儲罐底板補板腐蝕缺陷的漏磁場特性

，，，

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318;2.南京鍋爐壓力容器檢驗技術研究院，南京 210019)

近幾年我國儲罐事故頻繁出現，國家對儲罐的安全也越來越重視[1]，按照標準SYTT 5921-2011《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規程》和SY/T 6620-2014《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》的規定，很多儲罐底板都進行了補板維修[2]，在運行一段時間后補板也會發生腐蝕，并且因為補板和原底板材料的差異，更容易發生電化學腐蝕[3]，而國內學者對儲罐原底板和補板缺陷信號的相互影響少有研究，因此對補板的漏磁檢測特性研究迫在眉急[4]。筆者以漏磁檢測原理為基礎，以試驗分析方法為手段，加工多種類型缺陷，對比分析工程應用下不同缺陷信號的規律，并對已經補板的儲罐底板進行漏磁檢測試驗分析。圖1為某5萬方原油儲罐補板的腐蝕狀況顯示。

圖1 某儲罐補板腐蝕狀況

1 原底板對儲罐補板漏磁場的影響

以TMS-08M型號漏磁檢測儀為例，其檢測能力為12.5 mm板厚，當檢測6 mm的補板時，磁化機構必定會對補板下方的原底板產生磁化效應，在檢測過程中，受磁場吸附力的作用補板和原底板會緊密貼合。當補板存在缺陷時，磁場會從缺陷處上下表面溢出[5]，補板下方有一被磁化飽和的原底板，缺陷下方空氣中泄漏的磁力線的傳播會受到阻力，進而多數磁力線會從缺陷上表面的空氣中傳播，磁感應元件檢測到缺陷上方溢出的磁場的強度會比單板檢測時的強度要大[6]。當原底板存在缺陷時，缺陷上方存在的磁力線會對上方的補板產生干擾，如果缺陷產生的漏磁場足夠強，則會影響補板中的磁力線走向，在補板上方產生磁場信號，磁感應元件檢測到該信號會誤認為這是補板中的缺陷。同理，當補板和原底板都存在缺陷時，磁感應元件檢測到的漏磁場強度會更大，影響檢測人員對缺陷深度的判斷。

同樣以TMS-08M為例，其檢測能力為12.5 mm板厚，當檢測8 mm的底板時，磁化機構所產生的磁場不足以將8 mm厚補板和原底板同時磁化至飽和狀態。當補板存在缺陷時，缺陷下方溢出的磁力線受未被磁化至飽和狀態的原底板中的磁場影響較小，會從原底板中穿過，缺陷上方溢出的磁力線會比單板檢測的缺陷信號要小。當未被磁化至飽和狀態的原底板存在缺陷時，若缺陷尺寸不大，原底板橫截面積中的磁力線不足以從空氣中溢出，此時原底板的存在不會對補板的檢測產生影響，若缺陷尺寸過大并形成漏磁場，仍會對補板的缺陷檢測產生影響。當補板和原底板同時存在缺陷時，磁感應元件檢測到的磁場強度會變大。

2 漏磁場缺陷信號仿真分析

筆者采用ANSYS軟件，選用SOLID117單元進行電磁場分析，然后進行實體建模并設定單元類型，有限元分析中涉及到的材料有磁化結構外圍的空氣、永磁鐵、儲罐底板、銜鐵和極靴等，儲罐底板厚度設置為12.5 mm，永磁鐵尺寸(長×寬×高)為260 mm×60 mm×15 mm，建立有限元模型進行網格劃分，模型如圖2所示，圓柱形缺陷漏磁場云圖如圖3所示；分別制作直徑為6 mm，深度為10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%板厚的圓柱缺陷進行有限元分析，得出結果如圖4所示。由圖4可以看出，10%的缺陷可以被檢測到，證明12.5 mm的儲罐底板已經處于近飽和狀態，再用此尺寸的磁化機構模擬8 mm補板的漏磁場檢測。

圖2 儲罐底板網格劃分模型

圖3 圓柱形缺陷漏磁場云圖

圖4 不同深度缺陷的磁場水平/豎直分量曲線

分別建立補板上表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷、補板下表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷兩種分析模型，設定缺陷深度為20%板厚，補板和原底板板厚均設置為8mm進行模擬，獲取漏磁信號曲線，結果如圖5，6所示，圖7為補板上表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷云圖。

圖5 補板上表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷漏磁場分布

圖6 補板下表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷漏磁場分布

圖7 補板上表面缺陷-原底板無缺陷云圖

提取最優信號的仿真數據如圖8所示。對圖8中波峰波谷做差值處理得到如圖9所示曲線，可知缺陷深度為20%板厚時，儲罐底板上表面缺陷磁場強度>補板上表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷磁場強度>補板下表面圓柱形缺陷-原底板無缺陷磁場強度。

圖8 補板上下缺陷漏磁信號對比

圖9 補板上下缺陷漏磁信號波峰-波谷差值

建立補板無缺陷-原底板上表面圓柱形缺陷和補板無缺陷-原底板下表面圓柱形缺陷兩種分析模型，設定缺陷深度為20%板厚，補板和原底板板厚均設置為8 mm進行模擬，獲取漏磁信號曲線，結果獲取不到缺陷信號;設定缺陷深度為40%板厚，此時才可以獲取微弱缺陷信號，證明原底板未被磁化至近飽和狀態。

3 單板腐蝕缺陷試驗分析

筆者用Q235鋼板試件模擬8 mm厚的儲罐底板，分別加工不同深度的矩形缺陷、圓錐形缺陷、圓臺形缺陷、圓柱形缺陷和球形缺陷,如圖10所示，試板長1 250 mm、寬400 mm，每個缺陷間距為150 mm，缺陷的深度分別為板厚的20%,40%,60%,80%，以東北石油大學研發的TMS-08M(檢測范圍6～12.5 mm，靈敏度為20%板厚缺陷)漏磁檢測儀為試驗儀器，探究不同類型缺陷信號的分布規律。

圖10 不同類型缺陷試驗試板

調試儀器，固定傳感器高度，確保在試驗過程中提離值不會改變，保證試驗的準確性[7]，試驗現場圖片和所用軟件界面如圖11所示。多次試驗后，對較好的試驗數據進行統計分析，圖12為最優傳感器信號波峰-波谷差值對比，從圖中可看出幾種缺陷曲線走向趨勢基本相同，隨著缺陷深度的增加漏磁場信號逐漸增強，且矩形缺陷信號強度>圓臺形缺陷信號強度>圓柱形缺陷信號強度>球形缺陷信號強度>圓錐形缺陷信號強度。圖12中20%板厚缺陷信號略有偏差，是由于加工缺陷深度誤差產生的。

圖11 試驗現場圖片及軟件界面示意

圖12 不同類型缺陷信號的波峰-波谷差值

4 補板腐蝕缺陷試驗分析

采用兩個8 mm厚的Q235鋼板模擬補板和原底板進行試驗分析，試板長1 250 mm、寬400 mm，每個缺陷間距為150 mm，缺陷的深度分別為板厚的20%,40%,60%,80%，將一塊試板放置在另一塊試板上方，模擬補板檢測。為更好地得到試驗規律，采用TMS-08M儀器(檢測范圍6～16 mm、靈敏度為20%板厚缺陷)對補板缺陷特性進行試驗，首先將儀器放置在補板上方，調節傳感器距離補板的距離為0.5 mm，打開檢測軟件，設置板厚為8 mm，點擊采集選項進行數據采集，補板和原底板分6種組合方式進行分析：單板上表面缺陷；單板下表面缺陷；補板上表面缺陷-原底板無缺陷；補板下表面缺陷-原底板無缺陷；補板無缺陷-原底板上表面缺陷；補板無缺陷-原底板下表面缺陷。

試驗設備包括：儲罐底板漏磁檢測自動行走裝置主機一套；安裝有檢測系統和控制系統的計算機一臺；移動儲存設備和記錄本；游標卡尺一把；實驗室條件下預制的Q235鋼試板2塊，厚度為8 mm，其上加工有圓柱形缺陷，缺陷深度分別為板厚的20%，40%，60%，80%。

圖13 試驗得到的補板-原底板不同位置缺陷的 彩色帶圖

試驗所獲得的彩色帶圖如圖13所示，提取試驗結果進行處理，求得最優信號的波峰-波谷差值曲線如圖14所示。由圖14可以看出，上表面缺陷信號強度略大于下表面缺陷信號強度，補板缺陷信號強度小于單板缺陷信號強度，這是由于補板在磁化過程中有一部分磁力線進入到原底板中，使得補板沒有完全磁化至飽和狀態；圖中可看出20%板厚的缺陷已經被檢測到，并且40%，60%，80%板厚的缺陷都被識別為40%以下的缺陷，這是因為原底板對補板的檢測信號產生了很大的影響。此外，由單板上下表面數據對比可以看出，隨著缺陷深度的增加，上下表面信號波峰-波谷差值越來越接近，最后趨近于相等。而補板上下表面缺陷信號波峰-波谷差值在60%板厚深度缺陷附近有接近趨勢。

圖14 補板6種組合缺陷信號波峰-波谷差值曲線

圖15 補板缺陷信號波峰-波谷差值曲線

筆者忽略磁化過程中補板對原底板磁化產生的影響，用8 mm厚的塑料墊代替補板探究原底板的磁化狀況。采集數據，提取波形圖如圖15所示，20%,40%,60%,80%板厚的缺陷信號在圖中都可以觀察到，并且被識別成小于20%板厚的缺陷信號，只有80%板厚的缺陷被識別成小于40%板厚的缺陷信號，說明原底板被磁化至近飽和狀態。提取波形數據與塑料墊代替補板的單板試驗數據進行對比分析，20%板厚的原底板缺陷不能識別，40%，60%，80%板厚的原底板缺陷信號強度整體要小于塑料墊代替補板的原底板缺陷信號強度。這是由于磁化飽和的補板對原底板的缺陷信號產生了影響，致使原底板的缺陷信號無法全部從補板穿過而被有效檢測到。

5 結論

(1) 儲罐底板缺陷深度越深，漏磁場信號強度越大，在一定范圍內，矩形缺陷信號強度>圓柱形缺陷信號強度>圓臺形缺陷信號強度>球形缺陷信號強度>圓錐形缺陷信號強度。

(2) 磁化機構在磁化補板和原底板的過程中，會首先將補板磁化至近飽和狀態，但補板缺陷處產生的漏磁場會優先選擇從未被磁化至飽和狀態的原底板中穿過，致使大型缺陷量化結果小于實際值。原底板大型缺陷處的漏磁場信號會對補板檢測結果產生影響，影響檢測人員對缺陷的判斷，此時可以降低磁化機構的磁化能力，在補板磁化至近飽和狀態的前提下盡量降低原底板的磁化程度，減少原底板缺陷對補板檢測結果的影響。