儲(chǔ)罐底板-補(bǔ)板缺陷漏磁場(chǎng)影響因素分析

(1.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，南京 210019；2.南京空港油料有限公司，南京 210000)

0 引言

儲(chǔ)罐作為重要的儲(chǔ)存容器經(jīng)常會(huì)發(fā)生腐蝕，按照SY/T 5921—2011《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》和SY/T 6620—2014《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》的規(guī)定，很多儲(chǔ)罐底板都需要補(bǔ)板維修[1]，在維修后的幾年補(bǔ)板也會(huì)發(fā)生腐蝕。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)儲(chǔ)罐原底板和補(bǔ)板缺陷信號(hào)的相互影響鮮有研究，因此對(duì)補(bǔ)板的漏磁檢測(cè)特性研究迫在眉睫[2-4]。本研究以漏磁檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，以仿真分析方法為手段，采用漏磁檢測(cè)自動(dòng)行走裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，為補(bǔ)板檢測(cè)提供技術(shù)支持和為升降距離的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。圖1示出某5萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐補(bǔ)板腐蝕狀況。

1 補(bǔ)板漏磁場(chǎng)空間分布特性仿真分析

漏磁檢測(cè)是通過(guò)識(shí)別缺陷處漏磁場(chǎng)的畸變磁場(chǎng)進(jìn)行缺陷識(shí)別的，儲(chǔ)罐底板的磁化能力對(duì)底板的檢測(cè)有決定性的影響。本研究以TMS-08M型漏磁檢測(cè)儀(檢測(cè)能力為6～20 mm板厚)的磁化結(jié)構(gòu)為仿真的磁化結(jié)構(gòu)[5]。

圖1 儲(chǔ)罐補(bǔ)板腐蝕情況

首先選用Solid 117單元進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，然后進(jìn)行實(shí)體建模并設(shè)定單元類型，在有限元分析中，涉及到的材料有磁化結(jié)構(gòu)外圍的空氣、永磁鐵、被檢件、銜鐵和極靴等[6-7]。定義好材料屬性后,需要對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用網(wǎng)格規(guī)整的掃略網(wǎng)格劃分方法，所建模型將外圍空氣層外表面設(shè)置成磁力線平行邊界條件發(fā)生面，并且選用稀疏矩陣求解器進(jìn)行求解，圖2示出補(bǔ)板漏磁場(chǎng)分布云圖[8]。

圖2 補(bǔ)板漏磁場(chǎng)分布云圖

1.1 補(bǔ)板合理檢測(cè)氣隙距離仿真分析

設(shè)置補(bǔ)板厚度為6 mm，原儲(chǔ)罐底板厚度為6 mm，補(bǔ)板和原儲(chǔ)罐底板間隙為1 mm，在補(bǔ)板上方設(shè)置長(zhǎng)度為4 mm、寬度為4 mm、深度為20%板厚的矩形缺陷，求得補(bǔ)板漏磁場(chǎng)豎直方向分量如圖3(a)所示。每次求解漏磁場(chǎng)時(shí)改變氣隙距離，同理，求得厚度8，10 mm補(bǔ)板漏磁場(chǎng)豎直方向分量分別如圖3(b),(c)所示。

(a)6 mm板厚

(b)8 mm板厚

(c)10 mm板厚

選擇不同板厚與基準(zhǔn)曲線最為接近的氣隙距離曲線，獲得該曲線漏磁場(chǎng)豎直方向分量如表1所示。

表1 不同板厚的氣隙距離與缺陷信號(hào)強(qiáng)度對(duì)照

從表1可以看出，6，8 mm厚補(bǔ)板在氣隙距離為9.8 mm和7 mm的情況下的漏磁場(chǎng)豎直方向分量都可以達(dá)到基準(zhǔn)信號(hào)強(qiáng)度，而10 mm厚補(bǔ)板在氣隙距離為4 mm時(shí)，仍然難以達(dá)到基準(zhǔn)信號(hào)強(qiáng)度。

1.2 氣隙距離對(duì)漏磁場(chǎng)特征分量的影響

對(duì)原儲(chǔ)罐底板缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向特征分量進(jìn)行分析，設(shè)置補(bǔ)板厚度為6 mm，原儲(chǔ)罐底板厚度6 mm，補(bǔ)板和原儲(chǔ)罐底板間隙為1 mm，在原儲(chǔ)罐底板上方設(shè)置長(zhǎng)寬為4 mm×4 mm，深度分別為20%，40%，60%，80%板厚的矩形缺陷。每次求解漏磁場(chǎng)時(shí)設(shè)置氣隙距離分別為9.8,5 mm，得到漏磁場(chǎng)豎直方向分量如圖4所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(c)60%板厚

(d)80%板厚

圖4 6 mm底板-補(bǔ)板缺陷漏磁場(chǎng)分量

從圖4中可以看出，當(dāng)補(bǔ)板與原儲(chǔ)罐底板厚度為6 mm、板間隙1 mm、氣隙距離為5 mm時(shí)，可以觀察到20%板厚、40%板厚、60%板厚和80%板厚缺陷深度的漏磁場(chǎng)豎直方向分量；氣隙距離為9.8 mm時(shí)，20%板厚和40%板厚缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量不明顯，可以觀察到60%板厚和80%板厚缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量；隨著氣隙距離的增大，不同深度缺陷漏磁場(chǎng)豎直方向分量都有明顯減小的趨勢(shì)，表明9.8 mm的氣隙距離可以減小原儲(chǔ)罐底板缺陷對(duì)補(bǔ)板檢測(cè)帶來(lái)的影響[9]。

同理，改變補(bǔ)板厚度為8 mm，原儲(chǔ)罐底板厚度8 mm，每次求解漏磁場(chǎng)時(shí)設(shè)置氣隙距離分別為7，5 mm，其他條件不變，可以得到類似的結(jié)論，即7 mm的氣隙距離可以減小原儲(chǔ)罐底板缺陷對(duì)補(bǔ)板檢測(cè)帶來(lái)的影響，如圖5所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(c)60%板厚

(d)80%板厚

圖5 8 mm底板-補(bǔ)板缺陷漏磁場(chǎng)分量

1.3 板間隙對(duì)漏磁場(chǎng)特征分量的影響

對(duì)補(bǔ)板和原儲(chǔ)罐底板間隙的漏磁場(chǎng)特性進(jìn)行分析，設(shè)置補(bǔ)板厚度為6 mm，原儲(chǔ)罐底板厚度6 mm，補(bǔ)板和原儲(chǔ)罐底板間隙分別為0.4 mm和1 mm，在原儲(chǔ)罐底板上方設(shè)置長(zhǎng)寬為4 mm×4 mm，深度為20%，40%，60%，80%板厚的矩形缺陷。設(shè)置氣隙距離為9.8 mm，得到漏磁場(chǎng)豎直方向分量如圖6所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(c)60%板厚

(d)80%板厚

圖6 6 mm板不同板間隙缺陷漏磁場(chǎng)分量

從圖6可以看出，當(dāng)補(bǔ)板厚度為6 mm、原儲(chǔ)罐底板厚度6 mm、氣隙距離為9.8 mm時(shí)，板間隙0.4 mm的漏磁場(chǎng)豎直方向分量大于板間隙1 mm的漏磁場(chǎng)豎直方向分量，且隨著缺陷深度的增加，不同板間隙缺陷信號(hào)差值明顯增大[10-11]。同理，改變補(bǔ)板厚度為8 mm，原儲(chǔ)罐底板厚度8 mm，設(shè)置氣隙距離為7 mm，其他條件不變，可得出相同的結(jié)論，如圖7所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(c)60%板厚

(d)80%板厚

2 補(bǔ)板漏磁檢測(cè)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)所需要的設(shè)備主要包括：儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)自動(dòng)行走裝置主機(jī)1套(該裝置可以調(diào)節(jié)氣隙距離)；安裝有檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)1臺(tái)；移動(dòng)儲(chǔ)存設(shè)備和記錄本；游標(biāo)卡尺1個(gè)；實(shí)驗(yàn)室條件下預(yù)制檢測(cè)試板6個(gè)(厚度為6，8，10 mm)，分別加工矩形缺陷。加工尺寸如圖8所示。

圖8 矩形缺陷加工試板結(jié)構(gòu)尺寸

模擬儲(chǔ)罐底板補(bǔ)板試驗(yàn)，將2塊6 mm板厚、8 mm板厚和10 mm板厚的檢測(cè)試板疊放進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，補(bǔ)板缺陷類型為矩形缺陷，長(zhǎng)寬為4 mm×4 mm，加工深度為20%，40%，60%，80%板厚，分別設(shè)置氣隙距離為9.8,7,4 mm，板間隙1 mm。

試驗(yàn)過(guò)程如圖9所示，用2塊試板分別代替原儲(chǔ)罐底板和補(bǔ)板進(jìn)行試驗(yàn)，獲取的缺陷彩色帶圖如圖10所示，波形圖如圖11所示。

圖9 模擬儲(chǔ)罐補(bǔ)板檢測(cè)試驗(yàn)

(a)6 mm補(bǔ)板

(b)8 mm補(bǔ)板

(c)10 mm補(bǔ)板

圖10(a)，(b)和圖11(a)，(b)中可以明顯觀察到20%板厚，40%板厚，60%板厚，80%板厚的缺陷信號(hào)。圖10(c)和圖11(c)中20%板厚缺陷信號(hào)不可見(jiàn)，表明儀器對(duì)10 mm厚補(bǔ)板小深度缺陷的檢測(cè)不可行。

(a)6 mm補(bǔ)板

(b)8 mm補(bǔ)板

(c)10 mm補(bǔ)板

重新模擬儲(chǔ)罐底板補(bǔ)板試驗(yàn)，將2塊6 mm板厚和8 mm板厚檢測(cè)試板疊放進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，補(bǔ)板缺陷類型為矩形缺陷，長(zhǎng)度為4 mm，寬度為4 mm，加工深度為20%板厚、40%板厚、60%板厚和80%板厚，分別設(shè)置氣隙距離為9.8 mm和7 mm，板間隙為0.4 mm，得到圖12所示彩色帶圖，從圖中可以看出，40%，60%,80%板厚的缺陷信號(hào)，表明板間隙越小、原儲(chǔ)罐底板對(duì)補(bǔ)板檢測(cè)的影響越大。

(a)6 mm補(bǔ)板

(b)8 mm補(bǔ)板

設(shè)置原儲(chǔ)罐底板上表面為矩形缺陷，改變氣隙距離為5 mm，板間隙設(shè)置為1 mm，其他設(shè)置同上，得到如圖13所示彩色帶圖。從圖中可以看出80%板厚的缺陷信號(hào)，且被識(shí)別成60%以下缺陷信號(hào)，提取檢測(cè)信號(hào)最好的傳感器通道數(shù)據(jù)，求得6 mm板厚和8 mm板厚不同深度缺陷信號(hào)波峰波谷差值如表2,3所示。

(a)6 mm底板

(b)8 mm底板

表2 1 mm板間隙、6 mm板厚不同深度缺陷信號(hào)波峰波谷差值對(duì)照

表3 1 mm板間隙、8 mm板厚不同深度缺陷信號(hào)波峰波谷差值對(duì)照

改變板間隙為0.4 mm，得到如圖14所示彩色帶圖。從圖中可以看出60%板厚和80%板厚缺陷信號(hào)，并且都被識(shí)別成60%以下缺陷信號(hào)，提取檢測(cè)信號(hào)最好的傳感器通道數(shù)據(jù)，求得6 mm板厚和8 mm板厚不同深度缺陷信號(hào)波峰波谷差值如表4,5所示。

(a)6 mm底板

(b)8 mm底板

圖14 氣隙距離為0.4 mm時(shí)，不同厚度原儲(chǔ)罐底板缺陷彩色帶圖

表4 0.4 mm板間隙、6 mm板厚不同深度缺陷信號(hào)波峰波谷差值對(duì)照

表5 0.4 mm板間隙、8 mm板厚不同深度缺陷信號(hào)波峰波谷差值對(duì)照

對(duì)6 mm不同板間距的缺陷進(jìn)行對(duì)比分析，取表2,4中數(shù)據(jù)，得到圖15所示6 mm板厚缺陷波峰-波谷信號(hào)對(duì)比圖。同理，取表3，5中數(shù)據(jù)求得8 mm板厚缺陷波峰-波谷信號(hào)對(duì)比圖如圖16所示?？梢钥闯?，當(dāng)板間隙為0.4 mm時(shí)，所檢測(cè)到的原儲(chǔ)罐底板缺陷信號(hào)較強(qiáng)，表明板間隙越大，原儲(chǔ)罐底板的缺陷對(duì)補(bǔ)板檢測(cè)的影響越小。

試驗(yàn)所得結(jié)論與上一節(jié)仿真分析相符合，即：(1)厚度10 mm補(bǔ)板不適合對(duì)小缺陷進(jìn)行識(shí)別；(2)厚度6 mm補(bǔ)板檢測(cè)時(shí)，所設(shè)計(jì)的9.8 mm檢測(cè)氣隙距離可以減小原儲(chǔ)罐底板對(duì)補(bǔ)板缺陷檢測(cè)的影響，厚度8 mm補(bǔ)板檢測(cè)時(shí)，所設(shè)計(jì)的7 mm檢測(cè)氣隙距離可以減小原儲(chǔ)罐底板對(duì)補(bǔ)板缺陷檢測(cè)的影響；(3)增大板間隙，可以降低原儲(chǔ)罐底板對(duì)補(bǔ)板缺陷檢測(cè)的影響。

圖16 8 mm板厚缺陷波峰-波谷信號(hào)對(duì)比

3 結(jié)論

采用有限元軟件對(duì)6，8，10 mm板厚補(bǔ)板漏磁場(chǎng)分布特性進(jìn)行分析，并搭建漏磁檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

(1)6 mm板厚補(bǔ)板檢測(cè)的合理檢測(cè)氣隙距離為9.8 mm;8 mm板厚補(bǔ)板檢測(cè)的合理檢測(cè)氣隙距離為7 mm;10 mm板厚不適合進(jìn)行補(bǔ)板檢測(cè)工作。

(2)在一定范圍內(nèi)，隨著氣隙距離的增大，原儲(chǔ)罐底板缺陷對(duì)補(bǔ)板缺陷檢測(cè)的影響變小，而板間隙越大，原儲(chǔ)罐底板缺陷對(duì)補(bǔ)板缺陷檢測(cè)的影響越小。

(3)當(dāng)板間隙為1 mm時(shí)，所仿真的合理檢測(cè)氣隙距離可以降低原儲(chǔ)罐底板缺陷對(duì)補(bǔ)板檢測(cè)的影響。