jù)采集卡的選擇與應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集卡選用PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，動(dòng)態(tài)采集缺陷漏磁場(chǎng)徑向分量與軸向分量及傳感器位移信息。

2.3 檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和分析軟件組成。根據(jù)臥式儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)儀的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，其信號(hào)處理系統(tǒng)必須包含有數(shù)據(jù)采集、顯示、報(bào)警、輸入輸出以及充電等基本功能?？紤]到這些要求，設(shè)計(jì)的臥式儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由3部分組成，主體部分包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和PCI2036模塊。

2.4 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

臥式儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)采集和分析軟件是以Windows98/2000/XP為操作平臺(tái)，采用可視化編程工具C++Builder編制的，整個(gè)軟件采用多線程技術(shù)，操作簡(jiǎn)便，軟件的操作能適應(yīng)快速檢測(cè)的需要，可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和缺陷計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)及事后返放分析等功能。此軟件系統(tǒng)可以通過(guò)顯示彩色帶圖的形式實(shí)時(shí)反映缺陷的嚴(yán)重程度，還可以通過(guò)事后返放分析其波形圖。

圖2 信號(hào)處理系統(tǒng)

3 實(shí)際應(yīng)用研究

筆者應(yīng)用研制的臥式儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某容積為5m3的常壓臥式水罐進(jìn)行漏磁掃描檢測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要，在容器內(nèi)部進(jìn)行周向漏磁掃描并對(duì)整個(gè)容器的腐蝕情況進(jìn)行掃描。

經(jīng)過(guò)整體掃描，發(fā)現(xiàn)在筒體和封頭處均存在缺陷，圖3、4分別為截取的臥式儲(chǔ)罐筒體和封頭處的一部分掃描彩色帶圖，從帶圖中可以看出，此次研制的臥式儲(chǔ)罐漏磁內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)不僅能檢測(cè)出缺陷的存在，檢測(cè)的精度可以達(dá)到容器壁厚的20%，而且還可以根據(jù)彩色帶圖的顏色清晰分辨出不同嚴(yán)重程度的容器缺陷。

圖3 儲(chǔ)罐筒體漏磁檢測(cè)彩色帶圖

圖4 儲(chǔ)罐封頭處漏磁檢測(cè)彩色帶圖

圖5為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后返放分析時(shí)臥式儲(chǔ)罐檢測(cè)的一段漏磁波形信號(hào)，可以看出經(jīng)過(guò)軟件的去噪圓滑等處理，漏磁信號(hào)波形圖在缺陷處明顯存在典型的標(biāo)準(zhǔn)漏磁信號(hào)，可根據(jù)此信號(hào)對(duì)缺陷的性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)臥式儲(chǔ)罐檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用研究，應(yīng)用此次設(shè)計(jì)的臥式儲(chǔ)罐漏磁內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)臥罐進(jìn)行漏磁掃描，掃描結(jié)果顯示本套系統(tǒng)不僅可以準(zhǔn)確檢測(cè)出缺陷存在，還可以清晰分辨出不同嚴(yán)重程度的容器缺陷，達(dá)到了對(duì)臥式儲(chǔ)罐高效率、高精確度檢測(cè)的目的，可在臥式儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)中推廣應(yīng)用。

圖5 缺陷信號(hào)波形

[1] 胡浪濤，何輔云．管道漏磁檢測(cè)磁化系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008，22(6)：102～106.

[2] 王賢琴,阮江軍,杜志葉. 鋼管漏磁探傷中孔洞缺陷的漏磁場(chǎng)分析[J].無(wú)損檢測(cè)，2005,27(12):249～241.

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[4] 熊昌勝，何仁洋，陳華偉，等.鋼質(zhì)管道外壁爬行漏磁檢測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2010，26(1):95～98.