儲(chǔ)油罐底板腐蝕的弱磁檢測(cè)

王焱祥，于潤(rùn)橋，林志福，胡 誠(chéng)，肖 楠

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.華能汕頭電廠，汕頭 515000)

儲(chǔ)油罐底板腐蝕的弱磁檢測(cè)

王焱祥1，于潤(rùn)橋1，林志福2，胡 誠(chéng)1，肖 楠1

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.華能汕頭電廠，汕頭 515000)

針對(duì)儲(chǔ)油罐底板易形成腐蝕、點(diǎn)蝕、穿孔等缺陷的問題，提出了一種基于地磁場(chǎng)的新型無損檢測(cè)技術(shù)，以人工腐蝕缺陷的試板為研究對(duì)象，進(jìn)行了弱磁檢測(cè)。采用概率法和Symlets小波基分解法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比了兩種方法在缺陷信號(hào)識(shí)別上的優(yōu)缺點(diǎn)，最后通過在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)方法的可靠性。

儲(chǔ)油罐底板；無損檢測(cè)；腐蝕；缺陷識(shí)別

儲(chǔ)罐在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)受到自然環(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)等不利因素的影響，其某些部位會(huì)受到不同程度的腐蝕，為了保障儲(chǔ)油罐的安全可靠運(yùn)行，需要對(duì)儲(chǔ)油罐進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估與維護(hù)[1]。有關(guān)資料表明，在儲(chǔ)罐的腐蝕失效中，底板腐蝕約占80%，目前對(duì)石油儲(chǔ)罐底板腐蝕缺陷常用的無損檢測(cè)方法主要有：漏磁檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉以及聲發(fā)射檢測(cè)等。其中漏磁檢測(cè)、超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)等的檢測(cè)效率較低；聲發(fā)射檢測(cè)則需要較為復(fù)雜的外部條件，且噪聲大，信號(hào)分析困難[2]。近幾年，有學(xué)者提出了一種無需耦合、無需外加磁化就可實(shí)現(xiàn)一定提離情況下的檢測(cè)技術(shù)——弱磁檢測(cè)技術(shù)。于潤(rùn)橋、胡博等利用弱磁檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人工槽模擬GH4169渦輪盤表面裂紋缺陷的檢測(cè)，論證了弱磁檢測(cè)的可行性，理論分析了弱磁檢測(cè)原理和磁異常特征[3]。

弱磁無損檢測(cè)技術(shù)是基于地磁場(chǎng)的被動(dòng)式檢測(cè)方法，無需磁化過程，可避免工件由于剩磁而引起的不利影響，具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、定位精確，可檢測(cè)表面及內(nèi)部缺陷，易發(fā)現(xiàn)微小的穿孔、腐蝕及裂紋，可評(píng)估材料的不連續(xù)性、應(yīng)力集中及易產(chǎn)生缺陷的地方等優(yōu)點(diǎn)。筆者采用了概率法和Symlets小波基分解法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比了兩種方法在缺陷信號(hào)識(shí)別上的優(yōu)缺點(diǎn)，最后通過實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)方法的可靠性。

1 弱磁檢測(cè)原理

弱磁檢測(cè)技術(shù)建立在天然地磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上，通過磁信號(hào)采集儀對(duì)檢測(cè)試樣進(jìn)行掃查，采集不同方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，從而判斷檢測(cè)試樣表面及一定深度范圍內(nèi)是否存在缺陷，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理判斷檢測(cè)試樣中存在缺陷的位置及大小。地磁場(chǎng)可以看成恒定磁場(chǎng)，在地磁場(chǎng)中放入鐵磁性材料待檢試件，試件將會(huì)被磁化；若試件中存在腐蝕缺陷，由于母材的磁導(dǎo)率(鐵磁性材料相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1)與腐蝕缺陷處磁導(dǎo)率(缺陷處空氣為無磁性材料，相對(duì)磁導(dǎo)率約為1)不同，腐蝕缺陷處磁導(dǎo)率小、磁阻大，磁力線將會(huì)改變路徑，形成磁異常，使用高精度的弱磁檢測(cè)儀在試件表面進(jìn)行掃查，即可發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)異常區(qū)域[3-5]。

該技術(shù)不僅僅適用于鐵磁性材料，且適用于順磁性材料，如鋁合金、鎳基高溫合金GH4169材料等。在無強(qiáng)磁干擾的情況下，其對(duì)自然缺陷有更好的檢出率，因?yàn)樽匀蝗毕萁?jīng)過地磁場(chǎng)長(zhǎng)期的反復(fù)作用，在缺陷處的磁疇壁發(fā)生移動(dòng)以及磁化矢量發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生固定的磁疇結(jié)點(diǎn)，固定磁疇結(jié)點(diǎn)內(nèi)的弱磁場(chǎng)在缺陷處會(huì)產(chǎn)生磁異常。

2 試板設(shè)計(jì)

Q235-A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服極限為235 MPa，屬于鐵磁性材料范疇，由于其含碳量適中，綜合性能較好，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到較好配合，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，并常用作儲(chǔ)罐底板的制作材料。使用該種鋼試板進(jìn)行試驗(yàn)，截取了一規(guī)格為1 400 mm×400 mm×6 mm(長(zhǎng)×寬×高)的試板。試板僅通過了機(jī)械鉆孔處理，加工出五個(gè)人工缺陷，缺陷處于同一水平，用于模擬腐蝕及穿孔缺陷，試板寬度為200 mm處該含人工腐蝕缺陷試板的剖面圖如圖1所示。

圖1 含人工腐蝕缺陷試板的剖面圖

3 試驗(yàn)過程及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)方法

使用自主研發(fā)的弱磁檢測(cè)儀檢測(cè)含腐蝕缺陷的儲(chǔ)罐底板，檢測(cè)探頭選用高精度磁通門傳感器，測(cè)量范圍為±250 000 nT，分辨率為1 nT，采樣頻率為12.5 Hz。由于該試板為鐵磁性材料，在一定的提離范圍內(nèi)，自然的地磁場(chǎng)條件下，外界干擾較小，儲(chǔ)罐底板的弱磁檢測(cè)采取手動(dòng)掃查的方式，將探頭置于工件表面上(或者將探頭置于掃查裝置上，探頭與工件表面有一定的提離)，使弱磁探頭在缺陷表面上方勻速穩(wěn)定的移動(dòng)。使用單探頭，將探頭置于工件表面，在試板表面勻速穩(wěn)定地移動(dòng)探頭，勻速移動(dòng)的速度最大不超過6 m/min，采集試件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，并重復(fù)多次掃查，以驗(yàn)證重復(fù)性。分正向和反向兩次掃查對(duì)比驗(yàn)證檢測(cè)的可靠性，正向掃查時(shí)，起點(diǎn)為距離第一缺陷左側(cè)50 mm處，終點(diǎn)為距離第五缺陷右側(cè)150 mm處；反向掃查時(shí)，起點(diǎn)為距離第五缺陷右側(cè)150 mm處，終點(diǎn)為距離第一缺陷左側(cè)50 mm處。兩次掃查長(zhǎng)度均為1 000 mm，正向掃查時(shí)人工缺陷大致位置在50，250，450，650，850 mm處，反向掃查時(shí)人工缺陷大致位置在150，350，550，750，950處，得出的檢測(cè)信號(hào)如圖2所示。

圖2 人工試板腐蝕缺陷的弱磁檢測(cè)信號(hào)

3.2 缺陷提取

3.2.1 概率法缺陷提取

由于所采集到的非平穩(wěn)信號(hào)是板材磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)和缺陷處磁異常信號(hào)的疊加，板材的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)可以理解成是平穩(wěn)的背景場(chǎng)信號(hào)，而磁異常信號(hào)是一種幅度改變較大、發(fā)生時(shí)機(jī)不確定的非周期性擾動(dòng)信號(hào)，因此可以認(rèn)為磁異常幅度的變化服從正態(tài)分布；根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律，檢測(cè)過程中若遇到缺陷，缺陷處將產(chǎn)生磁異?，F(xiàn)象，所采集的磁場(chǎng)信號(hào)表現(xiàn)為異常點(diǎn)，異常點(diǎn)的發(fā)生屬于小概率事件，可以計(jì)算出相應(yīng)的置信區(qū)間，設(shè)定閾值，超出閾值線的再將其判斷為缺陷產(chǎn)生的異常信號(hào)。

設(shè)隨機(jī)變量ξ服從正態(tài)分布N(μ,σ2)，μ為數(shù)學(xué)期望，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。則隨機(jī)變量ξ落在區(qū)間(μ-aσ,μ+aσ)內(nèi)的概率為：

(1)

當(dāng)a=1.96時(shí)，其置信水平為95%，隨機(jī)信號(hào)落在該區(qū)間內(nèi)則認(rèn)為是可信的無缺陷信號(hào)，落在該區(qū)間外的認(rèn)為是不可信的異常缺陷信號(hào)。磁場(chǎng)為矢量信號(hào)，測(cè)量的實(shí)際信號(hào)是磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，信號(hào)處于不同的水平，磁場(chǎng)梯度信號(hào)可以反映出磁信號(hào)的突變狀況，且信號(hào)處于同一水平。通過計(jì)算測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)和磁場(chǎng)梯度信號(hào)，再對(duì)磁場(chǎng)梯度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得出置信水平為95%的閾值曲線如圖3所示，超出閾值線的地方即可以判定為由缺陷引起的異常信號(hào)，在正向掃查和反向掃查處理信號(hào)中均有6處超出閾值線，通過實(shí)時(shí)評(píng)判顯示第4處不是人工缺陷，其他5處均為人工腐蝕缺陷。

圖3 置信水平為95%的閾值曲線(人工試板)

3.2.2 小波分析法缺陷提取

小波分析是一種信號(hào)的時(shí)間-尺度(時(shí)間-頻率)分析方法，它具有多分辨率分析的特點(diǎn)，在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，常用于分析正常信號(hào)中的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象并展示其成分。

圖4 人工試板檢測(cè)信號(hào)的三尺度重構(gòu)曲線

Symlets小波基具有較好的正則性和對(duì)稱性，ψ(t)和尺度函數(shù)φ(t)中的支撐長(zhǎng)度為2N-1，消失矩階數(shù)為N-1；隨著階次的增大，消失矩階數(shù)也增大，有利于數(shù)據(jù)的壓縮和消除噪聲，頻域的局部化能力越強(qiáng)，支撐長(zhǎng)度也會(huì)增加，會(huì)耗費(fèi)更多的計(jì)算時(shí)間，緊支性減弱。因此，筆者選用了sym8小波基對(duì)信號(hào)進(jìn)行三尺度分解，分解為三層高頻系數(shù)和第三層低頻系數(shù)，并對(duì)系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，三尺度重構(gòu)曲線如圖4所示，其中a3為第三層低頻系數(shù)重構(gòu)曲線，d1、d2、d3分別為第一、二、三層高頻系數(shù)重構(gòu)曲線。圖4表明缺陷信號(hào)的頻率段主要集中在d1、d2中的頻率段，頻段范圍為±2 000 Hz；從d1、d2分量中，可以看出5個(gè)缺陷的信號(hào)都存在，在d1中缺陷5與無缺陷處的區(qū)分度不高，d2中缺陷5與無缺陷處的區(qū)分度較好。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

從單通道的檢測(cè)結(jié)果及缺陷提取進(jìn)行分析，證明了弱磁檢測(cè)儲(chǔ)罐底板的可行性。在實(shí)際檢測(cè)過程中，需要考慮檢測(cè)效率的因素，故設(shè)計(jì)了多傳感器的檢測(cè)模式，采用了12組探頭，并測(cè)試了單探頭的有效檢測(cè)范圍，選擇探頭間的相互間距為11 mm，在提離5～6 mm情況下，保證了兩個(gè)探頭的測(cè)量范圍有10%的重合區(qū)域，該封裝檢測(cè)的有效范圍寬度為250 mm。為了保證探頭能夠平穩(wěn)勻速地進(jìn)行掃查，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的掃查架。通過在某油庫(kù)儲(chǔ)罐底板的現(xiàn)場(chǎng)弱磁檢測(cè)，在未知缺陷的情況下，發(fā)現(xiàn)磁異常，通過判定，進(jìn)而在該區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，得到缺陷處的原始信號(hào)曲線如圖5所示。

通過小波分析，進(jìn)行三尺度分解，得出12個(gè)通道在±2 000 Hz之內(nèi)的d1層頻段曲線，12個(gè)通道的第一層高頻系數(shù)重構(gòu)曲線如圖6所示。圖6為某儲(chǔ)油罐底板檢測(cè)信號(hào)的12個(gè)通道的第一層高頻系數(shù)重構(gòu)曲線，圖6中4,5,6,7,8，9通道，在距離為180～200 mm范圍內(nèi)顯示有缺陷異常信號(hào)，與圖7中缺陷的位置對(duì)應(yīng)。

由于概率法提取缺陷具有簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快，軟件編寫簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以對(duì)多通道檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)使用概率法提取缺陷，分別進(jìn)行二值處理，區(qū)分缺陷與無缺陷處，在缺陷處進(jìn)行10點(diǎn)的平滑濾波，對(duì)圖像進(jìn)行領(lǐng)域平均法平滑處理，缺陷二維成像結(jié)果如圖7所示。

圖5 某儲(chǔ)油罐底板缺陷處的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)原始信號(hào)曲線

圖6 某儲(chǔ)油罐底板檢測(cè)信號(hào)的12個(gè)通道的第一層高頻系數(shù)重構(gòu)曲線

圖7 某儲(chǔ)罐底板缺陷的二維成像結(jié)果

從檢測(cè)結(jié)果曲線上可看出缺陷處產(chǎn)生了較大的磁異常擾動(dòng)，但由于高靈敏度的探頭會(huì)由于材料不均勻性、應(yīng)力等微觀缺陷的磁異常，影響正常宏觀缺陷的判斷。在第三缺陷處由于手動(dòng)掃查的原因，缺陷定位出現(xiàn)了一定的誤差，但不影響缺陷的判斷。對(duì)比小波法識(shí)別缺陷，概率法只能在時(shí)域上分析，其判定出的6處缺陷中，第4處缺陷可以排除是人工缺陷引起的異常。小波分析法是時(shí)間窗和頻率窗都可變的時(shí)頻局部化分析方法，雖然有噪聲信號(hào)，但不影響缺陷的判定，缺陷處有較好的區(qū)分度；且概率法判定的第4處缺陷，在小波分解不同尺度的頻域信號(hào)中分析時(shí)，可被判定為偽缺陷信號(hào)。二維成像中的領(lǐng)域平均法雖然對(duì)抑制噪聲有效果，但是隨著領(lǐng)域的加大，圖像的模糊程度愈加嚴(yán)重，造成缺陷顯示結(jié)果偏大。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 基于弱磁無損檢測(cè)技術(shù)原理，提出了一種在地磁場(chǎng)環(huán)境下對(duì)儲(chǔ)罐底板腐蝕缺陷檢測(cè)的新方法，該方法能很好地檢測(cè)出儲(chǔ)罐底板上的腐蝕缺陷及穿孔。

(2) 分別運(yùn)用概率法與小波分析法對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行判別，對(duì)比兩種方法的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，概率法使用簡(jiǎn)單，不具備頻域分析能力，對(duì)小缺陷的區(qū)分度低；小波分析法能夠在時(shí)頻兩域進(jìn)行分析，并可分解多層頻率分量，對(duì)小缺陷的判定準(zhǔn)確率高，但是選擇合適的小波基對(duì)結(jié)果有一定的影響，因此需要綜合考慮缺陷提取的使用方法。

(3) 高靈敏度的測(cè)磁探頭會(huì)由于微觀缺陷的磁異常，影響對(duì)正常宏觀缺陷的判斷，表明弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)精度、安全性要求高的工件有更好的檢測(cè)效果，并具有良好的應(yīng)用前景。

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Weak Magnetic Testing of Corrosions on Oil Tank Bottom Plate

WANG Yanxiang1, YU Runqiao1, LIN Zhifu2, HU Cheng1, XIAO Nan1

(1.Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China；2.Huaneng Shantou Power Plant, Shantou 515000, China)

In this paper，a new type of nondestructive testing technology based on the geomagnetic field is proposed for testing defects which are easily formed in the oil tank bottom plate such as corrosion, pitting, perforation. The artificial corrosion defects on plate were used as the research object. Two data processing methods of probability and Symlets wavelet decomposition were adopted for the analysis of the testing results, their advantages and disadvantages on the defect signal recognition were compared, and finally the reliability of detection method was verified by the in-site testing.

oil tank bottom plate; nondestructive testing; corrosion; defect recognition

2016-10-19

王焱祥(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)

于潤(rùn)橋，yurunqiao@163.com

10.11973/wsjc201707011

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0049-05