金澤淏 武新軍

（華中科技大學機械科學與工程學院）

漏磁檢測作為一種非接觸快速掃查技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、快速、準確等優(yōu)點，廣泛應用于管道、儲罐底板及鋼絲繩等規(guī)則構(gòu)件的檢測。近年來，漏磁檢測技術(shù)在漏磁信號與缺陷之間的關(guān)系、漏磁信號特征量提取、漏磁信號反演、缺陷量化及評價方法等方面均有顯著的研究成果［1～4］。

大型常壓儲罐是石油石化行業(yè)中的重要設(shè)備。以1×105m3儲罐為例［5］：儲罐底板分為中幅板和邊緣板，厚度分別為12、20mm；壁板根據(jù)高度劃分為9層，每層板厚存在差異，越靠近地面的壁板厚度越大，最高層板厚度為12mm，最低層板厚度為32mm，具有變板厚的特點。然而，針對管道、儲罐底板及鋼絲繩等（試件厚度或截面積相對保持不變）設(shè)計的漏磁檢測儀，在應用到大型儲罐時，受儲罐各部位板厚變化的影響，被測部位的磁化程度會發(fā)生變化，進而對漏磁信號和磁力大小產(chǎn)生一定的影響，導致檢測結(jié)果不準確。為此，筆者提出一種綜合典型漏磁信號各特征參數(shù)的可檢測性評價方法，利用該方法對漏磁信號分類，從而對其可檢測性進行分析評價。為降低實驗工作量，對變板厚漏磁場及其變化規(guī)律進行探究，采用有限元方法對變板厚鋼板的漏磁場進行仿真和分析。利用有限元計算磁化器在不同厚度鋼板上所受磁吸力大小，進行磁力參數(shù)設(shè)計，給出12～32mm厚度鋼板上的最大和最小磁力值，為完善大型儲罐變板厚漏磁檢測儀的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 典型漏磁信號分析

1.1 漏磁信號特征參數(shù)

漏磁檢測原理如圖1所示。漏磁檢測儀探頭由磁化器和傳感器構(gòu)成，銜鐵和永磁體構(gòu)成的磁化器與被測鋼板構(gòu)成閉合磁路，漏磁檢測儀探頭在鋼板上方一定提離高度沿水平方向移動。由于缺陷處的磁導率很小、磁阻很大，磁路中的部分磁通會泄漏到鋼板表面的空氣中，形成漏磁場。因此，當傳感器位于缺陷正上方時，可以檢測到該處的漏磁場，通過采集其運動過程中的漏磁信號完成對缺陷的定位和分析。

圖2為水平方向上典型的缺陷漏磁信號。圖2中橫軸定位坐標原點為缺陷位置，在該處水平方向磁感應強度有明顯增加，表現(xiàn)出單峰值特性［6］，漏磁信號磁感應強度極大值與極小值分別為P1和P2。根據(jù)漏磁信號的分布特征，可以選取漏磁信號峰峰值（極大值與極小值之差，表征信號幅值的大小）、信噪比（漏磁場與背景磁場之比）、峰峰值與信噪比之積作為評價漏磁信號的3個特征參數(shù)。

圖1 漏磁檢測原理

圖2 水平方向上典型的缺陷漏磁信號

由圖2可以看出，缺陷附近背景磁場與漏磁場極小值近似相等，可認為漏磁信號信噪比為漏磁場極大值與極小值之比；峰峰值與信噪比之積即綜合了其他兩種特征參數(shù)的影響。

1.2 漏磁信號評價方法

在變板厚大型儲罐的漏磁場研究中，結(jié)構(gòu)固定的磁化器在板厚變化時漏磁場會產(chǎn)生較大的變化，隨著板厚的增大，漏磁信號單峰特性急劇衰減，從而導致難以檢測或檢測不到對應尺寸的缺陷。為此，需要選擇一種適用于變板厚的漏磁信號評價方法，為變板厚漏磁信號的統(tǒng)一分析提供支撐。選取典型漏磁信號的3個特征參數(shù)，根據(jù)已有研究結(jié)果中一般漏磁信號各特征參數(shù)的變化范圍［7］，按數(shù)值大小分別進行等級劃分，提出一種用于評價缺陷漏磁信號可檢測性的方法。表1給出了各特征參數(shù)等級分級情況。選擇峰峰值與信噪比之積作為首要評價參數(shù)：當其值達到某一等級的閾值時，漏磁信號可檢測性良好，不必再考慮峰峰值和信噪比的等級；當峰峰值與信噪比之積在某一等級區(qū)間，且峰峰值和信噪比至少有一項參數(shù)達到某一等級閾值時，漏磁信號可檢測性良好；其他情況時漏磁信號可檢測性不佳。

表1 漏磁信號特征參數(shù)分級

基于上述分析，為了對變板厚大型儲罐漏磁信號的可檢測性進行分析評價，結(jié)合各特征參數(shù)的等級劃分情況，現(xiàn)提出漏磁信號可檢測性評價方法如下：

a.峰峰值與信噪比之積為A級時，漏磁信號可檢測性良好；

b.峰峰值與信噪比之積為B級，同時峰峰值和信噪比均不低于B級且至少有一項為A級時，漏磁信號可檢測性良好；

c.其他情況時，漏磁信號可檢測性不佳。

2 變板厚漏磁場有限元仿真分析

2.1 變板厚漏磁場有限元仿真結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)已有研究成果［8］，現(xiàn)有適用于12mm鋼板的漏磁檢測磁化器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中鋼板材料為Q235，永磁體距離鋼板的提離值為14.5mm。為了便于獲得可檢測性良好的漏磁信號，傳感器提離值不宜過大，有限元仿真時提離高度取2mm。磁化器永磁體采用N52釹鐵硼，磁體長60mm、厚20mm，兩永磁體間的磁極間距為100mm。銜鐵材料為高磁導率的工業(yè)純鐵，銜鐵長度由磁體長度和磁極間距決定，銜鐵厚度為20mm。為研究變板厚大型儲罐對漏磁場的影響，利用ANSYS建立磁化器的有限元模型，分別取板厚12、20、32mm，仿真得出變板厚時不同尺寸缺陷的漏磁場信號波形，利用提出的評價方法對各漏磁信號的可檢測性進行評價。

圖3 漏磁檢測磁化器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 變板厚漏磁信號分析

根據(jù)3個特征參數(shù)等級的不同組合對仿真得到的漏磁信號進行分類，例如A-B-C型表示漏磁信號的峰峰值、信噪比、峰峰值與信噪比之積分別為A級、B級、C級。圖4給出了變板厚漏磁場下仿真得到的不同類型漏磁信號波形圖。

圖4 不同類型漏磁信號波形圖

由圖4可知，當峰峰值與信噪比之積為C級時，漏磁信號單峰值特性不明顯，可檢測性不佳；當峰峰值與信噪比之積為B級時，漏磁信號單峰值特性明顯，其中B-B-B型漏磁信號單峰部分較為平緩，可檢測性不佳，而B-A-B型漏磁信號信噪比更大，單峰部分更為陡峭，可檢測性良好；當峰峰值與信噪比之積為A級時，漏磁信號單峰值特性明顯，易于檢測到陡峭單峰部分，此時漏磁信號的可檢測性良好。

在大型儲罐變板厚漏磁檢測有限元仿真中，鋼板厚度分別取12、20、32mm，在2mm提離高度下采集漏磁信號。為了得到可檢測性良好的漏磁信號，在鋼板中心設(shè)置不同尺寸的圓形通孔缺陷，缺陷通孔直徑依次取1.6、3.2、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0mm。在鋼板厚度一定時，增大缺陷通孔直徑直到獲得可檢測性良好的缺陷漏磁信號。表2給出了有限元仿真得到的變板厚及不同缺陷通孔的漏磁信號。由表2可知，板厚變化對漏磁場影響較大。當板厚為12mm時，磁化器可檢測直徑1.6mm的缺陷通孔；當板厚為20mm時，磁化器在缺陷通孔直徑達到4.0mm時才能獲得可檢測性良好的漏磁信號；當板厚為32mm時，即使缺陷通孔直徑增大至8.0mm，仍無法獲得可檢測性良好的漏磁信號。

對表2中的數(shù)據(jù)進行整理，得到變板厚情況下缺陷通孔直徑對各特征參數(shù)的影響如圖5所示，其中虛線表示各特征參數(shù)的等級分界線。由圖5可以看出，當板厚為20mm時，隨著缺陷通孔直徑的增大，各特征參數(shù)隨之增大；當板厚為32mm時，缺陷通孔直徑增大，各特征參數(shù)變化不顯著，峰峰值和信噪比均為B級，峰峰值與信噪比之積為C級或B級，對于一般尺寸的缺陷通孔，此時磁化器難以獲得可檢測性良好的漏磁信號，即該磁化器不適用于32mm板厚的漏磁檢測。為此，需要對磁化器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計，使之能適用于12～32mm變板厚大型儲罐的漏磁檢測。

表2 變板厚及不同缺陷通孔的漏磁信號

圖5 缺陷通孔直徑對各特征參數(shù)的影響

3 大型儲罐漏磁檢測磁化器參數(shù)設(shè)計

3.1 磁化器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

磁化器結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括磁體長度、磁極間距、磁體厚度和銜鐵厚度，各參數(shù)變化對變板厚大型儲罐的漏磁場都會產(chǎn)生一定的影響。

取鋼板板厚為32mm，設(shè)置缺陷通孔直徑為5.0mm，分別改變磁化器各參數(shù)值，利用有限元方法進行漏磁場仿真，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)，各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對漏磁場都會產(chǎn)生一定的影響，而只有在磁體長度增加到一定值時，才能夠獲得可檢測性良好的漏磁信號。

對表3數(shù)據(jù)進行整理，得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對漏磁信號各特征參數(shù)的影響如圖6所示。由圖6可知，其他參數(shù)不變，隨著磁體長度的增大，各特征參數(shù)隨之呈上升趨勢，峰峰值與信噪比之積有明顯變化，且在磁體長度為100mm時達到最大；其他參數(shù)不變，隨著磁極間距的增大，峰峰值和信噪比均無明顯變化，峰峰值與信噪比之積略微增大；其他參數(shù)不變，隨著磁體厚度的增大，各特征參數(shù)隨之先增大后減小，但變化幅度較小；其他參數(shù)不變，隨著銜鐵厚度的增大，各特征參數(shù)均無明顯變化。

表3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的磁化器漏磁信號

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對漏磁信號特征參數(shù)的影響

由圖6可知，其他參數(shù)不變，當磁體長度為100mm時，能夠獲得較高的峰峰值與信噪比之積，此時漏磁信號可檢測性良好，因此建議將磁體長度由60mm調(diào)整為100mm。

3.2 磁化器磁力參數(shù)設(shè)計

磁化器與鋼板間的磁吸力巨大，在變板厚大型儲罐漏磁檢測中不可忽視。針對鋼板厚度為12～32mm的大型儲罐，在該厚度范圍內(nèi)等差取不同板厚值，利用ANSYS對磁吸力大小進行計算，將結(jié)構(gòu)參數(shù)修改前后的磁化器分別稱為固定板厚磁化器和變板厚磁化器，兩種磁化器磁力大小隨鋼板厚度的變化規(guī)律如圖7所示?？梢钥闯?，隨著鋼板厚度的增加，兩種磁化器的磁力都先增大后趨于平穩(wěn)，但兩者數(shù)值相差較大，這是由于修改磁化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)后增大了永磁體體積，故磁力得到明顯提升。

圖7 兩種磁化器磁力大小隨鋼板厚度的變化規(guī)律

表4給出了兩種磁化器在不同板厚時的磁力值。可以看出，固定板厚磁化器在12mm板厚時的磁力為3 759.2N，而變板厚磁化器的磁力為4 880.1N，說明對于同一厚度鋼板，變板厚磁化器的磁力明顯大于固定板厚磁化器，且兩者差值較大不可忽視。該結(jié)果可為大型儲罐變板厚漏磁檢測儀的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

表4 兩種磁化器在不同板厚時的磁力值

4 結(jié)束語

針對大型儲罐變板厚的特點，提出了一種漏磁信號可檢測性評價方法，并利用三維有限元方法對變板厚漏磁場進行仿真和分析。針對12mm板厚設(shè)計的漏磁檢測磁化器能檢測出1.6mm缺陷通孔；在20mm厚鋼板上能檢測出4.0mm缺陷通孔；在32mm厚鋼板上不能進行有效的漏磁檢測。對該磁化器進行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，將磁體長度由60mm增加至100mm，修改結(jié)構(gòu)參數(shù)后的變板厚磁化器能在32mm厚鋼板上檢測出5.0mm缺陷通孔，可見該磁化器能夠適用于12～32mm變板厚的大型儲罐漏磁檢測。利用有限元計算了兩種磁化器在不同厚度鋼板上的磁力大小，固定板厚磁化器在12mm鋼板上磁力為3 759.2N，變板厚磁化器在12mm鋼板上最小磁力為4 880.1N，在32mm鋼板上最大磁力為5 688.4N。該結(jié)果可為大型儲罐變板厚漏磁檢測儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)。