凌張偉，鄭慕林，孔　帥，蔡偉勇

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院， 杭州 310020)

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地下儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)裝置樣機(jī)設(shè)計(jì)

凌張偉，鄭慕林，孔帥，蔡偉勇

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院， 杭州 310020)

地下儲(chǔ)罐多為容積較小的臥式結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)及安全性的制約，缺乏針對(duì)地下儲(chǔ)罐的高效快速檢測(cè)方法。針對(duì)地下儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了適用于曲面檢測(cè)的三組磁化機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元模擬得到了合適的磁化結(jié)構(gòu)尺寸;采用模擬電路和數(shù)字濾波進(jìn)行信號(hào)處理，分析了傳感器分布不均造成的精度偏差，開(kāi)發(fā)了配套的數(shù)據(jù)采集軟件和分析軟件，設(shè)計(jì)了地下儲(chǔ)油漏磁檢測(cè)裝置樣機(jī)。通過(guò)試驗(yàn)板和試驗(yàn)罐的檢測(cè)試驗(yàn)，表明檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)出試驗(yàn)罐上的各種缺陷，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

地下儲(chǔ)罐;有限元分析;信號(hào)處理;漏磁檢測(cè)

加油站儲(chǔ)罐大多采用地下直埋的布置方式，是典型的地下儲(chǔ)罐。由于地下儲(chǔ)罐深埋地下，所處的工況復(fù)雜，罐體材料極易被腐蝕?，F(xiàn)有的地下儲(chǔ)罐檢測(cè)方法，大多是采用在儲(chǔ)罐外圍設(shè)置監(jiān)測(cè)井、在儲(chǔ)罐內(nèi)安裝電子控制器等方法，這些方法都是針對(duì)地下儲(chǔ)罐已經(jīng)發(fā)生泄漏后的監(jiān)測(cè)及檢測(cè)，無(wú)法對(duì)儲(chǔ)罐安全性做出及時(shí)的評(píng)價(jià)。筆者提出采用漏磁檢測(cè)方法對(duì)地下儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè),設(shè)計(jì)了可適用于曲面檢測(cè)的三單元磁化結(jié)構(gòu)，研制了地下儲(chǔ)油罐漏磁檢測(cè)裝置樣機(jī)。

1　漏磁檢測(cè)原理及有限元建模

1.1漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)的基本原理是:當(dāng)鐵磁性材料被磁化后，若材料無(wú)缺陷，產(chǎn)生的磁通幾乎沒(méi)有從表面穿出的情況，傳感器不能檢測(cè)到漏磁場(chǎng)，如圖1(a)所示;若表面存在缺陷，磁回路中的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變，一部分磁通穿出材料本體經(jīng)缺陷上方回到材料中，在材料表面或者近表面產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，如圖1(b)所示，用磁敏元件獲取該部分漏磁場(chǎng)信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)的分析及判別，即可得到缺陷的相關(guān)信息。

1.2漏磁檢測(cè)有限元建模

目前，數(shù)值方法成為求解漏磁場(chǎng)Maxwell方程組的主流方法[1-3]。針對(duì)地下儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了適用于曲面檢測(cè)的可變曲率的三單元磁化結(jié)構(gòu)，并通過(guò)有限元分析磁化結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)漏磁檢測(cè)的影響，進(jìn)而優(yōu)化了磁化結(jié)構(gòu)的參數(shù)。由于模型的對(duì)稱(chēng)性，只建立了一半的實(shí)體模型，如圖2所示。

圖1　漏磁檢測(cè)原理示意

圖2　三單元磁化結(jié)構(gòu)實(shí)體及有限元模型

2　磁化結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)被測(cè)鋼板磁化狀態(tài)的影響

以不含缺陷的鋼板為檢測(cè)對(duì)象，定量分析被測(cè)鋼板內(nèi)部沿板寬、板長(zhǎng)方向局部磁場(chǎng)的變化情況，以探討磁化單元結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)被測(cè)鋼板磁化狀態(tài)的影響規(guī)律。為此，在磁化單元正中心的板內(nèi)，將磁感應(yīng)強(qiáng)度沿板寬、板長(zhǎng)兩個(gè)方向分別映射，得到被測(cè)板內(nèi)的磁場(chǎng)分布曲線。影響鋼板局部磁化狀態(tài)的磁化單元結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：永磁體厚度h、永磁體寬度a、永磁體間距c、磁化間隙δ，磁化結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。采用控制變量法，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)研究，以得到其對(duì)鋼板磁化狀態(tài)的影響規(guī)律。

圖3　磁化結(jié)構(gòu)示意

2.1永磁體厚度的影響

固定銜鐵、極靴截面的幾何結(jié)構(gòu)及永磁體寬度a為40 mm,永磁體長(zhǎng)度b為60 mm，磁化間隙δ為6 mm,永磁體間距c為120 mm;分別取永磁體厚度h為10,15,20,25,30 mm，分析永磁體厚度對(duì)鋼板局部磁化的影響規(guī)律，其結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　永磁體不同厚度時(shí)磁場(chǎng)沿板寬、板長(zhǎng)方向的分布曲線

由圖4可看出,永磁體在不同厚度的情況下，被測(cè)鋼板內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx沿板寬方向呈不斷衰減的趨勢(shì)。定義兩磁極間的鋼板局部區(qū)域?yàn)橛行Т呕瘏^(qū)域，在有效磁化區(qū)域內(nèi)，沿板長(zhǎng)、板寬兩個(gè)方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx均隨著永磁體厚度h的增大而增大，且增大的趨勢(shì)逐漸減小。以永磁體厚度h為10 mm時(shí)的情況為基準(zhǔn)，h為15,20,25,30 mm時(shí)，沿板寬方向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx的幅值分別增大6.2%,9.7%,11.6%,12.8%，說(shuō)明永磁體厚度h對(duì)被測(cè)鋼板內(nèi)磁化狀態(tài)的影響并不顯著。

2.2永磁體寬度的影響

同理，分析永磁體不同寬度時(shí),磁場(chǎng)沿板寬、板長(zhǎng)方向的變化情況,得到如圖5所示的曲線。由圖5可看出，當(dāng)永磁體寬度a為20,30,40,60,80 mm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx沿板寬方向不斷衰減，衰減的趨勢(shì)不斷減小。在有效磁化區(qū)域內(nèi)，沿板寬、板長(zhǎng)方向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx均隨永磁體寬度a的增大而增大，且增大的趨勢(shì)逐漸減小。若以永磁體寬度a為20 mm時(shí)的情況為基準(zhǔn)，則a為30,40,60,80 mm時(shí)，沿板寬方向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx的幅值分別增大37.5%,58.2%,71.0%,76.5%，表明板寬a的增大能顯著地增強(qiáng)被測(cè)鋼板內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度，使鋼板局部更容易達(dá)到磁飽和狀態(tài)，有利于漏磁檢測(cè)的實(shí)施。當(dāng)a為40 mm時(shí)，被測(cè)鋼板已接近局部磁化飽和，其內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx隨寬度a的增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始變的緩慢。

圖5　永磁體不同寬度時(shí)磁場(chǎng)沿板寬、板長(zhǎng)方向的分布曲線

圖6　磁化間隙不同時(shí)磁場(chǎng)沿板寬、板長(zhǎng)方向的分布曲線

2.3磁化間隙的影響

當(dāng)磁化間隙δ為2,4,6,8 mm時(shí),被測(cè)鋼板內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx分量沿板寬、板長(zhǎng)方向的分布曲線如圖6所示。由圖6可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx沿板寬方向呈不斷衰減的趨勢(shì)。在有效磁化區(qū)域內(nèi)，沿板寬、板長(zhǎng)方向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx均隨磁化間隙δ的增大而減小。若以磁化間隙δ為2 mm時(shí)的情況為基準(zhǔn)，則δ為4,6,8 mm時(shí)，沿板寬方向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx的幅值分別減小2.3%,4.5%,7.0%，表明磁化間隙對(duì)被測(cè)鋼板內(nèi)磁化狀態(tài)的影響并不顯著。因此，在滿足檢驗(yàn)靈敏度要求的前提下，可以適當(dāng)增大磁化間隙。

圖7　永磁體間距不同時(shí)磁場(chǎng)沿板寬、板長(zhǎng)方向的分布曲線

2.4永磁體間距的影響

當(dāng)永磁體間距c為60,80,100,120,140 mm時(shí)，被測(cè)鋼板內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx分量沿板寬、板長(zhǎng)分布曲線如圖7所示。由圖7(a)可看出，在板寬方向0～0.06 mm范圍內(nèi)，永磁體間距c越大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx越小，而在此范圍外則相反?？傮w來(lái)講，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx沿板寬方向呈不斷衰減的趨勢(shì)，且永磁體間距c越小其減小的趨勢(shì)越明顯。若以磁化間距c為60 mm時(shí)的情況為基準(zhǔn)，則c為80,100,120,140 mm時(shí)，沿板寬方向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx的幅值分別減小4.9%,10.1%,14.9%,19.1%。由圖7(b)可以看出，接近永磁體位置處，由于永磁體周?chē)艌?chǎng)的影響，被測(cè)鋼板有效磁化區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx出現(xiàn)一個(gè)增大的突變，即永磁體附近被測(cè)鋼板內(nèi)的磁場(chǎng)分布不均勻。為了降低永磁體附近磁場(chǎng)對(duì)漏磁檢測(cè)的不利影響，設(shè)計(jì)磁化結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)使兩個(gè)永磁體間保持一定間距，以提高漏磁檢測(cè)的可靠性。

3　漏磁檢測(cè)信號(hào)處理與識(shí)別

對(duì)于漏磁檢測(cè)，能否識(shí)別出缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行相應(yīng)的分析與判斷，關(guān)鍵是缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)的處理[4-5]。

3.1信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

采用霍爾傳感器為磁敏元件，零點(diǎn)輸出電壓為2.5 V，因此在對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大之前需要將其與2.5 V參考電壓進(jìn)行差動(dòng)放大。傳感器陣列的輸出進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路，主要由信號(hào)的放大和低通濾波組成，信號(hào)調(diào)理電路如圖8所示。

圖8　信號(hào)調(diào)理電路框圖

由于缺陷漏磁場(chǎng)的信號(hào)較小，所以調(diào)理電路中需加入放大器模塊。采用的放大器元件為放大倍數(shù)可調(diào)的、可差分輸入的AD620芯片，AD620芯片信號(hào)放大電路如圖9所示。

圖9　AD620信號(hào)放大電路框圖

圖10　零相位數(shù)字濾波處理結(jié)果

3.2數(shù)字信號(hào)處理

為了提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比，必須進(jìn)行降噪處理。針對(duì)漏磁檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，采用零相位數(shù)字濾波對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)檢測(cè)試驗(yàn)板上的人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)，傳感器信號(hào)先經(jīng)過(guò)硬件信號(hào)處理之后進(jìn)行零相位數(shù)字濾波處理，得到如圖10所示的信號(hào)。零相位濾波器采用了具有良好截止特性的IIR巴特沃斯帶通濾波器，從圖上可以看出，零相位濾波后的信號(hào)與經(jīng)過(guò)硬件信號(hào)處理后的信號(hào)具有相同的相位，而非零相位濾波的結(jié)果則明顯有一個(gè)相位延遲。

圖11　信號(hào)奇異點(diǎn)提取示意

3.3缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)的識(shí)別

目前，缺陷信號(hào)提取的特征值主要有信號(hào)的絕對(duì)峰值、信號(hào)的峰峰值、峰峰間距等特征值，文章選擇的是峰峰值的提取。

峰峰值提取法是利用檢測(cè)信號(hào)中裂紋區(qū)域信號(hào)峰峰值的變異來(lái)提取信號(hào)特征的，因?yàn)檫@一區(qū)域的信號(hào)峰峰值明顯高于其他信號(hào)。在提取峰峰值之前，先要標(biāo)定缺陷信號(hào)中的奇異點(diǎn)，如圖11所示，奇異點(diǎn)是信號(hào)檢測(cè)中的突變信號(hào)，是檢測(cè)信號(hào)的重要特征之一。經(jīng)峰峰值提取、排序、篩選和數(shù)據(jù)重構(gòu)等一系列的數(shù)字信號(hào)處理，得到如圖12所示的缺陷信號(hào)最終結(jié)果。

圖12　缺陷信號(hào)最終結(jié)果示意

4　漏磁檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

漏磁檢測(cè)系統(tǒng)軟件包含數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)分析軟件兩部分。

數(shù)據(jù)采集軟件安裝于漏磁檢測(cè)裝置的工業(yè)平板電腦上，用于與數(shù)據(jù)采集卡通信，采集并存儲(chǔ)檢驗(yàn)信息，其主要功能包括檢驗(yàn)信息存取、標(biāo)定數(shù)據(jù)設(shè)定存取、檢測(cè)并保存、查看缺陷信息、視圖縮放平衡控制、缺陷顯示門(mén)檻值設(shè)定等。圖13為數(shù)據(jù)采集軟件GUI操作界面。

圖13　數(shù)據(jù)采集軟件GUI操作界面

數(shù)據(jù)分析軟件可安裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)上，導(dǎo)入檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行漏磁檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計(jì)，主要功能包括儲(chǔ)罐壁板的拼板出圖、單板標(biāo)尺查看、缺陷統(tǒng)計(jì)與分析、數(shù)據(jù)信息修正、出具報(bào)告等操作。

5　漏磁檢測(cè)試驗(yàn)

5.1漏磁檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)定制的含缺陷的試驗(yàn)儲(chǔ)罐進(jìn)行了試驗(yàn)[6-7]。設(shè)計(jì)了地下儲(chǔ)油罐漏磁檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)，如圖14所示。

圖14　漏磁檢測(cè)系統(tǒng)外觀

為了更接近地下儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)的工程實(shí)際情況，參照現(xiàn)有的地下儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，以1∶1的比例定制了一臺(tái)含缺陷的試驗(yàn)儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐尺寸為：直徑2 400 mm、長(zhǎng)5 000 mm、板厚6 mm。預(yù)制缺陷包括：裂紋類(lèi)缺陷和腐蝕類(lèi)缺陷，分別置于儲(chǔ)罐罐壁的3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘的方向上。

5.2儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)試驗(yàn)與結(jié)果分析

分別對(duì)裂紋類(lèi)缺陷和腐蝕坑缺陷進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了裂紋長(zhǎng)度、寬度、深度以及裂紋傾斜角度與漏磁檢測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系，分析了腐蝕坑的直徑及腐蝕坑的深度與漏磁檢測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系，得到缺陷形位參數(shù)與漏磁檢測(cè)信號(hào)的關(guān)系曲線，分別如圖15～17所示。

圖15　裂紋深度、寬度、長(zhǎng)度與漏磁信號(hào)的關(guān)系曲線

圖16　裂紋傾斜角度與漏磁信號(hào)的關(guān)系曲線

圖17　腐蝕坑的直徑、深度與漏磁信號(hào)的關(guān)系曲線

由圖15可以得到，對(duì)于裂紋缺陷，裂紋的深度、寬度、長(zhǎng)度以及裂紋的傾斜角度對(duì)裂紋漏磁檢測(cè)信號(hào)幅值有很大的影響。其中裂紋的深度與裂紋漏磁場(chǎng)幅值呈遞增的直線關(guān)系，即裂紋的深度越深裂紋漏磁場(chǎng)的幅值越大；相反，裂紋寬度與裂紋漏磁場(chǎng)幅值之間呈遞減的直線關(guān)系，即隨著裂紋寬度的增加裂紋漏磁場(chǎng)幅值減??；裂紋長(zhǎng)度與裂紋漏磁場(chǎng)幅值呈遞增關(guān)系。由圖16可見(jiàn),裂紋傾斜角度越大即裂紋與磁化場(chǎng)之間的夾角越大，裂紋漏磁場(chǎng)的幅值越大。這是因?yàn)楫?dāng)裂紋與磁化場(chǎng)的方向平行時(shí)，裂紋不切割磁力線而不引起磁場(chǎng)的變化，所以裂紋與磁化場(chǎng)間的夾角過(guò)小時(shí)，容易對(duì)裂紋缺陷產(chǎn)生誤判甚至是漏檢;因此在工程實(shí)際檢測(cè)中，如若判斷有可能存在裂紋,應(yīng)至少?gòu)膬蓚€(gè)方向?qū)梢刹课贿M(jìn)行掃描檢測(cè)，以避免漏檢。

由圖17可見(jiàn),對(duì)于腐蝕缺陷，腐蝕坑的深度、直徑與缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系相同，都是呈遞增的趨勢(shì)。表明對(duì)于腐蝕類(lèi)的體積型缺陷，缺陷的體積越大缺陷漏磁場(chǎng)的幅值越高，越容易被檢出。

6　結(jié)語(yǔ)

(1) 采用有限元仿真技術(shù)對(duì)地下儲(chǔ)罐進(jìn)行了局部磁化仿真分析，以有限元分析為基礎(chǔ)，優(yōu)化磁化結(jié)構(gòu)參數(shù);并針對(duì)地下儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了三單元磁化結(jié)構(gòu)組成的掃查面，形成了可變曲率的磁化結(jié)構(gòu)，從而使得機(jī)械結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)油罐曲面貼合，最大程度地降低了由機(jī)械結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的系統(tǒng)固有誤差。

(2) 開(kāi)展了模擬濾波、數(shù)字濾波和缺陷識(shí)別相結(jié)合的信號(hào)處理。采用零相位數(shù)字濾波對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)缺陷的峰峰值特征進(jìn)行時(shí)域提取，確定了最終的缺陷信號(hào)的識(shí)別方法。

(3) 研發(fā)了一套可自動(dòng)行走的、適用于不同曲率的地下儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)樣機(jī);在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了地下儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)試驗(yàn)，獲得了缺陷參數(shù)與漏磁檢測(cè)信號(hào)之間的定性關(guān)系,具有較好的工程應(yīng)用前景。

[1]鄭慕林,劉富君,孔帥,等.裂紋漏磁場(chǎng)數(shù)值模擬[J].無(wú)損檢測(cè),2011,33(9):43-48.

[2]戴光,崔巍,楊志軍,等.基于三維有限元的換熱管缺陷漏磁場(chǎng)數(shù)值模擬[J].壓力容器,2009,26(8):21-26.

[3]戴光,孫傳軒,楊志軍,等.管道外壁缺陷多磁化單元磁場(chǎng)數(shù)值模擬與參量分析[J]. 壓力容器,2008,25(11):24-29,56.

[4]韓文花,闕沛文.去除漏磁數(shù)據(jù)中無(wú)縫管道噪聲的小波域自適應(yīng)濾波算法[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,29(1):127-130.

[5]戴光,趙海龍,楊志軍.信息熵在缺陷漏磁信號(hào)量化中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),2011,33(2):1-4.

[6]安佰江,武新軍,袁建明,等.電動(dòng)式儲(chǔ)罐底板腐蝕漏磁檢測(cè)儀的研制[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(1):18-22.

[7]奉華成,黃松嶺,趙云利,等.三維漏磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制[J].電測(cè)與儀表,2011,48(544):27-29,57.

The Design of Prototype of Magnetic Flux Leakage Inspection Device for Underground Storage Tank

LING Zhang-wei, ZHENG Mu-lin, KONG Shuai, CAI Wei-yong

(Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310020, China)

The underground storage tanks are usually small shaped and horizontally placed. There is no inspection method of high efficiency. A magnetic flux leakage (MFL) testing device for underground storage was presented. A magnetization structure containing three sub parts was designed for curvature plates. The dimensions of magnetization structure were fixed through finite element analysis. Signal processing was carried out by hardware signal progressing circuit and digital filter. The inspection device was established. Experiment result indicated that most defects prefabricated on the test tank were found out using the developed MFL inspection device.

Underground storage tank; Finite element analysis; Signal proceeding; MFL inspection

2015-05-28

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(201210019)

凌張偉(1982- )，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事特種設(shè)備領(lǐng)域的檢驗(yàn)檢測(cè)方法研究及儀器研發(fā)工作。

10.11973/wsjc201512004

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0014-06