冷建成，周國(guó)強(qiáng)，吳海濤，吳澤民

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

立式圓筒儲(chǔ)油罐作為石油化工和儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要用于儲(chǔ)存液態(tài)石油。儲(chǔ)罐主要由罐底、罐壁及附件等組成，其失效形式主要為罐底板的腐蝕失效和罐壁板的強(qiáng)度破壞［1］。由于油品屬于易燃易爆危險(xiǎn)品，儲(chǔ)油罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行將直接關(guān)系到石化生產(chǎn)和人民生活，因而對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)罐罐壁板上的活性缺陷和罐底板上的腐蝕檢測(cè)技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟，離線檢測(cè)最常用的方法是漏磁檢測(cè)［2］，RAMíREZ等［3］利用漏磁方法檢測(cè)了罐底板腐蝕，并區(qū)分出上、下底板不同的缺陷分類。對(duì)于不開罐在線檢測(cè)，最有效的方法是采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)［4］，SOKOLKIN等［5］綜述了聲發(fā)射技術(shù)在檢測(cè)立式容器缺陷中的各方面應(yīng)用，但由于其易受噪聲信號(hào)干擾而定位精度較差。同時(shí)，大型儲(chǔ)罐為焊接結(jié)構(gòu)，尤其是罐底板與罐壁板之間的角焊縫在服役過(guò)程中長(zhǎng)期承受著頻繁的低周交變載荷，很容易產(chǎn)生疲勞性裂紋，而上述的漏磁方法和聲發(fā)射檢測(cè)均不適合。由于使用傳統(tǒng)的磁粉檢測(cè)［6］、超聲檢測(cè)［7］、滲透檢測(cè)［8］等需要去除涂層而非常費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且損耗較大，為此，文中引入一種新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)——交流電磁場(chǎng)(Alternating Current Field Measurement，簡(jiǎn)稱ACFM)方法進(jìn)行檢測(cè)，可以很好地解決該問(wèn)題。

1 ACFM檢測(cè)的基本原理

在20世紀(jì)80年代提出的ACFM技術(shù)是一種新興的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它融合了交流電位降(ACPD)和渦流檢測(cè)(ET)兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，其理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理［9-10］:當(dāng)載有交變電流的感應(yīng)探頭靠近待測(cè)工件時(shí)，此均勻電流在周圍的空間中又產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化來(lái)判斷是否存在裂紋，如圖1所示(圖中，X軸為裂紋方向，Y軸垂直于裂紋所在平面，同時(shí)平行于電流方向，Z軸垂直于導(dǎo)體的表面，并指向外部)。當(dāng)工件表面無(wú)缺陷時(shí)，平行于工件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx平行于X軸方向，而垂直于工件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz為零;當(dāng)有缺陷時(shí)，由于裂紋電阻率增大導(dǎo)致電流場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)均發(fā)生畸變，其中稀疏的電流線與磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx的波谷值相對(duì)應(yīng)，即可測(cè)出裂紋的深度，順、逆時(shí)針電流線分別與磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz的正、負(fù)峰值相對(duì)應(yīng)，即可測(cè)出裂紋的長(zhǎng)度。于是，通過(guò)兩個(gè)相互正交的磁場(chǎng)變化量可以實(shí)現(xiàn)缺陷大小的定量化檢測(cè)。

圖1 ACFM檢測(cè)原理示意

2 ANSYS電磁場(chǎng)模擬

利用ANSYS有限元軟件中的三維諧性電磁場(chǎng)分析可以模擬缺陷附近的電磁場(chǎng)擾動(dòng)［11］。設(shè)一尺寸為40 mm×20 mm×10 mm的低碳鋼平板，中心有一缺陷為長(zhǎng)6 mm、深4 mm的半橢圓形裂紋，相對(duì)磁導(dǎo)率為210，電阻率為1.1×107Ω·m，現(xiàn)在鋼板上方的圓柱形勵(lì)磁線圈中通以5000 Hz的正弦交流電流，則ACFM仿真模型如圖2所示。

圖2 ACFM仿真模型

采用5 kHz的頻率進(jìn)行諧性分析，圖3示出經(jīng)過(guò)缺陷中心路徑上的磁通密度曲線，其中，Bx表示平行于工件表面和裂紋走向的磁通密度在X方向上的分量，Bz為垂直于工件表面的磁通密度在Z方向上的分量。

由圖3不難發(fā)現(xiàn)，Bx信號(hào)在裂紋最深處出現(xiàn)最小值，而Bz信號(hào)在裂紋兩端達(dá)到峰值，該特征與ACFM原理示意圖的基本變化規(guī)律一致，仿真結(jié)果與其檢測(cè)原理相吻合。

圖3 經(jīng)過(guò)缺陷中心路徑上的磁通密度曲線

3 ACFM檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 簡(jiǎn)介

ACFM檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，主要由掃描探頭、ACFM主機(jī)、計(jì)算機(jī)等組成。探頭在待測(cè)工件表面激勵(lì)出均勻交變電流，同時(shí)獲取工件表面引起的磁場(chǎng)信號(hào)變化。選用英國(guó)TSC公司的標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭和鉛筆型探頭，通過(guò)另一端自帶的5 m電纜線接頭與ACFM主機(jī)相連;主機(jī)主要對(duì)探頭采集的初始微弱磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波預(yù)處理，并將A/D數(shù)據(jù)采集卡輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，選用AMIGO金屬裂紋檢測(cè)儀，通過(guò)COM接口與計(jì)算機(jī)相連;計(jì)算機(jī)裝有ASSISTant裂紋檢測(cè)分析軟件，可對(duì)被檢工件表面的裂紋缺陷進(jìn)行智能分析與識(shí)別。

圖4 ACFM檢測(cè)系統(tǒng)

由于儲(chǔ)油罐罐體較高，在上述ACFM檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入45 m探頭延長(zhǎng)線及音頻視頻同步傳輸裝置，通過(guò)網(wǎng)線或WiFi無(wú)線與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)而可進(jìn)行50 m距離遠(yuǎn)程同步實(shí)時(shí)檢測(cè);另外，為了消除測(cè)量干擾噪聲的影響，將ASSISTant軟件中采集的信號(hào)導(dǎo)出為EXCEL文件，然后利用MATLAB軟件讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行EMD濾波處理［12］，從而提高了ACFM缺陷信號(hào)解釋的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化程度。

3.2 特點(diǎn)

ACFM檢測(cè)系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)由于ACFM屬于非接觸電磁檢測(cè)，因而無(wú)須清理被測(cè)表面的油漆等涂層;

(2)由于ACFM屬于絕對(duì)值測(cè)量，因而檢測(cè)前不需要標(biāo)定;

(3)受提離效應(yīng)的影響較小，檢測(cè)精度高;

(4)檢測(cè)信號(hào)自動(dòng)保存，可一次性完成缺陷的定性定量檢測(cè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某油庫(kù)于1965年建庫(kù)投產(chǎn)，其6#儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)儲(chǔ)量為10×104m3，結(jié)構(gòu)為立雙盤外浮頂式，罐板由日本引進(jìn)，罐體高度21 m，罐底直徑80 m，罐壁與罐底相交處為角焊縫焊接，應(yīng)用前述的ACFM檢測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)其上、下焊腳進(jìn)行100%檢測(cè)。

4.1 檢測(cè)方法

檢測(cè)前，首先利用標(biāo)準(zhǔn)試板進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。TSC公司提供的平板焊縫功能檢驗(yàn)試塊為一碳鋼試板，含有長(zhǎng)50 mm、深5 mm的槽，如圖5所示。

在標(biāo)準(zhǔn)試板上掃描人工缺陷，測(cè)試信號(hào)如圖6所示?？梢钥闯?，Bx信號(hào)在缺陷處突變下凹，Bz信號(hào)出現(xiàn)波峰和波谷;同時(shí)在右邊的蝶形圖中，圖形顯示Bx達(dá)50%而Bz達(dá)175%，從而確定了整套系統(tǒng)可正常工作。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)試板

圖6 ACFM標(biāo)準(zhǔn)試板測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，探頭總是沿著與焊縫平行的方向移動(dòng)，掃描速度盡量保持均勻而平穩(wěn)，一般10～25 mm/s為好;由于標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭的掃描寬度約為20 mm，當(dāng)焊縫寬度超過(guò)20 mm時(shí)，應(yīng)多次掃描以覆蓋整個(gè)焊縫寬度。另外，由于被檢測(cè)的角焊縫長(zhǎng)度近300 m，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行分段掃描，同時(shí)保證各段有30～50 mm區(qū)域重疊掃描。如果懷疑焊縫中有橫向缺陷時(shí)，探頭必須旋轉(zhuǎn)90°重新進(jìn)行掃描。

檢測(cè)完畢后，所有信息應(yīng)存檔，按照規(guī)程給出檢測(cè)部位的NDT圖紙，并標(biāo)出超標(biāo)缺陷的位置和尺寸，作為后續(xù)修理和更換的依據(jù)。

4.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)與探頭掃描路線如圖7所示。

在檢測(cè)過(guò)程中，ASSISTant ACFM監(jiān)測(cè)軟件自動(dòng)存儲(chǔ)探頭掃描的原始記錄，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)距離“人孔”420 mm附近有一可疑裂紋缺陷，如圖8所示。首先通過(guò)移動(dòng)或者縮放功能，使Bx圖的最小值、Bz圖波峰和波谷的位置都顯示在視圖中;然后在Bx圖中，單擊Bx最小值并向上移動(dòng)鼠標(biāo)，直到第2條水平線對(duì)準(zhǔn)Bx背景水平為止;在Bz圖中，單擊波峰位置并向右移動(dòng)鼠標(biāo)至波谷位置;接著選擇“數(shù)據(jù)尺寸缺陷”，輸入Bz波峰和波谷之間已測(cè)量的距離，此時(shí)Bx信號(hào)的最小值和背景水平值被自動(dòng)輸入，進(jìn)而“重新計(jì)算”得到裂紋長(zhǎng)11 mm、深1.3 mm。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)部位圖

圖8 缺陷尺寸計(jì)算

4.3 遇到的問(wèn)題及解決辦法

(1)根據(jù)儲(chǔ)油罐底板與壁板角焊縫的受力分析可知，內(nèi)外側(cè)焊縫除了均承受縱向拉應(yīng)力外，內(nèi)側(cè)焊縫還承受橫向拉應(yīng)力，而外側(cè)焊縫承受橫向壓應(yīng)力，因此要對(duì)內(nèi)外側(cè)焊縫分別進(jìn)行檢驗(yàn)，且內(nèi)側(cè)焊縫需要開罐后檢測(cè)，外側(cè)焊縫也要求在清空卸載后進(jìn)行，以避免漏檢。

(2)當(dāng)角焊縫表面不平或有污物時(shí)，應(yīng)清理使得探頭可平穩(wěn)運(yùn)動(dòng);由于被檢的角焊縫很長(zhǎng)，建議以400 mm長(zhǎng)度分段進(jìn)行檢測(cè)。

(3)檢測(cè)時(shí)探頭應(yīng)總沿著焊縫兩焊腳進(jìn)行掃描，推薦速度為10 mm/s。一般情況下盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)焊縫探頭，但對(duì)于T型角焊縫應(yīng)采用鉛筆型探頭;當(dāng)焊縫寬度超過(guò)20 mm時(shí)，建議選用陣列探頭，以覆蓋整個(gè)焊縫寬度和提高檢測(cè)效率。

(4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)較淺的表面裂紋時(shí)，可以以ACFM估計(jì)的深度利用打磨來(lái)進(jìn)行消除，之后再用鉛筆型探頭檢驗(yàn);當(dāng)計(jì)算裂紋深度大于板厚時(shí)，表明裂紋有可能是穿透型焊縫，此時(shí)應(yīng)通過(guò)裂紋的開口仔細(xì)檢查以尋找進(jìn)一步的證據(jù)來(lái)驗(yàn)證，必要時(shí)ACFM技術(shù)可以和MPI(磁粉檢測(cè))聯(lián)合作用。

5 結(jié)語(yǔ)

基于ANSYS有限元軟件的電磁場(chǎng)模擬，得到裂紋缺陷引起的磁場(chǎng)畸變與ACFM檢測(cè)原理一致，即Bx信號(hào)在裂紋中心產(chǎn)生波谷，Bz信號(hào)在裂紋兩端呈相位相反的波峰和波谷變化。試驗(yàn)測(cè)試及應(yīng)用結(jié)果表明，ACFM檢測(cè)技術(shù)具有非接觸測(cè)量、無(wú)須去除涂層、無(wú)需標(biāo)定、檢測(cè)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)儲(chǔ)存，并能對(duì)焊縫裂紋實(shí)現(xiàn)定性和定量化評(píng)估。將ACFM技術(shù)成功應(yīng)用于儲(chǔ)油罐角焊縫的表面或近表面缺陷檢測(cè)，可以滿足無(wú)需表面打磨、缺陷定量化檢測(cè)、檢測(cè)速度快、受外因干擾影響小等現(xiàn)場(chǎng)使用要求，對(duì)其他工程結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)也具有一定的參考價(jià)值。

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