楊 薇 何承代 陸衛(wèi)軍 劉延雷

（1.杭州拓瑞博科技有限公司 2.杭州市特種設(shè)備檢測研究院 3.杭州市富陽區(qū)食品安全檢驗(yàn)檢測中心）

0 前言

近年來，埋地儲(chǔ)罐被廣泛應(yīng)用于石油化工類企業(yè)和儲(chǔ)運(yùn)庫站。由于此類容器所盛裝的介質(zhì)大多為腐蝕性介質(zhì)，其物理和化學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，因此儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行極為重要。埋地儲(chǔ)罐長期埋于地下，若防腐不利，外壁接觸酸類土壤，將會(huì)對罐壁產(chǎn)生很大的腐蝕作用，甚至導(dǎo)致儲(chǔ)罐產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕類缺陷。儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏，輕則造成工作介質(zhì)流失、環(huán)境污染和能源浪費(fèi)，重則危及人身安全，引發(fā)重大事故。因此如何了解此類容器的腐蝕狀況，有目的地對容器進(jìn)行維修，減少事故發(fā)生，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

目前針對埋地罐的檢測方法有射線檢測法、超聲波檢測法、磁粉檢測法、磁記憶檢測法、滲透檢測法、漏磁檢測法[1-4]。但是埋地罐大多采用半埋地或全埋地的形式，不便于進(jìn)行外部檢測。漏磁檢測的基本原理為對被檢試件進(jìn)行局部磁化，當(dāng)材料表面出現(xiàn)裂紋或坑點(diǎn)等缺陷時(shí)，就會(huì)在缺陷表面局部區(qū)域形成漏磁場，漏磁信號(hào)隨缺陷幾何形狀的不同而變化，采用磁傳感器檢測漏磁場的變化，根據(jù)測得的漏磁信號(hào)就可判別缺陷情況。漏磁檢測法具有對缺陷靈敏度高、檢測速度快，對試件表面清潔度要求不高，而且成本低、操作簡單，能檢測內(nèi)外壁缺陷等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。因此采用漏磁檢測方法在不開挖條件下對埋地儲(chǔ)罐內(nèi)外壁進(jìn)行腐蝕檢測是可行的。

1 數(shù)值仿真

采用ANSYS有限元仿真軟件，建立埋地罐漏磁檢測分析模型，其結(jié)構(gòu)主要由磁化結(jié)構(gòu)、被測容器壁、容器壁缺陷、空氣層等幾部分組成，有限元幾何模型如圖1所示。運(yùn)行計(jì)算后可以得到如圖2所示的磁場強(qiáng)度矢量分布圖，即可以得到不同位置的磁場強(qiáng)度。改變?nèi)毕莸牟煌瑓?shù)，包括缺陷深度、缺陷寬度、被檢測件厚度等，可以得到不同缺陷對漏磁場的影響規(guī)律。

圖1 有限元幾何模型

圖2 磁場強(qiáng)度矢量分布圖

1.1 缺陷深度對漏磁場的影響

如圖3所示，隨著缺陷深度的增加，漏磁場垂直分量幅值在一定范圍內(nèi)隨著腐蝕缺陷深度的增加近似線性增長。

1.2 缺陷直徑對漏磁場的影響

如圖4所示，不同直徑缺陷的漏磁場垂直分量幅值在一定直徑范圍內(nèi) （4～8 mm）隨缺陷直徑的增加而增大。當(dāng)直徑增加到一定數(shù)值 （＞8 mm）時(shí)，缺陷漏磁場垂直分量幅值與缺陷直徑呈遞減關(guān)系；漏磁場垂直分量峰-峰值間距隨著缺陷直徑的增加而變大。

圖3 不同深度缺陷的漏磁場垂直分量曲線

圖4 不同直徑缺陷的漏磁場垂直分量曲線

1.3 被測件壁厚對漏磁場的影響

如圖5所示，隨著容器壁厚度的增加，漏磁場水平分量峰值都呈近似線性減小趨勢。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要是被測容器壁的磁化飽和度不同所致，容器壁厚的增加會(huì)導(dǎo)致被測容器壁磁化飽和度下降，這樣漏磁信號(hào)也就相應(yīng)減弱了。

圖5 不同容器壁厚缺陷的漏磁場水平分量曲線

1.4 內(nèi)、外璧缺陷對漏磁場的影響

為分析筒體內(nèi)、外壁缺陷對漏磁信號(hào)的影響，以壁厚為8 mm、直徑為2 m的圓筒為研究對象。在內(nèi)、外壁分別建立兩組直徑為5 mm、深度為20%～80%壁厚的圓柱形缺陷，在筒壁內(nèi)側(cè)提取缺陷上方1 mm處漏磁場垂直分量進(jìn)行對比，圖6是深度為40%壁厚的內(nèi)、外壁缺陷漏磁場垂直分量曲線；同時(shí)為了對比分析，表1還給出了內(nèi)、外壁不同深度缺陷漏磁場垂直分量的峰谷差值。

圖6 內(nèi)、外壁缺陷漏磁場垂直分量曲線

表1 內(nèi)、外壁不同深度缺陷漏磁場對比

由圖6和表1可知，外壁缺陷的漏磁場強(qiáng)度比內(nèi)壁缺陷漏磁場強(qiáng)度略弱，但信號(hào)形狀差別并不十分明顯。因此在實(shí)際檢測中，要根據(jù)檢測情況加以分析，才能確定是內(nèi)壁缺陷還是外壁缺陷。

2 儀器開發(fā)與現(xiàn)場應(yīng)用

該儀器磁化結(jié)構(gòu)由磁鐵、極靴及檢測傳感器組成。其中選用永久磁鐵作為勵(lì)磁源，采用局部勵(lì)磁方式，勵(lì)磁磁路采用單回路形式，并且在磁路端裝上極靴，一方面可保護(hù)永久磁鐵，另一方面可增加磁場的均勻性。另外，為減小磁場損失，采用將磁鐵串聯(lián)的磁路，磁鐵間使用由軟磁材料組成的磁軛連接，用來改變磁力線方向，減少磁回路系統(tǒng)的磁阻，在空間建立均勻的強(qiáng)磁場，形成導(dǎo)磁回路，減小磁阻。

經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了磁軛和極靴的材料為高磁導(dǎo)率的容器用鋼，而永久磁鐵則采用高性能釹鐵硼永磁鐵。利用磁導(dǎo)法可準(zhǔn)確計(jì)算出將容器壁磁化成最佳檢測狀態(tài)的永久磁鐵、磁軛和極靴的具體尺寸。通過有限元方法對具體尺寸進(jìn)行優(yōu)化，形成了可手持的輕便型漏磁檢測儀。采用弧形板設(shè)計(jì)了常用板厚為8、10、12 mm的標(biāo)定裝置，如圖7(a)所示。通過實(shí)驗(yàn)可測量不同影響因素與漏磁信號(hào)之間的關(guān)系。有限元分析為實(shí)驗(yàn)分析提供了理論指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了有限元數(shù)值分析的正確性和儀器的可用性。目前，所開發(fā)的漏磁檢測儀已在現(xiàn)場進(jìn)行了多次成功應(yīng)用，圖7(b)所示為一使用現(xiàn)場。

圖7 試驗(yàn)標(biāo)定裝置和漏磁檢測儀使用現(xiàn)場

3 結(jié)論

利用有限元方法，建立埋地儲(chǔ)罐缺陷漏磁場分析模型，基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出了缺陷尺寸對漏磁場的影響規(guī)律：在一定范圍內(nèi)漏磁信號(hào)強(qiáng)度與缺陷深度呈近似線性關(guān)系；缺陷漏磁場在一定范圍內(nèi)隨缺陷直徑的增加而增大，當(dāng)直徑增加到一定數(shù)值（＞8 mm）時(shí)，則呈現(xiàn)遞減的趨勢；容器壁厚的增加會(huì)導(dǎo)致被測容器壁磁化飽和度下降，一定范圍內(nèi)缺陷漏磁信號(hào)強(qiáng)度隨著容器壁厚的增加而近似線性減小，但相同幾何參數(shù)的缺陷漏磁場分布曲線形狀卻相似；內(nèi)、外壁缺陷對漏磁信號(hào)存在一定影響，但影響的量很小，需做進(jìn)一步分析加以區(qū)分。

結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值仿真優(yōu)化，最終成功試制出埋地罐內(nèi)部漏磁檢測儀。采用所研制的漏磁檢測儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該漏磁檢測儀滿足現(xiàn)場的檢測需求，能實(shí)現(xiàn)不開挖條件下的埋地罐腐蝕檢測。

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[4] 廖曉玲，王飛，趙丹.工業(yè)管道漏磁檢測技術(shù)及發(fā)展綜述 [J].價(jià)值工程，2016，35（10）：236-237.

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