大型儲罐變板厚漏磁檢測有限元仿真分析

金澤淏 武新軍

（華中科技大學機械科學與工程學院）

漏磁檢測作為一種非接觸快速掃查技術，具有結構簡單、快速、準確等優點，廣泛應用于管道、儲罐底板及鋼絲繩等規則構件的檢測。近年來，漏磁檢測技術在漏磁信號與缺陷之間的關系、漏磁信號特征量提取、漏磁信號反演、缺陷量化及評價方法等方面均有顯著的研究成果［1～4］。

大型常壓儲罐是石油石化行業中的重要設備。以1×105m3儲罐為例［5］：儲罐底板分為中幅板和邊緣板，厚度分別為12、20mm；壁板根據高度劃分為9層，每層板厚存在差異，越靠近地面的壁板厚度越大，最高層板厚度為12mm，最低層板厚度為32mm，具有變板厚的特點。然而，針對管道、儲罐底板及鋼絲繩等（試件厚度或截面積相對保持不變）設計的漏磁檢測儀，在應用到大型儲罐時，受儲罐各部位板厚變化的影響，被測部位的磁化程度會發生變化，進而對漏磁信號和磁力大小產生一定的影響，導致檢測結果不準確。為此，筆者提出一種綜合典型漏磁信號各特征參數的可檢測性評價方法，利用該方法對漏磁信號分類，從而對其可檢測性進行分析評價。為降低實驗工作量，對變板厚漏磁場及其變化規律進行探究，采用有限元方法對變板厚鋼板的漏磁場進行仿真和分析。利用有限元計算磁化器在不同厚度鋼板上所受磁吸力大小，進行磁力參數設計，給出12～32mm厚度鋼板上的最大和最小磁力值，為完善大型儲罐變板厚漏磁檢測儀的整體結構設計提供參考。

1 典型漏磁信號分析

1.1 漏磁信號特征參數

漏磁檢測原理如圖1所示。漏磁檢測儀探頭由磁化器和傳感器構成，銜鐵和永磁體構成的磁化器與被測鋼板構成閉合磁路，漏磁檢測儀探頭在鋼板上方一定提離高度沿水平方向移動。由于缺陷處的磁導率很小、磁阻很大，磁路中的部分磁通會泄漏到鋼板表面的空氣中，形成漏磁場。因此，當傳感器位于缺陷正上方時，可以檢測到該處的漏磁場，通過采集其運動過程中的漏磁信號完成對缺陷的定位和分析。

圖2為水平方向上典型的缺陷漏磁信號。圖2中橫軸定位坐標原點為缺陷位置，在該處水平方向磁感應強度有明顯增加，表現出單峰值特性［6］，漏磁信號磁感應強度極大值與極小值分別為P1和P2。根據漏磁信號的分布特征，可以選取漏磁信號峰峰值（極大值與極小值之差，表征信號幅值的大小）、信噪比（漏磁場與背景磁場之比）、峰峰值與信噪比之積作為評價漏磁信號的3個特征參數。

圖1 漏磁檢測原理

圖2 水平方向上典型的缺陷漏磁信號

由圖2可以看出，缺陷附近背景磁場與漏磁場極小值近似相等，可認為漏磁信號信噪比為漏磁場極大值與極小值之比；峰峰值與信噪比之積即綜合了其他兩種特征參數的影響。

1.2 漏磁信號評價方法

在變板厚大型儲罐的漏磁場研究中，結構固定的磁化器在板厚變化時漏磁場會產生較大的變化，隨著板厚的增大，漏磁信號單峰特性急劇衰減，從而導致難以檢測或檢測不到對應尺寸的缺陷。為此，需要選擇一種適用于變板厚的漏磁信號評價方法，為變板厚漏磁信號的統一分析提供支撐。選取典型漏磁信號的3個特征參數，根據已有研究結果中一般漏磁信號各特征參數的變化范圍［7］，按數值大小分別進行等級劃分，提出一種用于評價缺陷漏磁信號可檢測性的方法。表1給出了各特征參數等級分級情況。選擇峰峰值與信噪比之積作為首要評價參數：當其值達到某一等級的閾值時，漏磁信號可檢測性良好，不必再考慮峰峰值和信噪比的等級；當峰峰值與信噪比之積在某一等級區間，且峰峰值和信噪比至少有一項參數達到某一等級閾值時，漏磁信號可檢測性良好；其他情況時漏磁信號可檢測性不佳。

表1 漏磁信號特征參數分級

基于上述分析，為了對變板厚大型儲罐漏磁信號的可檢測性進行分析評價，結合各特征參數的等級劃分情況，現提出漏磁信號可檢測性評價方法如下：

a.峰峰值與信噪比之積為A級時，漏磁信號可檢測性良好；

b.峰峰值與信噪比之積為B級，同時峰峰值和信噪比均不低于B級且至少有一項為A級時，漏磁信號可檢測性良好；

c.其他情況時，漏磁信號可檢測性不佳。

2 變板厚漏磁場有限元仿真分析

2.1 變板厚漏磁場有限元仿真結構模型

根據已有研究成果［8］，現有適用于12mm鋼板的漏磁檢測磁化器結構如圖3所示，其中鋼板材料為Q235，永磁體距離鋼板的提離值為14.5mm。為了便于獲得可檢測性良好的漏磁信號，傳感器提離值不宜過大，有限元仿真時提離高度取2mm。磁化器永磁體采用N52釹鐵硼，磁體長60mm、厚20mm，兩永磁體間的磁極間距為100mm。銜鐵材料為高磁導率的工業純鐵，銜鐵長度由磁體長度和磁極間距決定，銜鐵厚度為20mm。為研究變板厚大型儲罐對漏磁場的影響，利用ANSYS建立磁化器的有限元模型，分別取板厚12、20、32mm，仿真得出變板厚時不同尺寸缺陷的漏磁場信號波形，利用提出的評價方法對各漏磁信號的可檢測性進行評價。

圖3 漏磁檢測磁化器結構示意圖

2.2 變板厚漏磁信號分析

根據3個特征參數等級的不同組合對仿真得到的漏磁信號進行分類，例如A-B-C型表示漏磁信號的峰峰值、信噪比、峰峰值與信噪比之積分別為A級、B級、C級。圖4給出了變板厚漏磁場下仿真得到的不同類型漏磁信號波形圖。

圖4 不同類型漏磁信號波形圖

由圖4可知，當峰峰值與信噪比之積為C級時，漏磁信號單峰值特性不明顯，可檢測性不佳；當峰峰值與信噪比之積為B級時，漏磁信號單峰值特性明顯，其中B-B-B型漏磁信號單峰部分較為平緩，可檢測性不佳，而B-A-B型漏磁信號信噪比更大，單峰部分更為陡峭，可檢測性良好；當峰峰值與信噪比之積為A級時，漏磁信號單峰值特性明顯，易于檢測到陡峭單峰部分，此時漏磁信號的可檢測性良好。

在大型儲罐變板厚漏磁檢測有限元仿真中，鋼板厚度分別取12、20、32mm，在2mm提離高度下采集漏磁信號。為了得到可檢測性良好的漏磁信號，在鋼板中心設置不同尺寸的圓形通孔缺陷，缺陷通孔直徑依次取1.6、3.2、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0mm。在鋼板厚度一定時，增大缺陷通孔直徑直到獲得可檢測性良好的缺陷漏磁信號。表2給出了有限元仿真得到的變板厚及不同缺陷通孔的漏磁信號。由表2可知，板厚變化對漏磁場影響較大。當板厚為12mm時，磁化器可檢測直徑1.6mm的缺陷通孔；當板厚為20mm時，磁化器在缺陷通孔直徑達到4.0mm時才能獲得可檢測性良好的漏磁信號；當板厚為32mm時，即使缺陷通孔直徑增大至8.0mm，仍無法獲得可檢測性良好的漏磁信號。

對表2中的數據進行整理，得到變板厚情況下缺陷通孔直徑對各特征參數的影響如圖5所示，其中虛線表示各特征參數的等級分界線。由圖5可以看出，當板厚為20mm時，隨著缺陷通孔直徑的增大，各特征參數隨之增大；當板厚為32mm時，缺陷通孔直徑增大，各特征參數變化不顯著，峰峰值和信噪比均為B級，峰峰值與信噪比之積為C級或B級，對于一般尺寸的缺陷通孔，此時磁化器難以獲得可檢測性良好的漏磁信號，即該磁化器不適用于32mm板厚的漏磁檢測。為此，需要對磁化器結構參數進行設計，使之能適用于12～32mm變板厚大型儲罐的漏磁檢測。

表2 變板厚及不同缺陷通孔的漏磁信號

圖5 缺陷通孔直徑對各特征參數的影響

3 大型儲罐漏磁檢測磁化器參數設計

3.1 磁化器結構參數設計

磁化器結構參數主要包括磁體長度、磁極間距、磁體厚度和銜鐵厚度，各參數變化對變板厚大型儲罐的漏磁場都會產生一定的影響。

取鋼板板厚為32mm，設置缺陷通孔直徑為5.0mm，分別改變磁化器各參數值，利用有限元方法進行漏磁場仿真，結果見表3。可以看出，在一定范圍內，各結構參數的變化對漏磁場都會產生一定的影響，而只有在磁體長度增加到一定值時，才能夠獲得可檢測性良好的漏磁信號。

對表3數據進行整理，得到各結構參數變化對漏磁信號各特征參數的影響如圖6所示。由圖6可知，其他參數不變，隨著磁體長度的增大，各特征參數隨之呈上升趨勢，峰峰值與信噪比之積有明顯變化，且在磁體長度為100mm時達到最大；其他參數不變，隨著磁極間距的增大，峰峰值和信噪比均無明顯變化，峰峰值與信噪比之積略微增大；其他參數不變，隨著磁體厚度的增大，各特征參數隨之先增大后減小，但變化幅度較小；其他參數不變，隨著銜鐵厚度的增大，各特征參數均無明顯變化。

表3 不同結構參數的磁化器漏磁信號

圖6 結構參數對漏磁信號特征參數的影響

由圖6可知，其他參數不變，當磁體長度為100mm時，能夠獲得較高的峰峰值與信噪比之積，此時漏磁信號可檢測性良好，因此建議將磁體長度由60mm調整為100mm。

3.2 磁化器磁力參數設計

磁化器與鋼板間的磁吸力巨大，在變板厚大型儲罐漏磁檢測中不可忽視。針對鋼板厚度為12～32mm的大型儲罐，在該厚度范圍內等差取不同板厚值，利用ANSYS對磁吸力大小進行計算，將結構參數修改前后的磁化器分別稱為固定板厚磁化器和變板厚磁化器，兩種磁化器磁力大小隨鋼板厚度的變化規律如圖7所示。可以看出，隨著鋼板厚度的增加，兩種磁化器的磁力都先增大后趨于平穩，但兩者數值相差較大，這是由于修改磁化器的結構參數后增大了永磁體體積，故磁力得到明顯提升。

圖7 兩種磁化器磁力大小隨鋼板厚度的變化規律

表4給出了兩種磁化器在不同板厚時的磁力值。可以看出，固定板厚磁化器在12mm板厚時的磁力為3 759.2N，而變板厚磁化器的磁力為4 880.1N，說明對于同一厚度鋼板，變板厚磁化器的磁力明顯大于固定板厚磁化器，且兩者差值較大不可忽視。該結果可為大型儲罐變板厚漏磁檢測儀的整體結構設計提供參考。

表4 兩種磁化器在不同板厚時的磁力值

4 結束語

針對大型儲罐變板厚的特點，提出了一種漏磁信號可檢測性評價方法，并利用三維有限元方法對變板厚漏磁場進行仿真和分析。針對12mm板厚設計的漏磁檢測磁化器能檢測出1.6mm缺陷通孔；在20mm厚鋼板上能檢測出4.0mm缺陷通孔；在32mm厚鋼板上不能進行有效的漏磁檢測。對該磁化器進行結構參數設計，將磁體長度由60mm增加至100mm，修改結構參數后的變板厚磁化器能在32mm厚鋼板上檢測出5.0mm缺陷通孔，可見該磁化器能夠適用于12～32mm變板厚的大型儲罐漏磁檢測。利用有限元計算了兩種磁化器在不同厚度鋼板上的磁力大小，固定板厚磁化器在12mm鋼板上磁力為3 759.2N，變板厚磁化器在12mm鋼板上最小磁力為4 880.1N，在32mm鋼板上最大磁力為5 688.4N。該結果可為大型儲罐變板厚漏磁檢測儀整體結構設計提供參考依據。