缺陷特征對(duì)漏磁場(chǎng)檢測(cè)的影響規(guī)律

周忠賀 許皆樂(lè)，2 古玉祺

（1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

常壓儲(chǔ)罐作為石化工業(yè)中儲(chǔ)存有毒有害、易燃易爆等危險(xiǎn)化學(xué)品的重要工具，對(duì)國(guó)防建設(shè)和國(guó)民生活有著戰(zhàn)略性作用［1～3］。儲(chǔ)罐長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，受儲(chǔ)存介質(zhì)堿性、酸性、微生物及氯離子等多因素的影響，經(jīng)常發(fā)生腐蝕失效［4～6］。 為及時(shí)發(fā)現(xiàn)底板存在的腐蝕缺陷，避免儲(chǔ)罐腐蝕穿孔、泄漏及爆炸等事故的發(fā)生，常采用無(wú)損漏磁檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展定期檢測(cè)。 漏磁檢測(cè)技術(shù)因缺陷檢出率高、檢測(cè)速度快、 易于操作及無(wú)需對(duì)底板進(jìn)行打磨、除銹等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于立式儲(chǔ)罐底板的缺陷檢測(cè)［7～10］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)漏磁檢測(cè)中缺陷特征對(duì)漏磁場(chǎng)的影響開(kāi)展了相關(guān)研究。 紀(jì)鳳珠等利用有限元法分析了缺陷漏磁場(chǎng)，得到了三維磁通密度徑向分量曲面圖和矢量圖，直觀展示了缺陷附近的漏磁場(chǎng)特點(diǎn)［11］。 吳德會(huì)等研究了漏磁檢測(cè)中提離值對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響， 為提高檢測(cè)精度、優(yōu)化探測(cè)器結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)［12］。 楊志軍等就管道缺陷漏磁檢測(cè)開(kāi)展了缺陷特征對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)影響的研究，發(fā)現(xiàn)缺陷特征與漏磁信號(hào)特征之間有特定的關(guān)系，采用漏磁信號(hào)特征可定量評(píng)價(jià)缺陷特征［13］。 劉玉琢等探討了不同氣隙距離、板間距和缺陷深度的儲(chǔ)罐底板補(bǔ)板缺陷漏磁場(chǎng)空間分布特性［14］。 鄧志揚(yáng)等通過(guò)對(duì)不同表面粗糙度試塊上的人工裂紋進(jìn)行漏磁檢測(cè)試驗(yàn)，探索了裂紋檢測(cè)靈敏度與表面粗糙度間的關(guān)系［15］。 然而，有關(guān)漏磁檢測(cè)方向?qū)θ毕萋┐艌?chǎng)的影響卻鮮有研究，因此筆者以漏磁探測(cè)器為研究對(duì)象，基于漏磁檢測(cè)原理，采用有限元分析法就檢測(cè)方向等漏磁檢測(cè)的影響因素對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的曲線分布特性開(kāi)展研究， 為優(yōu)化探測(cè)器的結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)。

1 漏磁檢測(cè)有限元模型

漏磁檢測(cè)的基本原理是施加局部勵(lì)磁場(chǎng)使鐵磁性材料磁化，若材料存在缺陷，則磁導(dǎo)率變化將導(dǎo)致磁力線彎曲畸變，會(huì)有少部分磁力線泄漏出材料表面形成漏磁場(chǎng)，利用磁敏元件檢測(cè)該漏磁場(chǎng)的信號(hào)變化即可實(shí)現(xiàn)缺陷的檢出與量化。為完成儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)中的仿真分析，同時(shí)考慮有限元建模、 計(jì)算及結(jié)果后處理等影響因素，將缺陷和磁化模型簡(jiǎn)化，僅對(duì)漏磁場(chǎng)改變中起主導(dǎo)作用的局部底板、缺陷、銜鐵、永磁鐵和極靴進(jìn)行實(shí)體建模，缺陷位于中心區(qū)域，圖1 為漏磁檢測(cè)有限元簡(jiǎn)化模型。 為了更真實(shí)地模擬實(shí)際模型的外部環(huán)境，檢測(cè)模型外圍建立適當(dāng)大小的空氣域。 儲(chǔ)罐底板尺寸為550 mm×300 mm×8 mm，材料為Q235；定義空氣相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0，銜鐵和極靴均采用45#鋼，永磁鐵選用鐵銣硼N35，矯頑力895 000 A/m。

圖1 漏磁檢測(cè)有限元簡(jiǎn)化模型

采用自由網(wǎng)格對(duì)有限元模型進(jìn)行劃分，設(shè)置邊界條件求解，有限元分析的邊界是外圍空氣層邊緣，永磁鐵產(chǎn)生的磁力線無(wú)法穿透邊界，僅可平行或垂直于外圍空氣層，因此將外圍空氣模型的邊緣設(shè)置為平行邊界條件進(jìn)行求解，得到儲(chǔ)罐底板磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖和矢量圖如圖2 所示。由圖2 可知， 大部分磁力線被束縛于底板內(nèi)部，且經(jīng)永磁鐵、極靴、底板和銜鐵形成了均勻閉合的曲線，缺陷位置處的磁力線發(fā)生了畸變，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度較附近區(qū)域強(qiáng)。

圖2 儲(chǔ)罐底板磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖和矢量圖

2 有限元模擬分析

2.1 提離值對(duì)漏磁場(chǎng)的影響

有限元模型中設(shè)置長(zhǎng)×深為10 mm×4 mm，寬為2、3、4 mm 的矩形缺陷，其他參數(shù)不變。模擬得到提離值為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mm 時(shí)不同缺陷寬度下的漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz及其峰值曲線（圖3）。 由圖3 可知，在同一缺陷寬度下，隨著提離值的增大漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz變化較為平緩，說(shuō)明隨著提離值的增大，跨過(guò)缺陷的磁力線弧度曲率變化平緩； 隨著提離值的增大，Bz峰值呈減小趨勢(shì)。 提離值過(guò)大或過(guò)小均會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)不利影響。 減小提離值雖能使磁敏元件采集到更多的漏磁場(chǎng)信息，但會(huì)增大因提離值波動(dòng)所產(chǎn)生的誤差；增大提離值則相反，因此要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的提離值。

圖3 提離值變化時(shí)漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz 及其峰值曲線

2.2 缺陷寬度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響

不同缺陷寬度下漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz曲線如圖4 所示。 由圖4 可知，在同一提離值下，缺陷寬度對(duì)漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz曲線的形狀無(wú)顯著影響；提離值為1.0、2.0 mm 時(shí)，缺陷寬度4 mm 時(shí)的Bz峰值略小于寬度為2、3 mm 時(shí)的值；提離值為3.0、4.0 mm 時(shí)，缺陷寬度4 mm 時(shí)的Bz峰值略大于寬度為2、3 mm 時(shí)的值。

圖4 缺陷寬度變化時(shí)漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz 曲線

2.3 底板厚度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響

選擇長(zhǎng)×寬×深為10 mm×4 mm×4 mm 的矩形缺陷， 對(duì)厚度分別為6、8、10、12 mm 的底板建立有限元實(shí)體模型，提取路徑上的磁場(chǎng)分量，得到不同底板厚度上提離值為1.0、3.0 mm 時(shí)的漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz曲線如圖5 所示。由圖5 可以看出，底板厚度對(duì)漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz的影響顯著； 底板厚度為6～10 mm 時(shí)，Bz峰值隨底板厚度的增加近似呈線性減小趨勢(shì)； 底板厚度為10～12 mm 時(shí)，Bz峰值隨底板厚度的增加快速減小。提離值為1.0 mm 時(shí)， 底板厚度為12 mm 的Bz峰值最小， 為2.9 mT。 這是因?yàn)殡S著底板厚度的增加，永磁鐵對(duì)被檢底板的磁化飽和度下降，同時(shí)缺陷深度百分比相對(duì)底板厚度減小， 更多的磁力線直接在底板內(nèi)部繞過(guò)缺陷形成磁回路， 僅有少量的磁力線泄漏到空氣中形成漏磁場(chǎng)， 使漏磁曲線隨著底板厚度的增加而整體下移。 由于漏磁檢測(cè)受底板厚度影響較大， 故在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)選擇合適的永磁鐵使儲(chǔ)罐底板盡可能達(dá)到磁飽和狀態(tài)，或提高磁敏元件靈敏度，以保證缺陷的檢出率。

圖5 底板厚度變化時(shí)漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz 曲線

2.4 檢測(cè)方向?qū)β┐艌?chǎng)的影響

針對(duì)10 mm×2 mm×4 mm、10 mm×3 mm×4 mm、10 mm×4 mm×4 mm 的矩形缺陷開(kāi)展不同檢測(cè)方向（平行長(zhǎng)軸方向和垂直長(zhǎng)軸方向）的仿真分析， 得到漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與Bz曲線如圖6 所示。 由圖6 可知，在同一缺陷下，不同的檢測(cè)方向均能對(duì)缺陷形成漏磁場(chǎng)，檢測(cè)方向?qū)β┐艌?chǎng)影響明顯，且垂直長(zhǎng)軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 和Bz峰值遠(yuǎn)大于平行長(zhǎng)軸方向的值。 這是因?yàn)楫?dāng)檢測(cè)方向?yàn)槠叫虚L(zhǎng)軸方向時(shí)，即磁力線平行長(zhǎng)軸方向時(shí)，缺陷寬度較小，且儲(chǔ)罐底板的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于缺陷處的空氣相對(duì)磁導(dǎo)率，導(dǎo)致大部分磁力線可直接繞過(guò)缺陷由附近區(qū)域的底板穿過(guò)形成磁回路，僅有一少部分磁力線發(fā)生畸變泄漏到空氣中，再經(jīng)空氣進(jìn)入儲(chǔ)罐底板，故整體漏磁強(qiáng)度較小；而當(dāng)檢測(cè)方向?yàn)榇怪遍L(zhǎng)軸方向時(shí)，即磁力線垂直長(zhǎng)軸方向時(shí)，缺陷寬度較大，相對(duì)于磁力線來(lái)說(shuō)， 難以在底板內(nèi)部繞過(guò)缺陷形成磁回路， 僅有缺陷邊緣附近的磁力線由底板內(nèi)部穿過(guò)，缺陷中間區(qū)域的多數(shù)磁力線均泄漏到空氣中形成漏磁場(chǎng)，因此整體漏磁場(chǎng)強(qiáng)度較大。 由此可見(jiàn)，在實(shí)際漏磁檢測(cè)中，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的異常缺陷應(yīng)從不同的檢測(cè)方向進(jìn)行復(fù)驗(yàn)， 以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

圖6 不同檢測(cè)方向下的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與Bz 曲線

3 結(jié)論

3.1 缺陷位置處的磁力線發(fā)生了畸變，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度較附近區(qū)域強(qiáng)，漏磁場(chǎng)垂直方向分量Bz峰值隨提離值的增大呈減小趨勢(shì)；當(dāng)缺陷寬度為2～3 mm 時(shí)，Bz變化較小； 當(dāng)缺陷寬度為4 mm 時(shí)，在提離值1.0～2.0 mm 范圍內(nèi)Bz峰值略小于寬度為2、3 mm 的， 在提離值3.0～4.0 mm 范圍內(nèi)Bz峰值略大于寬度為2、3 mm 的。

3.2 底板厚度6～10 mm 時(shí)，Bz峰值隨底板厚度的增加近似呈線性減小趨勢(shì)； 底板厚度10～12 mm時(shí)，Bz峰值隨底板厚度的增加快速減小，最小峰值為2.9 mT。

3.3 檢測(cè)方向?qū)β┐艌?chǎng)影響明顯， 檢測(cè)方向?yàn)榇怪遍L(zhǎng)軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 和Bz峰值遠(yuǎn)大于平行長(zhǎng)軸方向的值，因此在實(shí)際漏磁檢測(cè)中，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的異常缺陷應(yīng)從不同的檢測(cè)方向進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。