一種在線評測FSM電極焊接的方法

談云駿 郝 敏 廖俊必

(四川大學測控系，四川 成都 610065)

0 引言

FSM(Field Signature Method)即電指紋法，是一種以歐姆定律為理論基礎，敏感非介入式的，通過感應電流來監測金屬腐蝕的方法。最初被開發用以監測沿海鋼套焊接區裂紋的發展并取得了重要資料：FSM亦可被用在監測設備內部腐蝕上，且容易實施[1]。和傳統的腐蝕監測法相比，FSM有以下優點：沒有監測元件暴露在外；沒有將雜質引入管道；腐蝕速度的監測直接而有效；裝配和維護時沒有泄漏的危險；敏感性和靈活性較好。

FSM監測管道腐蝕原理如圖1所示：兩電流激勵點輸出恒流電，在待測管道壁形成電場，任何管道壁上發生的金屬損失、潰裂和凹陷都會對被測位置的電場產生影響。通過被測位置上附著的電極，可以采集到電場變化的數據，然后使用軟件分析，從而對各種腐蝕以及它們的擴展情況進行高精度監測。由此可見，測量電極在整個FSM腐蝕監測系統中的重要意義，只有保證測量電極焊接有效，才能保證整個測量的結果有效。

圖1 FSM原理簡圖

1 FSM電極焊接

1.1 FSM電極焊接方法

根據FSM系統的應用要求，測量電極矩陣的布置面積需要較大，且采集的電壓數據準確，故而電極宜選擇截面積較小的螺釘，且具有良好導電性。同時考慮到電極材料的可焊接性以及穩固性，最后選擇了201不銹鋼螺釘作為FSM測量電極。

如圖2所示，我們使用電弧螺柱焊機對FSM測量電極進行焊接，其原理是在待焊螺柱與板件表面(或管道壁)間引燃電弧，當螺柱與板件表面被加熱到合適溫度時，在外力作用下，螺柱送入板件表面上的焊接熔池形成焊接接頭。

圖2 FSM電極焊接

圖3 彎曲檢驗法

1.2 現有焊接評價法及其不足

現有的FSM電極焊接評價方法主要包括兩種：彎曲檢驗法和低電阻測試法。

彎曲檢驗法是指當電極焊接完畢后使用榔頭敲擊螺柱，如圖3所示，當螺柱有一定的角度形變后，檢查其與板件表面的焊接處：若出現螺柱頸部裂紋且管道壁被撕裂的情況，則證明螺柱焊接達到了使用強度，反之，當螺柱頸部裂紋但管道壁未被撕裂時，則證明焊接未達到要求[2]。

低電阻測試法是指采用直流低電阻測量儀檢測相鄰螺柱電極之間的電阻，通過電阻的高低判斷是否出現虛焊的情況。由于焊接所采用的螺柱導電性良好，引入的電阻較小，則所測得的電阻應較小；當測量得到的電阻較大時，可認為焊接出現問題。

雖然采用這兩種方法能很好地對焊接情況進行評價，但是它們在實際使用過程中仍顯得不足：彎曲檢驗法通過敲擊的方式檢驗焊接情況，雖然直觀有效，但是可能對管道壁產生破壞性；而低電阻測試法雖然不會對管道壁產生影響，但是當管道壁上布置的測量電極較多時，測量過程會顯得很麻煩；并且這兩種方法都只能在管道未被埋入時才能使用，無法做到在線測量。

2 相關性評價法

2.1 原理分析

FSM的本質是監測管道由于腐蝕而產生的電阻變化，當測量電極之間發生腐蝕時，兩電極之間的電阻將會增大。因此可以將管道抽象為一個如圖4的環形電阻網絡，每對測量電極之間為一電阻，一電阻對應一測量區域，當管道足夠長時，可認為電流是均勻的[3]。

圖4 管道環形電阻網絡

圖5 電阻網絡子單元格

如圖5所示，抽出電阻網絡的一子單元格進行分析。假定流經R1和R2的電流分別為I1和I2，一般情況下，在較短的時間內，管道壁腐蝕量可以忽略，則電阻網絡中電流不會發生變化，即R1、R2和I1、I2均不會發生變化。根據歐姆定律，可知(U1-U4)/(U2-U1)=R1I1/R2I2，其中R1I1/R2I2為常數，則U1-U4和U2-U1之間存在線性相關，同理可知，U1-U4和U4-U3、U4-U3和U3-U2、U3-U2與U2-U1之間均存在線性相關。推而廣之，在整個環形電阻網絡中，電極對測量電壓之間均是線性相關的。

如圖6所示，隨機選擇6對焊接可靠的電極，繪制它們所測得的500個電壓數據的觀測曲線。從觀測曲線上可以清晰地看出，測得電壓數據之間存在著很高的相關性，這側面印證了前文的推導。

而在焊接過程中，不達標的焊接可能導致接觸不良或引入噪聲源，從而影響電極對測量數據之間的相關性。據此，可通過測量電壓相關分析的方法，對電極焊接的情況進行評價。

圖6 觀測電壓數據曲線

2.2 相關分析

相關分析(correlation analysis)是研究現象之間是否存在某種依存關系，并對具體有依存關系的現象探討其相關方向以及相關程度，是研究隨機變量之間的相關關系的一種統計方法。兩變量樣本集X、Y之間的線性相關程度可以用相關系數R表示，其計算公式為：

其中，-10時，表示X、Y之間正相關，R越大，相關性越強；當R<0時，表示X、Y之間負相關，R越小，相關性越強。通過上文所述，測量電壓之間應該存在相關性很強的正相關。

選取實驗中布置好的電極矩陣，并確保螺柱焊接可靠。將測得數據導入Excel實驗數據庫中，如圖7所示，其中行表示第幾次的測量數據，列表示第幾對電極的測量數據。選取測量得到的1000組電壓數據，求取其相關系數，得表1。

表1中，“1&2”表示測量數據給定行的第1列與第2列之間的相關系數，依此類推；“6&1”表示給定行的第6列與下一行的第1列之間的相關系數；因最后一行最后一列后無數據，故求其與第一行第一列的相關系數。

從表1中可以看出，各測量數據列之間的相關系數均在0.8以上，證明其存在著很高的相關性，在電路正常的情況下，可以推斷螺柱的焊接是有效的。

為了驗證相關分析的有效性，在測量矩陣的最后一行最后一列螺釘后再加入一顆焊接不合理的螺釘，測量得到的數據與其前一數據求取相關系數，得0.139，接近與0，說明幾乎不相關，證明該螺釘的焊接是不可靠的。通過低電阻測試法測量該螺釘與其相鄰螺釘之間的電阻，發現其電阻值在10m?左右，而且波動很大，而其余的螺柱之間電阻均在0.50m?以下，進一步說明相關性評測法的有效。

表1 相關系數表

圖7 Excel實驗數據庫

2.3 查詢不可靠螺釘位置

由上述分析可知，通過相關系數表可以查看螺釘焊接的情況，但是表的數據較多，通過直觀分辨的方法難免出現偏差，故而需要定量地去分析。將整個相關系數表視為一個測量列，而出現螺釘焊接不可靠的位置為一個粗大誤差，只需要通過剔除粗差的方法，即可尋找到該位置。

目前，剔除粗差的方法主要包括萊以特準則、格羅布斯準則、羅曼諾夫斯基準則、狄克遜準則。這四種方法，其中萊以特準則適合測量次數較多的測量列且無需查表，但在測量次數較少的情況下可靠性不高。對于測量次數較少的測量列，宜采用后三種方法，其中以格羅布斯準則的可靠性最高，通常次數在20至100之間判別效果最佳[4]。鑒于此，可采用格羅布斯準則查詢不可靠螺釘位置。圖8為格羅布斯準則matlab查詢程序。

輸入一組相關系數驗證數據測試程序有效性，輸出得到index=[42 43]，則表示在輸入數據的P8-1處的出現問題，而事實上輸入的驗證數據在P8-1采集數據列與前后的相關系數為0.124和0.137，證明了程序是有效的。

當然，不排除極端情況，即所有的或者大部分的焊接都存在問題。這種情況下時，相關系數矩陣中較大的項會很少，采用以上程序未必有效。但此時，相關系數大部分較小，可以直觀地判斷出來問題。這種情況多數是由于設備問題造成的。

3 結論

FSM測量電極的焊接是FSM腐蝕測量中很重要的一個環節，焊接的好壞直接關系到所采集數據的優劣。

本文通過FSM的基本原理推導出了電極測量數據之間在無腐蝕情況下的相關特性，采用相關分析的方法對電極焊接情況進行評價，并使用格羅布斯準則查詢焊接不可靠處的位置。在實際使用過程中，由于腐蝕速度相對緩慢，我們可以視短期內為無腐蝕，采用短期內多次采樣的方法，求取相關系數驗證螺釘焊接情況，同時也可以查明螺釘或線路在使用過程中是否發生故障。該方法便捷有效，可以較為方便地通過編程實現，適合于在線評測，彌補了彎曲檢測法和低電阻測試法的局限性，這對深入研究FSM腐蝕監測有較高的應用意義。

圖8 格羅布斯準則matlab查詢程序

[1]Roe D.Strommen H,Horn K R.A unique method for monitoring corrosion of steel piping and vessels[J].Material Performance,1993, 32(3):50-55.

[2]張昆, 趙永瑞等. FSM電極焊接方法與評價[J]. 全面腐蝕控制,2012, 26(2):11-13.

[3]甘芳吉, 萬正軍等. 基于場指紋法的金屬管道小腐蝕坑的監測方法[J].儀器儀表學報, 2013, 34(9):2087-2094.

[4]費業泰. 誤差理論與數據處理(第4版)[M]. 北京: 機械工程出版社, 2000:48-52.