儲罐底板缺陷補(bǔ)焊維修后的漏磁場特征研究

楊志軍，孫 晗，曹懷情，楊 江，高月輝，張志來

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

0 引言

大型常壓儲罐是石油石化行業(yè)中的重要設(shè)備[1-3]，這些設(shè)備會因儲存介質(zhì)的酸、堿、鹽等的腐蝕性質(zhì)而產(chǎn)生缺陷。對儲罐底板進(jìn)行漏磁檢測后，能夠根據(jù)波形圖，確定儲罐底板的腐蝕情況，隨后進(jìn)行維修，防止儲罐失效，減少安全事故的發(fā)生[4-7]。根據(jù)相關(guān)施工規(guī)范及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合儲罐維修施工經(jīng)驗(yàn),儲罐修理主要方法[8-9]有更換鋼板、加強(qiáng)板、補(bǔ)焊等三種方法。但在大量的儲罐底板現(xiàn)場漏磁檢測中，常會遇到由于清理不當(dāng)出現(xiàn)補(bǔ)焊但未全部填滿以及補(bǔ)焊后表面存在余高的情況，都會產(chǎn)生影響檢測人員判斷的偽缺陷信號。國內(nèi)外學(xué)者對補(bǔ)焊維修產(chǎn)生的偽缺陷漏磁信號鮮有研究，因此對儲罐底板缺陷補(bǔ)焊維修后的漏磁場特性研究十分緊迫[10-14]。本研究建立缺陷補(bǔ)焊維修后漏磁場三維有限元模型，以漏磁檢測理論為基礎(chǔ)[15]，對儲罐底板缺陷補(bǔ)焊維修全部補(bǔ)滿且表面平整、補(bǔ)焊維修的不同補(bǔ)焊深度以及補(bǔ)焊維修全部補(bǔ)滿但存在余高等情況進(jìn)行仿真分析，對比不同補(bǔ)焊維修情況下的缺陷與普通缺陷的漏磁場空間分布特性，并進(jìn)行漏磁檢測試驗(yàn)分析。

1 缺陷補(bǔ)焊維修后漏磁場空間分布特性仿真分析

本研究選取TMS-08M型號的漏磁檢測儀為仿真檢測結(jié)構(gòu)，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析，實(shí)體建模時所需定義的材料有永磁鐵、銜鐵、極靴、被測試件、補(bǔ)焊材料以及外圍空氣[16]，此處設(shè)定被測試件Q235鋼板B-H曲線如圖1所示。

圖1 被測試件B-H曲線Fig.1 B-H curve of the tested component

由于補(bǔ)焊過程中，材料受到了熱處理，晶格發(fā)生畸變，致使材料的磁導(dǎo)率降低，故此處設(shè)置補(bǔ)焊后的材料磁導(dǎo)率略小于被測試件磁導(dǎo)率[17]，定義各材料的屬性后，對所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(如圖2所示)，最后進(jìn)行求解。實(shí)體模型漏磁場分布云圖如圖3所示。

圖2 實(shí)體模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division diagram of solid model

圖3 實(shí)體模型漏磁場分布云圖Fig.3 Distribution nephogram of leakage magnetic fieldin solid model

1.1 缺陷補(bǔ)焊維修全部補(bǔ)滿且表面平整漏磁場空間分布特性仿真分析

在ANSYS軟件中建模時，設(shè)置儲罐底板厚度為8 mm，底板上表面建立一個長度為5 mm，寬度為5 mm的矩形缺陷，缺陷深度為底板厚的50%，并將缺陷處用補(bǔ)焊材料全部補(bǔ)滿，且表面平整，永磁鐵的尺寸設(shè)置為130 mm×32 mm×15 mm(長×寬×高)。對實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行有限元分析，設(shè)置提離值為1 mm，與未補(bǔ)焊缺陷進(jìn)行對比，得出結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，對缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊且全部補(bǔ)滿的情況，會使缺陷處的漏磁場磁通量密度減小，但仍然可以檢測到漏磁信號。

1.2 缺陷不同補(bǔ)焊維修深度漏磁場空間分布特性仿真分析

建立與第1.1節(jié)相同的模型，此時對缺陷處補(bǔ)焊維修分別補(bǔ)焊缺陷深度的10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，補(bǔ)焊后上表面平整，中間空隙設(shè)定為空氣，對實(shí)體模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分圖如圖5所示。進(jìn)行有限元分析，設(shè)置提離值為1 mm，得出的結(jié)果如圖6所示。

(a)漏磁場水平方向分量

(b)漏磁場豎直方向分量圖4 補(bǔ)焊且全部補(bǔ)滿與未補(bǔ)焊缺陷漏磁場分布Fig.4 Distribution of magnetic field leakage in patchedand fully filled defects and unpatched defects

圖5 補(bǔ)焊缺陷深度50%的網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh division diagram of 50% depth of repairwelded defect

(a)漏磁場水平方向分量

(b)漏磁場豎直方向分量圖6 缺陷處補(bǔ)焊深度不同漏磁場分布Fig.6 Distribution of leakage magnetic field at differentrepair welding depths at defects

對缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊維修，補(bǔ)焊表面與原底板平行時，補(bǔ)焊的深度會影響缺陷處的漏磁場磁通量密度。如圖6所示，補(bǔ)焊深度越深，缺陷處的漏磁場磁通量密度越小，即缺陷處的磁通量密度會隨著補(bǔ)焊深度的增加而減小。

1.3 缺陷補(bǔ)焊維修補(bǔ)滿但存在余高漏磁場空間分布仿真分析

由于實(shí)際維修過程中，維修人員會對補(bǔ)焊表面進(jìn)行打磨，但補(bǔ)焊表面可能仍然存在余高，根據(jù)ISO 5817—2014標(biāo)準(zhǔn)余高不超過5 mm。因此在ANSYS軟件中建立模型，余高形狀設(shè)置為光滑的圓弧形，對實(shí)體模型網(wǎng)格劃分，補(bǔ)焊材料及余高處采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分圖如圖7所示。進(jìn)行有限元分析，與未補(bǔ)焊缺陷進(jìn)行對比，繪制折線圖，結(jié)果如圖8所示。

圖7 缺陷處補(bǔ)焊余高網(wǎng)格劃分Fig.7 Mesh division diagram of repair weldingreinforcement at defect

(a)漏磁場水平方向分量

(b)漏磁場豎直方向分量圖8 補(bǔ)焊補(bǔ)滿有余高與未補(bǔ)焊漏磁場分布Fig.8 Distribution of leakage magnetic field in patched andfully filled defects with reinforcement and unpatched defects

由圖8可以看出，對儲罐底板的缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊維修時，缺陷全部補(bǔ)滿但存在余高的情況下，漏磁信號與未補(bǔ)焊缺陷的漏磁信號方向相反，水平方向的漏磁信號呈凹型，豎直方向的漏磁信號呈先減小、后增大的趨勢。缺陷處的磁場分布如圖9所示。

圖9 缺陷補(bǔ)焊余高處漏磁場云圖Fig.9 Nephogram of magnetic field leakage atpatched defect with reinforcement

將4種不同補(bǔ)焊維修情況，即未補(bǔ)焊、補(bǔ)焊50%、補(bǔ)焊100%以及補(bǔ)焊且存在余高(提離值均為1 mm)的磁通量密度波峰-波谷差值進(jìn)行對比分析，并繪制成折線圖，如圖10所示。

圖10 不同補(bǔ)焊情況漏磁場波峰-波谷差值對比Fig.10 Peak-trough difference comparison of leakagemagnetic field in different repair welding cases of defect

從圖10可以看出，提離值為1 mm時，缺陷漏磁場強(qiáng)度為未補(bǔ)焊>補(bǔ)焊50%>補(bǔ)焊存在余高>補(bǔ)焊100%。說明對缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊維修，補(bǔ)焊深度越深，漏磁場強(qiáng)度越小，補(bǔ)焊維修的效果越好。存在余高時，漏磁場強(qiáng)度再次變大，從而得出對缺陷補(bǔ)焊維修時，全部補(bǔ)滿且表面平整的情況對漏磁場的影響最小。

將缺陷補(bǔ)焊深度20%，40%，60%，80%且提離值為1 mm的磁通量密度波峰-波谷差值進(jìn)行對比分析，繪制成折線圖，結(jié)果如圖11所示?？筛忧逦氐贸觯毕菅a(bǔ)焊維修后的漏磁場強(qiáng)度會隨著補(bǔ)焊深度的增加而減小。

圖11 不同補(bǔ)焊深度漏磁場波峰-波谷差值對比Fig.11 Peak-trough difference comparison of leakagemagnetic field at different repair welding depths

2 缺陷補(bǔ)焊維修后漏磁檢測試驗(yàn)

試驗(yàn)所需要的設(shè)備有：型號為TMS-08M的儲罐底板漏磁檢測裝置(該裝置可以調(diào)節(jié)提離值)1臺；游標(biāo)卡尺1個；實(shí)驗(yàn)室條件下的預(yù)制檢測板1塊。實(shí)驗(yàn)室條件下預(yù)置板如圖12所示。采用厚度為8 mm的Q235鋼板，在鋼板上加工8個深度為板厚50%的缺陷，上排從左向右的缺陷補(bǔ)焊維修情況分別為未補(bǔ)焊、補(bǔ)焊全部補(bǔ)滿且表面平整、補(bǔ)焊50%、補(bǔ)焊補(bǔ)滿但存在余高；下排缺陷從左向右的缺陷補(bǔ)焊維修情況分別為補(bǔ)焊缺陷深度的20%,40%,60%,80%。

圖12 實(shí)驗(yàn)室預(yù)置檢測板Fig.12 Laboratory preset plate

利用實(shí)驗(yàn)室自制的漏磁檢測儀TMS-08M對試件從左向右進(jìn)行漏磁檢測，設(shè)置提離值為1 mm，檢測后可以得到上下兩排缺陷的漏磁信號。由于實(shí)驗(yàn)儀器采集到的是電壓信號，仿真分析中采集的數(shù)據(jù)是漏磁場磁通密度，若將試驗(yàn)的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行算法反推轉(zhuǎn)化為漏磁場數(shù)據(jù)，會因影響因素較多而產(chǎn)生數(shù)值的整體偏差，但不會影響趨勢，因此仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢對比意義更為重大，且能夠驗(yàn)證試驗(yàn)和仿真的正確性。將缺陷中央采集到的數(shù)據(jù)繪制曲線如圖13,14所示。

圖13 上排缺陷漏磁信號Fig.13 MFL signal of upper row of defects

上排缺陷漏磁信號波形圖如圖13，從左向右補(bǔ)焊情況依次為未補(bǔ)焊、補(bǔ)焊補(bǔ)滿且表面平整、補(bǔ)焊50%，補(bǔ)焊補(bǔ)滿但存在余高?？梢钥闯?，補(bǔ)焊補(bǔ)滿且表面平整時，可探測到的漏磁信號最小；存在余高的情況下，探測到的漏磁信號趨勢與普通缺陷趨勢相反，呈先減小、后增加，與仿真分析的結(jié)果相同。下排缺陷漏磁信號波形圖見圖14，從左向右補(bǔ)焊情況依次為補(bǔ)焊缺陷深度的20%,40%,60%,80%。探測到的漏磁信號隨著補(bǔ)焊深度的增加而減小，同樣與仿真分析的結(jié)果相同。

圖14 下排缺陷漏磁信號Fig.14 Magnetic flux leakage signal of lower row of defects

3 結(jié)論

(1)對缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊維修時，漏磁場的大小會隨著補(bǔ)焊深度的增加而減小。儲罐底板補(bǔ)焊維修應(yīng)將缺陷內(nèi)部清理干凈，并減少補(bǔ)焊過程中出現(xiàn)氣孔、夾渣，從而減小對檢測人員判斷儲罐底板腐蝕情況的影響。

(2)漏磁檢測儀對儲罐底板進(jìn)行同一方向檢測時，普通缺陷的漏磁場波形圖呈現(xiàn)與補(bǔ)焊維修后存在余高的缺陷漏磁場波形完全相反的趨勢。由這一特征，檢測人員即可通過檢測波形圖清晰地區(qū)分真?zhèn)稳毕荨?/p>

(3)本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊維修時，缺陷全部補(bǔ)滿且將表面打磨平整的情況下，檢測到的漏磁信號最小，為補(bǔ)焊維修最佳情況。