基于磁記憶檢測的儲罐罐壁典型缺陷信號研究*

穆大鵬 樊建春 姜健康 李 杰

(中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院)

0 引 言

隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，對石油天然氣的需求增長迅猛，作為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，石油天然氣的儲備對我國安全具有重要戰(zhàn)略意義[1]。定期對油氣儲罐罐壁進行檢測是確保其安全穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)之一。由中國石油天然氣管道局擬定的《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》(SY/T 6620—2014)和《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規(guī)程》(SY/T 5921—2011)兩項行業(yè)標準明確指出，儲罐罐壁的檢測為儲罐檢測的一項必需內容[2]。

常見的儲罐失效模式包括腐蝕失效、破裂失效和失穩(wěn)失效[3]等。儲罐在設計加工、運輸裝配、日常使用中產生的缺陷、損傷及應力集中是其失效的主要原因之一。油氣儲罐的典型缺陷包括腐蝕坑、腐蝕槽、裂紋、變形及開裂等。常見的儲罐檢測分為開罐檢測和在線檢測，開罐檢測通常采用傳統(tǒng)的無損檢測方法，如超聲測厚、磁粉檢測及漏磁掃查等；在線檢測主要包括聲發(fā)射、超聲導波和機器人檢測技術[4]。針對儲罐底板的腐蝕失效，常采用聲發(fā)射和漏磁檢測技術[5-6]；對于儲罐罐頂的腐蝕缺陷常采用超聲導波檢測技術進行識別[7]；金屬磁記憶檢測方法常被用于檢測罐壁的應力集中及應力損傷。徐中原[1]將磁記憶技術應用于儲罐罐壁應力狀態(tài)檢測,發(fā)現了典型的整圈應力突變現象；羅龍清等[8]使用磁記憶技術，對儲罐焊后的熱處理去應力效果進行了研究；敖鎮(zhèn)海[9]指出檢測速度與提離值的變化會對儲罐磁記憶檢測效果產生影響。

磁記憶檢測方法利用鐵磁材料在外力作用下的磁疇變化對試件進行無損檢測，具有低功耗、高靈敏度、非接觸及無需磁化等優(yōu)點[10]，能通過應力集中程度實現對早期缺陷的識別及檢測，且無需對檢測表面進行特殊處理也無需其他輔助設備，被廣泛應用于包括套管[11]、鉆柱[12]、連續(xù)管[13-14]及隔水管[15]在內的石油化工設備無損檢測中。然而，目前將磁記憶檢測技術應用于儲罐罐壁檢測的研究仍相對較少，缺乏對罐壁典型缺陷磁記憶信號的定性和定量分析。鑒于此，本文將具有缺陷早期識別能力的磁記憶檢測方法應用于油氣儲罐罐壁缺陷的檢測中，根據儲罐罐壁典型缺陷的形貌特點，設計加工儲罐罐壁典型缺陷刻傷試樣，采用自制的磁記憶信號三維檢測平臺對其進行檢測，以探究磁記憶信號特征參數與刻傷參數之間的量化關系；提出了采用磁記憶信號特征、梯度峰峰值、梯度峰間距及突變通道數相結合的缺陷綜合評價體系，以期為油氣儲罐的檢測提供新方法。所得結論有助于磁記憶檢測技術的定量化研究及進一步完善油氣儲罐罐壁的檢測評價體系。

1 試驗設計

為進行儲罐罐壁典型缺陷信號的定量研究，自制了磁記憶信號檢測平臺，如圖1所示。磁記憶信號檢測平臺可實現3軸任意運動檢測，傳感器運動速度大小與方向由運動控制部分的可編程控制器及驅動器控制，并可實現位置坐標、掃描速度、掃描長度和單次/往復掃描的調節(jié)。

圖1 磁記憶信號三維檢測平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram for 3D detection platform of magnetic memory signal

試驗中所使用的刻傷板試樣為油氣儲罐常用板材(Q235B鋼)。參考典型缺陷類型和大小參數，分別設計通孔缺陷、盲孔缺陷和槽形缺陷,以研究油氣儲罐壁板腐蝕坑、裂紋及腐蝕穿孔等缺陷的磁記憶效應。圖2為刻傷試驗板平面圖。

圖2 刻傷試驗板平面圖Fig.2 Plane view of carved test board

孔形缺陷是以常見圓形腐蝕坑缺陷為依據，分為腐蝕深度孔和腐蝕穿孔，以直徑與深度為變量，刻傷3組不同類型的圓孔形缺陷，具體參數如表1所示。

表1 孔形缺陷參數 mm

槽形缺陷以常見裂紋及腐蝕坑的尺寸為依據，分別把缺陷的寬度、深度及長度作為變量，設計3組不同尺寸刻傷，具體參數如表2所示。

表2 槽形刻傷參數 mm

將預制刻傷試驗板放置在磁記憶檢測三維平臺上，調整磁記憶探頭位置使提離值保持在合適范圍，劃分采集通道，并依次等間距對刻傷缺陷表面進行信號采集，對比各通道磁記憶信號值，選取能代表缺陷信號特征的通道，并提取特征參數，探索缺陷參數與磁記憶信號特征參數間的關系。

2 試驗結果

2.1 單通道孔形缺陷信號特征

孔形刻傷分為不同直徑盲孔刻傷、不同直徑通孔刻傷和相同孔徑不同深度刻傷3種。圖3為孔形刻傷磁記憶信號曲線。圖3中黑色曲線為磁記憶切向原始信號經過降噪處理后的磁記憶檢測信號。由圖3可見，中間刻傷板區(qū)域有數個信號跳變，信號跳變個數剛好對應孔形刻傷的個數，且隨著缺陷直徑和深度的增大，磁記憶信號跳變處波峰峰值呈現變大的趨勢。

圖3 孔形刻傷磁記憶信號曲線Fig.3 Magnetic memory signal curve of carved holes

為減輕環(huán)境等因素對磁記憶信號的干擾，更加直觀地觀察磁記憶信號變化程度，對檢測信號進行一階微分處理，求取梯度信號(見圖3中紅色曲線)。梯度信號正反方向的兩次跳躍與磁記憶原始信號突變相對應。由圖3a和圖3b可以發(fā)現，隨著檢測方向上圓孔直徑增大，梯度信號跳躍處梯度峰寬也隨之增大，同時梯度信號跳躍幅值明顯增大。由圖3c可以發(fā)現，當圓孔形刻傷深度增大時，梯度信號跳躍幅值明顯增大。綜上，磁記憶檢測能定性地反映孔形缺陷的位置信息及基本特征。

2.2 單通道槽形缺陷信號特征

槽形刻傷分為不同寬度、不同深度及不同長度3種。圖4為槽形刻傷磁記憶信號曲線。從圖4可知：在槽形缺陷處會出現一個信號突變單元，包含兩個連續(xù)的信號突變，該信號突變對應于槽形刻傷的兩個端點，在刻傷槽的腹部同樣存在應力集中現象，磁記憶信號值高于附近試驗板板體均值；對磁記憶信號進行梯度處理得到梯度信號，梯度變化趨勢與磁記憶檢測信號保持一致。同樣，磁記憶檢測能定性地反映槽形缺陷的基本特征及位置信息。

圖4 槽形刻傷磁記憶信號曲線Fig.4 Magnetic memory signals curve of carved grooves

2.3 多通道磁記憶信號分析

單通道由于自身的局限性，只能停留在檢測方向上進行分析討論，在刻傷缺陷寬度參數上不能提供進一步的研究。因此采用刻傷缺陷橫向多通道采集的方式，對缺陷表面進行完整的掃描檢測，視刻傷寬度以1 mm為間隔，對不同刻傷進行25～40通道的數據采集，并繪制梯度信號云圖以反演缺陷的表面形貌，實現刻傷缺陷的可視化，從而實現對各類刻傷缺陷參數特征的進一步研究。圖5為不同直徑盲孔缺陷的原始信號瀑布圖及梯度云圖。圖6為不同寬度槽形缺陷的原始信號瀑布圖及梯度云圖。由圖5和圖6可以看出，2類多通道信號均隨著缺陷參數的變化呈現出明顯的改變，能較好地反映孔形刻傷缺陷的直徑和槽形刻傷缺陷的寬度特征。

圖5 孔形缺陷多通道信號Fig.5 Multichannel signal of hole defect

圖6 槽形缺陷多通道信號Fig.6 Multichannel signal of groove defect

3 缺陷分析評價體系

通過以上對刻傷缺陷磁記憶信號分析發(fā)現，磁記憶原始信號及梯度信號的跳變能反映刻傷板在刻傷處產生的應力集中情況。為了能更加完善地建立磁記憶信號特征參數與缺陷參數間的關系，以下研究從梯度峰峰值、梯度信號峰間距及突變通道數出發(fā)，試圖建立缺陷定性與定量分析評價體系。

3.1 特征參數提取

為進一步研究磁記憶信號各特征參數與缺陷參數之間的定量關系，將各特征參數定義如下：

3.1.1 梯度信號峰峰值Kp

Kp為梯度信號在缺陷處的波峰值與波谷值的差，即：

Kp=Kmax-Kmin

(1)

式中：Kmax、Kmin分別表示梯度信號波峰值和波谷值。

3.1.2 梯度信號峰間距

筆者定義2個梯度峰間距，分別為梯度信號跳變處正弦波兩端與零軸交點間距梯度峰寬Kd，以及梯度信號波峰與波谷對應的間距梯度峰峰寬Kds。

Kd=D(K1)-D(K0)

(2)

Kds=D(Kmax)-D(Kmin)

(3)

式中：D(K1)、D(K0)分別表示梯度信號與橫坐標軸交點對應檢測點位置，D(Kmax)、D(Kmin)分別表示梯度信號波峰值及波谷值對應的檢測點位置。

3.2 梯度信號與缺陷尺寸特征

提取缺陷參數與梯度信號峰峰值呈線性關系部分進行擬合，結果如圖7所示。從圖7可見，在缺陷參數一定范圍內，梯度峰峰值能較好地線性表征兩類缺陷的深度特性，同時能較好地表征孔形缺陷的直徑特性。

圖7 刻傷參數與梯度峰峰值的關系曲線Fig.7 Relation curve of carved parameter and gradient peak-to-peak value

用梯度信號峰寬來研究其與缺陷在檢測方向實際長度之間的關系，同時對梯度峰寬和梯度峰峰寬進行比較，尋找表征缺陷長度的最優(yōu)解，以期實現梯度峰寬對缺陷直徑和長度的定量表征。

孔形刻傷中盲孔與通孔具有相似性，此處以通孔為例進行分析。分別提取通孔刻傷處梯度峰寬與梯度峰峰寬值進行擬合，結果如圖8所示。從圖8可知，梯度峰寬與梯度峰峰寬值表征刻傷缺陷的長度與孔形實際直徑均呈一次線性關系，且得到的2條擬合直線斜率近似相等，梯度峰峰寬值與實際擬合直徑的截距更接近0，且斜率更接近1。得到的擬合曲線表達式如下：

Kds=0.938 13r-0.448 61

(4)

Kd=1.102 17r-3.998 89

(5)

式中：r為圓孔實際直徑。

Kds擬合時相關系數R2=0.980 80，Kd擬合時相關系數R2=0.980 49，對比兩擬合直線的斜率與截距可以發(fā)現，梯度峰峰寬Kds能較好地表征實際圓孔直徑，綜合誤差在缺陷直徑的8%之內。

圖9為槽形刻傷梯度峰寬值與實際刻傷長度的關系圖。由圖9可知：梯度峰寬和梯度峰峰寬表征長度與槽形刻傷實際長度之間同樣呈一次線性關系；二者擬合直線斜率都接近1，且梯度峰值Kd表征長度與刻傷實際長度的符合程度更高。擬合直線表達式如下：

圖9 槽形刻傷梯度峰寬值與實際刻傷長度關系Fig.9 Relationship between gradient peak-to-width value of carved groove and actual carved length

Kds=1.002 86L-1.224 4

(6)

Kd=0.954 17L+5.416 67

(7)

式中：L為刻傷實際長度。

Kd擬合時相關系數R2=0.994 08，Kds擬合時相關系數R2=0.994 60。對于槽形刻傷，梯度峰寬Kd所表征的長度結果更加接近刻傷真實長度。在刻傷長度較小時，所表征長度與實際長度誤差相對更大，但就總體而言，表征長度與刻傷真實長度間的相對誤差仍在8%以內。

3.3 突變通道數與缺陷寬度

在前文中發(fā)現，原始信號三維視圖及梯度云圖能較好地反映刻傷缺陷的寬度，故試圖構建通道數與刻傷寬度之間的關系式，如式(8)所示，從而通過突變通道數的方式實現對缺陷寬度的量化。

D=λnd

(8)

式中：D為缺陷表征寬度，λ為表征系數，n為缺陷處通道數，d為通道間距。

在檢測方向上隨著刻傷缺陷直徑及寬度的增大，梯度信號在刻傷處跳變的通道數也在增大。多通道采集通道之間間距為1 mm，選取缺陷處梯度影響區(qū)信號呈正弦波跳變的通道數繪制梯度跳變通道數與刻傷寬度對比表，如表3所示。

表3 通道數與刻傷寬度對比Table 3 Comparison of number of channels and carved width

由表3可以發(fā)現，通道數與刻傷寬度或直徑的誤差在1～2個通道之間，基本與實際值相符，也證明以多通道定量表征缺陷寬度的可行性。為驗證式(8)，選取相同寬度、不同長度的槽形刻傷，帶入式(8)，得出λ值接近1，進而驗證了該關系式的正確性，并證明多通道磁記憶信號通道數可實現對缺陷寬度的定量評價。

4 結 論

對儲罐罐壁材料刻傷試驗板進行磁記憶信號檢測試驗并分析所得信號后，得到如下結論：

(1)儲罐罐壁典型缺陷參數與磁記憶信號突變程度具有相關性，磁記憶檢測能定性地反映油氣儲罐罐壁缺陷的位置信息及基本特征。

(2)建立了以原始信號曲線、梯度峰峰值、梯度峰間距及突變通道數為特征參數的缺陷定性和定量評價體系，研究結果顯示，可從信號曲線形貌對刻傷類型進行初步區(qū)分；梯度峰峰值與刻傷深度及一定范圍內的孔形直徑具有較好的線性關系；梯度峰間距所表征的缺陷直徑及長度與真實值具有高度一致性，可通過其擬合方程對缺陷參數進行定量推算，也可以通過通道數對缺陷的寬度特征進行較好的判別。