基于漏磁检测方法的储油罐底板缺陷研究.pdf

2023.04 设备监理56检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y基于漏磁检测方法的储油罐底板缺陷研究李兴海（中海海洋石油有限公司 天津 300459）摘 要：为了实现储油罐底部缺陷部分的漏磁检测，达到预防和解决储罐安全问题的目的，本文基于漏磁检测基础原理进行漏磁检测研究，对漏磁检测技术中正反演问题进行分析，确定储油罐底腐蚀缺陷检测流程，对缺陷进行仿真研究，设计储油罐底部缺陷漏磁检测装置，构建二维模型与匹配传感器，完成漏磁检测装置设计。建立模型并通过软件进行有限元计算，研究不同缺陷条件下对漏磁信号曲线的影响，探究漏磁信号曲线与不同缺陷条件间的联系，以达到磁化装置的优化设计。关键词：漏磁检测 仿真研究 漏磁信号 磁化装置 储油罐底板缺陷Research on Bottom Defects of Oil Storage Tanks Based on Magnetic Flux Leakage Detection MethodLi Xinghai(CNOOC(China National Offshore Oil Corporation)Tianjin 300459)Abstract In order to realize the magnetic flux leakage detection of the defective part at the bottom of the oil storage tank,and achieve the purpose of preventing and solving the safety problem of the storage tank,based on the basic principle of magnetic flux leakage detection,this paper studies the forward and inversion problems in magnetic flux leakage detection technology,determines the corrosion defect detection process at the bottom of the oil storage tank,simulates the defects,designs the magnetic flux leakage detection device for defects at the bottom of the oil storage tank,constructs a two-dimensional model and matching sensor,and completes the design of the magnetic flux leakage detection device.The model is established and the finite element calculation is carried out through the software,the influence of different defect conditions on the magnetic flux leakage signal curve is studied,and the relationship between the magnetic flux leakage signal curve and different defect conditions is explored to achieve the optimal design of the magnetizing device.Keywords Magnetic flux leakage detection Simulation study Magnetic flux signal Magnetization device Bottom defects of oil storage tanks中图分类号：TB497 文献标志码：B文章编号：2095-2465(2023)08-0056-04 DOI:10.19919/j.issn.2095-2465.2023.08.014作者简介：李兴海（1983 )，男，本科，工程师，从事仪器仪表与自动控制研究工作。通讯作者：李兴海，E-mail：。（收稿日期：2023-04-11）目前我国的储油设施以地上储油罐为主，且以金属结构的储油系统居多1。由于罐内储藏的油品中往往包括氢、硫化合物、有机和无机盐以及其他液体气体等具有腐蚀性的化学物质，从而导致储油罐腐蚀的部位较多。如果不能及时发现并进行防腐处理，侵蚀的加剧会大幅削减储油罐的使用寿命，导致仓储油罐损坏发生泄漏，直接影响油库的安全运营2-3。另外，油品的散逸、冒、漏、撒会污染周围的环境，危及人身安全，变成重大事件的导火索4-5。漏磁无损检测技术不仅能够检测被测工件的外表面裂纹，还可以检测工件的内部裂缝；同时它还兼备检测灵敏度较高、检测速率快、对被测件表面光滑程度要求低、造价不高、操作易上手等优点6-7。漏磁无损检测主要是从磁粉探伤过程中演化出来，依靠检测铁磁性物体表面或接近其表面的缺陷所引起的磁场畸变8-9。采用由霍尔磁传感器等元件组成的检测电路对漏磁场的改变进行检测，根据所测的漏磁信号可以判别出被测件具体部位存在的缺陷情况10。PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0457检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y1 储罐缺陷检测仿真研究1.1 储油罐底板漏磁检测流程储油罐底板缺陷的漏磁检测工作流程结构如图 1所示。其大致流程如下：用直流、交流线圈或永磁体将待磁化装置磁化到达饱和状态，如果发现被检测设备底板上有任何缺陷时，就会产生漏磁通量，通过安装的霍尔传感器可以感应到设备中产生的漏磁现象，同时对信号进行采集，其中霍尔传感器可以起到把漏磁信号转变为无线电信号的功能，通过将电信号放大和分析处理后传输出来，送到一个数据采集卡，再进行后续的处理分析，最终达到检测目的。图 1 储油罐底板漏磁检测流程图?1.2 磁化方式的选择利用 Maxwell 软件对储油罐底板缺陷进行仿真处理，在仿真完成的条件下对储油罐底板缺陷进行磁化，得到相应的漏磁信号，计算结果。通过对比，最终选择交流磁化的方式作为探究漏磁检测装置的磁化方式；其交流磁化的强度可控性，磁化后不需要退磁的特点同时符合现代工业生产要求的高效便捷的检测标准。2 储油罐底漏磁检测设计2.1 储油罐底交流磁化装置设计设 计 储 油 罐 底 板 厚 度 为 7 mm，缺 陷 深 度 为 1 mm，设计采用通电线圈的方式完成电磁磁化，选择三者材料分别为铸铁、空气和铜，如图 2 所示。图 2 储油罐底板及磁化装置2.2 交流线圈在储油罐底板磁感应现象在校核计算都无误的情况下，选择油罐底板为主体，查看矢量电流密度的分布情况。导出图像可观察涡流分布情况，即在线圈通电作用下，产生了一个分布较为规律的涡流，如图 3 所示。图 3 储油罐底板及磁化装置在管道与磁化装置接触的位置磁感应强度大，磁感应强度随接触点径向分布，在线圈正下方磁感应密度最大，后从线圈正下方中心点向四周依次递减。2.3 传感器选择缺陷的泄漏磁场是个矢量，通常可以被分解成水平切向分量 bx和垂直的法向分量 by，并分别使用切向和法向的霍尔传感器来测量。3 漏磁信号分析3.1 漏磁信号特征由于缺陷的法向漏磁信号具有明显的正负峰值，易于观察，所以在实际检测中，通常选取峰值与峰谷的间距差值作为漏磁信号的特征量。漏磁场的分布特点如下：1）从空间角度看，它是一个三维场。2)从分布范围看，它是一个空间极小的场；以宽度为例，漏磁场的宽度是缺陷宽度的 25 倍。3)从铁磁工件磁导率的非线性 角度看，漏磁场又是磁化强度的非线性场。3.2 各种因素对漏磁信号的影响 3.2.1 缺陷宽度对漏磁信号的影响在确定缺陷深度为 2 mm，提离值为 2.5 mm，且涡流电压为 400 V 的情况下，通过软件计算分析不同缺陷宽度对漏磁场信号造成的影响；分别取缺陷宽度4 mm、3 mm、2.5 mm、2 mm、1.5 mm 与 1 mm 作为分析对象，见表 1。2023.04 设备监理58检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y缺陷宽度/mm11.522.534信号谷值/mT96.9597.1797.1897.4597.7498.72信号峰值/mT125.78125.58125.51125.08124.75124.45峰值差/mT28.8328.4128.3327.6327.0125.73表 1 各缺陷宽度漏磁信号极值表如 图 4 所 示，从 Mag_B 到 Mag_B_5 依 次 是 储罐底板缺陷宽度为 1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm，3 mm、4 mm 时的漏磁信号图像表达情况。由漏磁信号对比图可知在底板缺陷小范围变化的情况下，漏磁信号线变化并不是十分明显。但是在所取范围内，缺陷宽度越深，曲线极值就越小。这意味着在漏磁检测过程中，随着底板缺陷宽度的增大，检测到的信号随之减弱；检测信号的强弱也正是缺陷宽度大小的直观表达。100.0095.000.100.501.001.502.00?mmXY Plot212.503.003.504.00Y1/mT105.00110.00115.00120.00125.00129.72Curve InfoMag_BSetup1:Last AdaptiveMag_B_1ImportedMag_B_2ImportedMag_B_3ImportedMag_B_4ImportedMag_B_5Imported图 4 漏磁信号对比图在缺陷深度、长度和磁化条件不变的情况下，漏磁信号随缺陷宽度的变化如图 5 所示。由图可知，在储油罐底板裂纹宽度较小时，随着裂纹宽度的增加，信号向两边展开，幅值增大，并且缺陷越宽，信号间隔越大；在缺陷宽度达到一定值时，随着裂纹宽度增大，信号幅值变化不再明显。图 5 不同宽度下的漏磁信号1.631.701.801.902.002.10距离?mmXY Plot2197.0096.5197.5098.0098.5099.0099.50100.50100.00Y1/mTCurve InfoMag_B Setup1:Last AdaptiveMag_B_1ImportedMag_B_2ImportedMag_B_3ImportedMag_B_4ImportedMag_B_5Imported 3.2.2 缺陷深度对漏磁信号的影响将数据设置为1 mm、3 mm、5 mm、7 mm进行分析，便于观察腐蚀缺陷从小面积到贯穿底板的状态，基本情况见表 2。表 2 各缺陷深度漏磁信号极值表缺陷深度/mm1357信号谷值/mT97.2797.3797.30108.97信号峰值/mT125.07125.73125.75120.38峰值差/mT27.8028.3628.4511.41如图 6 所示，从 Mag_B 到 Mag_B_3 分别是缺陷深度为 7 mm、5 mm、3 mm、1 mm 时的漏磁信号曲线图。由图可知，在储罐底缺陷深度分别为1 mm、3 mm、5 mm、7 mm 时，漏磁信号表达了 2 种形式的信号曲线。一种是当缺陷深度达到 7 mm 时即缺陷深度达到阈值，油罐底板因腐蚀而贯穿的情况，曲线极点值远高于储油罐底没有贯穿的情况，并且峰值差也没有很大，这表示漏磁检测结果并不明显，因为漏磁检测漏磁信号的峰值差决定着磁通大小，由此可以得出结论：当储油罐底被腐蚀贯穿，或腐蚀深度相较罐底厚度较大时，会间接影响检测结果，出现检测不到信号或信号弱的情况。图 6 漏磁信号对比图100.0095.030.13 0.501.001.502.002.503.003.50 3.91距离?mmXY Plot25105.00110.00115.00120.00125.00128.05Y1/mTCurve InfoMag_B Setup1:Last AdaptiveMag_B_1ImportedMag_B_2ImportedMag_B_3Imported在缺陷宽度、长度和磁化条件不变的情况下，漏磁信号随缺陷深度的变化如图 7 所示，漏磁信号的切向分量幅值与缺陷深度成正比关系，即深度值越大，幅值愈大；而幅值则是直接反映漏磁信号的直接参量。由图可知，在储油罐底板没有贯穿的情况下，信号最低峰值相近，也就是说缺陷深度的数值不能直接影响漏磁缺陷信号的最低峰值；主要影响的是漏磁信号的峰度差值，缺陷越深，峰度差值越大。图 7 不同深度下的漏磁信号98.0097.001.77 1.801.902.002.102.202.29?mmXY Plot2899.00100.00101.00101.50Y1/mTCurve InfoMag_B Setup1:Last AdaptiveMag_B_1 ImportedMag_B_2 ImportedMag_B_3 ImportedPLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0459检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y 3.2.3 不同提离值对漏磁信号的影响不同提离值下的分析，基本情况见表 3。为进一步深入研究漏磁信号的优劣性，通过改变提离值来评估漏磁信号峰-峰值的影响，如图 8 所示。主要是针对被测储油罐底板缺陷的过程中，不同提离值对漏磁信号产生的影响，通过分析可以清楚地看出在储油罐缺陷附近的漏磁场，从缺陷正中间向两侧延伸的过程中，漏磁信号的 2 个峰值逐渐减弱，提离值越高，漏磁信号就越弱，达到一定峰值时会导致检测不到信号或者出现检测错误的情况。提离值高度/mm1234信号谷值/mT52.3786.62104.24111.60信号峰值/mT146.50132.29121.58115.80峰值差/mT94.1345.6717.344.20表 3 各提离值漏磁信号极限值表图 8 各提离值漏磁信号对比50.0025.000.000.501.001.502.002.503.333.00?mmXY Plot175.00100.00125.00146.32Y1/mTCurve InfoMag_B Setup1:LastAdaptiveMag_B_1 ImportedMag_B_2 ImportedMag_B_3 Imported4 结束语通过上述研究，可以得出如下结论：1）在储油罐底板裂纹宽度较小时，随着裂纹宽度的增加，信号向两边展开，幅值增大，并且缺陷越宽，信号间隔越大；在缺陷宽度达到一定值时，随着裂纹宽度增大信号幅值变化不再明显。2）在缺陷宽度、长度和磁化条件不变的情况下，漏磁信号会伴随着缺陷深度的改变而改变，缺陷深度值越大，漏磁信号的幅值也越大。3）对于缺陷附近所产生的漏磁场，从缺陷中间向 2 侧延伸的过程中，漏磁信号 2 个峰值也会逐步减弱，提离值越高漏磁信号就越弱，达到一定值时会导致检测不到信号或出现检测失误。参考文献1 刘美全.基于缺陷漏磁场的图像重构技术研究 D.石家庄：军械工程学院，2 004.2 王庆国,潘华锦,张灵振,等.漏 磁法无 损检测中铁磁材料内部磁场分布的研究 J.无损检测,2001,23(01):6-8.3 王长龙,陈鹏,刘美全,等.漏磁信号特征提取及检测研究 J.军械工程学院学报,2004,16(04):1-4.4 徐章遂,徐英,王建斌,等.裂纹漏磁定量检测原理与应用 M.北京:国防工业出版社，2005.5 纪凤珠,王长龙,陈正阁,等.基于三维有限元法的漏磁场分析 J.兵工学报,2007,28(07):876-879.6 刘志平,康宜华,武新军,等.储罐底板漏磁检测传感器设计 J.无损检测,2004,26(12):612-615.7 于卫刚,苑希超,徐超.漏磁检测的励磁装置优化设计 J.军械工程学院学报,2012,24(02):49-53.8 王雪山.无损检测新技术分析 J.科技创新导报,2012(31):32.9 康宜华,武新军.数字化磁性无损检测技术 M.北京:机械工业出版社，2007.10 李路明,郑鹏,黄松岭,等.表面裂纹宽度对漏磁场Y分量的影响 J.清华大学学报（自然科学版）,1999,39(02):43-45.（上接第 52 页）口增加收尘装置，利用先进的高频基波叠加脉冲电源来改变电除尘高压设备供电方式，配合导电滤槽的应用，有效提升电除尘工作效率，效果明显，且电除尘烟气阻力和运行耗电量没有明显增加，是一种电除尘超低排放改造性价比比较高的方案之一。虽然影响电除尘器除尘效率的因素还有很多，尤其是烟气参数状况、除尘器设备完好状况等，无法仅靠本次改造完全实现降低排放，但脉冲电源和导电滤槽组合应用，为满足国家环保要求提供了一条很好的思路，也为其他火电厂电除尘改造提供借鉴。参考文献1 吴波.高频电源及脉冲电源在烧结机头电除尘器改造中的应用 J.山西冶金,2022,45(01):244-245+248.2 徐赫泽.高频脉冲电源在热电厂超低排放中的应用J.石油石化节能,2021,11(08):4-6+1.3 赵作明,周锐,蒋东伟,等.导电滤槽技术在静电除尘器上的应用J.煤炭加工与综合利用,2011(06):63-64.