基于有限元的儲(chǔ)罐缺陷研究

馬 駿，趙雅閣，丁廣軍，曹景林，陳東輝，史雲(yún)霄

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，鄭州 450000）

0 引言

本文基于FSM電場(chǎng)指紋法，提出了一種針對(duì)臥式儲(chǔ)罐的石油石化特點(diǎn)方法，以檢測(cè)大型液化天然氣儲(chǔ)罐的缺陷。在檢測(cè)初級(jí)階段，無(wú)需人工冒風(fēng)險(xiǎn)，具有成本低、靈敏度高、非侵入式，可監(jiān)測(cè)不同幾何形狀如焊縫等特點(diǎn)，是解決管段和容器腐蝕測(cè)量難題的一個(gè)突破口，降低了停機(jī)成本[1-3]。漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要由磁化器（如永磁體）、磁傳感器陣列（如霍爾傳感器）、鋼刷（或極片）和磁軛組成[4]。磁化器使被測(cè)鐵磁試樣處于飽和或接近飽和磁化狀態(tài)。由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于空氣的磁導(dǎo)率，如果被測(cè)鐵磁試樣中沒(méi)有缺陷，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大部分流線都限制在材料內(nèi)部；如果試樣中存在缺陷，根據(jù)磁場(chǎng)傳播模型，包括磁場(chǎng)折射和透射等，缺陷附近會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，其分布特征與缺陷大小有關(guān)。因此，霍爾傳感器和磁阻傳感器等磁傳感器可以用來(lái)測(cè)量漏磁場(chǎng)的大小和分布，實(shí)現(xiàn)缺陷尺寸的量化和評(píng)估。此外，使用鋼刷（極靴）和磁軛形成閉合磁路，優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，減少背景磁場(chǎng)，提高磁化效率[5,6]。

1 基于有限元漏磁信號(hào)分析

1.1 基于有限元法的儲(chǔ)罐缺陷漏磁信號(hào)影響

基于有限元法的臥式儲(chǔ)罐缺陷漏磁信號(hào)影響因素分析如下：為了解決周向裂紋缺陷常規(guī)MFL檢測(cè)中的稀疏采樣問(wèn)題，本節(jié)提出了一種先對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行積分再采樣的檢測(cè)拓?fù)?，并相?yīng)地發(fā)展了一種磁場(chǎng)空間積分方法，以借助積分操作的累積特性提取裂紋漏磁場(chǎng)的有效信號(hào)。漏磁場(chǎng)的垂直分量（By）分布曲線如圖1。并設(shè)置容器壁厚的40%缺陷深度，缺陷直徑為4 mm～12mm，以分析缺陷直徑對(duì)漏磁信號(hào)的影響；還提取缺陷漏磁場(chǎng)垂直分量（By）分布曲線，如圖2。其中，MFL檢測(cè)器的移動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)90°，使其垂直于移動(dòng)方向。擬議的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)類(lèi)似于沿縱向掃描，以檢測(cè)管道中的縱向缺陷。為了擴(kuò)大測(cè)量范圍，采用霍爾元件法來(lái)測(cè)試磁場(chǎng)的泄漏?；魻杺鞲衅麝嚵校⊿S459A）由10個(gè)傳感器組成。由于磁化方向相對(duì)于行進(jìn)方向的變化，設(shè)計(jì)用于測(cè)試新系統(tǒng)的霍爾元件陣列也相應(yīng)變化。

圖1 不同深度垂直分量Fig.1 Vertical components at different depth

圖2 不同直徑垂直分量Fig.2 Vertical components of different diameters

與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法相比，微波檢測(cè)作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)手段，具有非接觸、無(wú)偶聯(lián)劑，在油氣等介質(zhì)中能量損耗低的特點(diǎn)。為了解決金屬表面缺陷的微波檢測(cè)問(wèn)題，本文建立了TE01型金屬表面裂紋和腐蝕缺陷微波檢測(cè)系統(tǒng)、裂紋和腐蝕缺陷的微波檢測(cè)模型、缺陷尺寸和微波反射波特征參數(shù)模型，建立了缺陷處TE01微波仿真模型，分析了缺陷處電場(chǎng)、磁場(chǎng)和管壁電流的分布，得到了仿真模型下缺陷處回波損耗的能量損失。為了驗(yàn)證TE01對(duì)不同類(lèi)型金屬表面缺陷的檢測(cè)能力，搭建了TE01模式微波金屬表面缺陷微波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。TE01模式微波對(duì)金屬表面缺陷的檢測(cè)具有很高的靈敏度。

隨著缺陷深度的增加，垂直分量在一定范圍內(nèi)由幅值近似線性增加。圖2則展示了不同直徑垂直分量漏磁曲線仿真量。檢測(cè)探頭采用彈簧伺服結(jié)構(gòu)，確保探頭靠近被測(cè)鋼板和焊縫。焊縫連續(xù)非接觸掃描漏磁檢測(cè)系統(tǒng)由磁結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成；磁性結(jié)構(gòu)由電樞、極靴和磁鐵組成；信號(hào)采集系統(tǒng)由霍爾傳感器、編碼器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。手柄是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，焊縫連續(xù)非接觸掃描MFL系統(tǒng)。

1.2 厚度與漏磁信號(hào)關(guān)系

建立缺陷直徑為5mm、深度為2.4mm、壁厚為4mm～12.5mm的儲(chǔ)罐基于有限元進(jìn)行分析，得到如圖3所示的漏磁場(chǎng)分布曲線（By）。特性曲線表明，容器壁厚增加，由于裂紋是影響焊縫力學(xué)性能的主要缺陷，在許多焊縫缺陷中，預(yù)制矩形槽缺陷被用來(lái)模擬試驗(yàn)板上的裂紋缺陷，并分析矩形槽缺陷在不同區(qū)域（焊縫和熔合區(qū)）的分布特征。由于焊縫和鋼板的使用壽命與矩形槽缺陷的深度直接相關(guān)，因而從單向深度方向（其他方向尺寸不變）的幾何變換，研究矩形槽缺陷MFL圖像特征的變化。

圖3 不同厚壁分量曲線Fig.3 Curves of different thick wall components

建立了金屬表面缺陷的微波檢測(cè)模型。矩形波導(dǎo)探頭尺寸為59mm×29mm，微波入射波頻率為5.2GHz～6GHz，用于建立裂紋缺陷和腐蝕缺陷的微波檢測(cè)模型。微波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，以電場(chǎng)、磁場(chǎng)和壁電流的形式在波導(dǎo)中傳播[7,8]。當(dāng)被測(cè)金屬表面存在缺陷時(shí)，缺陷處的邊界條件發(fā)生變化，導(dǎo)致波導(dǎo)中的場(chǎng)分布畸變，傳播模式跳躍。TE01模式微波缺陷檢測(cè)模型裂紋缺陷處建立了不同缺陷、裂紋缺陷（50mm×0.3mm×5mm）和不同直角坐標(biāo)類(lèi)型缺陷的微波仿真模型。

1.3 直徑對(duì)漏磁信號(hào)的影響

為分析儲(chǔ)罐直徑對(duì)缺陷漏磁信號(hào)的影響，建立缺陷深度為4.8mm、直徑為5mm的圓柱形缺陷，對(duì)壁厚為8mm、直徑為2m～6m的儲(chǔ)罐分別進(jìn)行建模分析，通過(guò)對(duì)缺陷漏磁信號(hào)垂直分量的比較，選取缺陷漏磁信號(hào)。從圖4可以看出，儲(chǔ)罐直徑變化到相同尺寸的缺陷漏磁信號(hào)，隨著直徑的增大，垂直分量的缺陷漏磁信號(hào)峰值略有減小，而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是隨著直徑的增大，梯形極靴和罐壁間距增大，導(dǎo)致容器壁被測(cè)飽和磁化，漏磁信號(hào)減弱。

圖4 不同直徑分量曲線Fig.4 Curves of different diameter components

當(dāng)管道中沒(méi)有缺陷時(shí)，矩形波導(dǎo)中的磁場(chǎng)等于管壁電流值，管壁電流等于管壁處的切向磁場(chǎng)，管壁電流等于磁場(chǎng)。當(dāng)缺陷出現(xiàn)在金屬表面時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和管壁電流的部分能量泄漏到缺陷中，導(dǎo)致波導(dǎo)中電場(chǎng)、磁場(chǎng)和管壁電流的峰值增加。當(dāng)金屬表面缺陷為0.3mm寬的裂紋時(shí)，能量泄漏相對(duì)較高。隨著缺陷寬度的增加，每個(gè)場(chǎng)分量的大小增加。當(dāng)缺陷表面尺寸相同時(shí)，缺陷體積越大，能量泄漏越大，矩形波導(dǎo)中的能量峰值越大。從缺陷處的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和管壁電流的分布可以看出，隨著缺陷體積的增加，管壁電流的方向變化越大，管壁電流從缺陷中漏出的越多，矩形波導(dǎo)中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)越大，管壁電流峰值越大。

1.4 內(nèi)外壁缺陷對(duì)漏磁信號(hào)的影響

為了分析缺陷內(nèi)外壁的漏磁信號(hào)不同，以厚度為8mm、直徑為2m的臥式儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，分別設(shè)置內(nèi)外壁兩組相同的缺陷，直徑為5mm、深度為壁厚20%～80%的圓柱形缺陷，1mm以上的儲(chǔ)罐內(nèi)壁漏磁缺陷提取，比較磁場(chǎng)的垂直分量，使用深度為40%的壁厚缺陷內(nèi)外漏磁場(chǎng)垂直分量曲線。表1為內(nèi)部和外部缺陷的不同深度與壁缺陷磁場(chǎng)墻體深度（%）垂直分量峰谷差值。

使用深度40%及表1比較可知，MFL信號(hào)有兩個(gè)方向：水平和垂直。由于垂直分量By，漏磁場(chǎng)只受磁極的最小影響，泄漏磁場(chǎng)的內(nèi)壁缺陷強(qiáng)度大于外壁缺陷強(qiáng)度，只是信號(hào)形狀差異不如實(shí)際探測(cè)值明顯。

表1 內(nèi)外壁缺陷磁場(chǎng)的深度Table 1 Magnetic field depth of internal and external wall defects

2 實(shí)測(cè)分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用厚度8mm、直徑2m的16MnR臥式儲(chǔ)水箱，分別設(shè)置在儲(chǔ)水箱外側(cè)，基于有限元分析，對(duì)臥式儲(chǔ)罐的尺寸加工和裝配過(guò)程中的漏磁檢測(cè)進(jìn)行了掃描。這套設(shè)備的掃描寬度為100mm，從1mm的值開(kāi)始，可以動(dòng)態(tài)采集垂直分量的漏磁缺陷和位移傳感器信息。

圖5是容器壁探測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備效果圖，進(jìn)行實(shí)際探測(cè)時(shí)很好檢測(cè)缺陷。本文基于漏磁場(chǎng)的垂直分量對(duì)漏磁場(chǎng)進(jìn)行分析。兩極之間的距離以及極靴和鋼板之間的氣隙導(dǎo)致一些磁力線從N極開(kāi)始，大致平行于朝向S極的板。由于漏磁場(chǎng)的提取磁通密度Bx是在這個(gè)方向上，受其影響很大。使用所示的檢測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算了3種狀態(tài)下MFL信號(hào)3D圖的垂直分量。疊加在缺陷信號(hào)上的焊縫信號(hào)導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)矩形槽缺陷，它比焊縫中的波峰和波谷更多，即缺陷導(dǎo)致的波峰和波谷通道。當(dāng)矩形槽缺陷位于熔合區(qū)時(shí)，由于缺陷的位置，焊縫的槽道疊加在缺陷的槽道上，與現(xiàn)有焊縫相比，還有一個(gè)峰值，即此處的峰值，即缺陷的峰值通道。在一定掃描方向、波形、峰值和谷值的前提下，焊縫中的缺陷和焊縫本身的MFL信號(hào)以不同的順序出現(xiàn)，首先出現(xiàn)波谷，然后是焊縫本身的峰值，焊縫中的缺陷則相反。對(duì)于焊縫，首先是一個(gè)波谷，然后是一個(gè)波峰，但對(duì)于缺陷，順序相反，這與有限元分析結(jié)果一致。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.5 Experimental equipment

3 結(jié)論

本文基于FSM電場(chǎng)指紋法提出了一種基于有限元的儲(chǔ)罐缺陷研究，以檢測(cè)大型液化天然氣儲(chǔ)罐的缺陷，涉及到的技術(shù)包括：容器、管件電機(jī)布置及探針焊接貼合技術(shù)研究；螺柱焊技術(shù)及其焊接工藝；采用最新的濾波去噪芯片，設(shè)計(jì)專(zhuān)用信號(hào)處理電路，配套相應(yīng)計(jì)算軟件，完成特征信號(hào)提取；采用有限元模擬與試驗(yàn)分析方法，確定電流饋入、饋出與電極布置間距的最佳方案。電極陣測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集與存儲(chǔ)技術(shù)；采用最新的濾波去噪芯片，設(shè)計(jì)專(zhuān)用信號(hào)處理電路，進(jìn)行與計(jì)算機(jī)的配套從而提取信號(hào)。建立實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析以及腐蝕結(jié)果評(píng)價(jià)技術(shù)。