儲罐罐底板漏磁檢測儀的研制
儲罐是油庫、港口和石油化工存儲液體原料、中間產(chǎn)品的重要設(shè)備之一。罐底板位于儲罐的zui底層，上表面接觸含水的存儲介質(zhì)，下表面與罐基礎(chǔ)接觸，是儲罐腐蝕的主要集中區(qū)，因此罐底板腐蝕狀態(tài)檢測是儲罐定期檢修的重要內(nèi)容之一。目前常用檢測方法中，超聲波檢測效率低，磁粉探傷檢測深度小，射線檢測由于結(jié)構(gòu)原因較難實(shí)施，因此研究能對整個罐底板腐蝕狀況作出評價，且檢測效率高、勞動強(qiáng)度小的漏磁檢測方法具有現(xiàn)實(shí)意義。筆者研制了基于漏磁場法的罐底板檢測儀，該儀器無需油基或水基耦合劑，不受表面油污及非磁性雜物的影響，檢測速度可達(dá)1m/s，可檢測罐底板表面90％以上面積，為罐底板表面腐蝕狀況檢測提供了新的方法。
1 檢測原理
罐底板大多采用低碳鋼材料，很適合用漏磁場法檢測。漏磁場檢測罐底板缺陷的原理如圖1所示。*磁鐵、銜鐵、被測鋼板和氣隙構(gòu)成了閉合回路實(shí)現(xiàn)對罐底板的磁化。當(dāng)罐底板被充分磁化時，若存在缺陷，其磁力線將發(fā)生畸變，一部分磁力線泄露出罐底板的上表面，形成漏磁場。采用霍爾元件等傳感器探測該磁場并得到漏磁信號，分析漏磁信
號即可獲得缺陷的相關(guān)特征。
在罐底板檢測中，將被測鋼板磁化至接近飽和狀態(tài)是提高檢測靈敏度的重要保障。磁化不充分，缺陷引起的磁力線畸變或者無法在鋼板上表面生成漏磁場，或者生成的漏磁場很弱而被噪聲湮沒。
（a）無缺陷磁力線分布 （b）有缺陷磁力線分布
圖1 罐底板漏磁檢測原理圖
鋼板磁化方式有交流磁化、直流磁化和永磁磁化等。采用新一代釹鐵硼稀土*磁鐵的永磁磁化法具有磁能積高、體積小、重量輕及無需電源等特點(diǎn)，在便攜式磁檢測裝置中應(yīng)用廣泛。銜鐵材料選用導(dǎo)磁性能好、易加工的低碳鋼，其尺寸大小選擇要保證導(dǎo)磁材料有較高的磁導(dǎo)率。對由*磁鐵和銜鐵構(gòu)成的勵磁裝置尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取*磁化。對于一個給定的磁化系統(tǒng)，影響罐底板磁化狀態(tài)的因素主要包括罐底板的厚度和罐底板材料的相對磁導(dǎo)率等。由于大多數(shù)罐底板的材料具有相近的相對導(dǎo)磁特性，因此磁化狀態(tài)將主要隨罐底板厚度改變而不同。當(dāng)兩塊鋼板厚度不同時，磁極與鋼板間的磁化間隙要相應(yīng)調(diào)整，才能保證鋼板的磁化狀態(tài)不變，從而獲取相同的檢測靈敏度。
探測漏磁場的檢測元件包括感應(yīng)線圈、磁通門傳感器、霍爾元件、磁敏電阻和磁敏二極管等。其中集成霍爾元件集成了線性放大電路，可把微弱漏磁場信號轉(zhuǎn)換為微弱電信號后再放大輸出，不但便于后續(xù)處理，也可以提高信噪比，因此霍爾元件在磁性檢測儀器中應(yīng)用越來越廣泛。缺陷的漏磁場是個空間量，一般選擇檢測切線分量和法線分量中的一個。勵磁裝置（在空間上形成磁場）在鋼板上移動時，由于鋼板是導(dǎo)電體，因此會產(chǎn)生渦流效應(yīng)。當(dāng)霍爾元件水平放置檢測法向分量時，受渦流效應(yīng)的影響比垂直放置檢測切線分量的大。但水平放置的霍爾元件可以緊貼檢測表面，提高了檢測靈敏度，而渦流效應(yīng)對信號的影響可通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償。
2罐底板漏磁檢測儀
2.1罐底板漏磁檢測儀的結(jié)構(gòu)
圖2 漏磁檢測儀結(jié)構(gòu)示意圖
1．銜鐵 2．稀土磁鐵 3．傳感器 4．定向輪5．轉(zhuǎn)向輪 6．空氣隙 7．編碼器 8．調(diào)節(jié)螺栓9．導(dǎo)線 10．?dāng)?shù)據(jù)采集卡與報警裝置11．鎖定銷 12．便攜機(jī)
罐底板漏磁檢測儀結(jié)構(gòu)見圖2，現(xiàn)作如下介紹：
（1）勵磁系統(tǒng) 勵磁裝置由銜鐵和磁鐵等組成。勵磁的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鋼板的近飽和磁化。磁極的截面積、磁極間距和銜鐵的尺寸等參數(shù)都對被測鋼板的磁化狀態(tài)有很大影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，勵磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定漏磁檢測儀器的性能好壞。由勵磁系統(tǒng)、磁化氣隙和被測鋼板組成閉合磁路，針對磁路的非線性，通過有限元分析方法和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合優(yōu)化上述參數(shù)。如前所述，當(dāng)要檢測不同厚度的鋼板或鋼板表面的覆蓋層厚度不一樣時，可通過螺栓調(diào)整磁化氣隙以獲取相同的檢測靈敏度。
（2）霍爾元件與聚磁技術(shù) 集成霍爾元件的布置數(shù)量應(yīng)以檢測范圍內(nèi)腐蝕坑和孔等局部缺陷不漏檢為原則。由于單個集成霍爾元件的檢測覆蓋范圍有限，采用了聚磁技術(shù)來提高檢測靈敏度，保證相鄰兩個霍爾元件的測試區(qū)域相覆蓋。如前所述，霍爾元件越接近被測鋼板表面，檢測靈敏度越高。這里采用彈簧使裝霍爾元件的銅板緊貼被測鋼板，遇到障礙時，彈簧的浮動功能使銅板能順利通過。
（3）小車 檢測小車驅(qū)動方式有電機(jī)驅(qū)動和人工推動兩種。圖2所示為人工推動方式。電機(jī)驅(qū)動額外增加了電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)及附加電源，使小車重量增加，接近于人工推動方式的兩倍。由于檢測小車與鋼板間的吸力很大，人工推動小車轉(zhuǎn)彎有一定難度，因此后輪設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)向輪用鎖定銷控制。小車沿直線運(yùn)行時，方向鎖定，需要轉(zhuǎn)彎時打開鎖定銷。
（4）信號報警、缺陷判斷與定位 儀器運(yùn)行前通過對人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷進(jìn)行若干次檢測試驗(yàn)，得到缺陷深度與漏磁場幅值之間的對應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)場檢測時依據(jù)檢測靈敏度要求設(shè)定相應(yīng)的閾值（要檢測zui小缺陷對應(yīng)的漏磁場幅值）。當(dāng)小車采集的信號幅值大于設(shè)定的閾值時，計(jì)算機(jī)將發(fā)送信號給報警系統(tǒng)進(jìn)行聲光報警。操作人員在當(dāng)時或以后啟動缺陷判斷程序，判斷該報警信號是否為缺陷。缺陷判斷方法是對報警區(qū)域信號幅值自動搜索波谷—波峰—波谷，將得到的兩個峰峰值中的zui大值與閾值相比較，大于閾值的判為缺陷。小車在檢測過程中，除了要確定有無缺陷外還要確定缺陷位置，通過固定在定向輪上的編碼器來實(shí)現(xiàn)。每行進(jìn)一定位移，采集一組數(shù)據(jù)，因此可通過數(shù)據(jù)推斷缺陷的位置。
2.2 罐底板漏磁檢測儀的信號處理系統(tǒng)
信號處理系統(tǒng)（圖3）主要由數(shù)據(jù)采集卡、聲光報警器、筆記本電腦及顯示分析軟件等構(gòu)成。
圖3 信號處理系統(tǒng)
圖4數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)圖
（1）數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)見圖4，由于從傳感器探頭輸出的16路檢測信號包含噪聲，有些是系統(tǒng)噪聲，有些是工作時引入的噪聲，而罐底板上腐蝕孔或坑等缺陷的漏磁信號一般較弱，因此在數(shù)據(jù)采集卡上對幾路信號進(jìn)行了疊加、放大和濾波處理，濾除輸出信號噪聲，放大缺陷信號跳變幅值。信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)增強(qiáng)并行口（EPP）進(jìn)入計(jì)算機(jī)。A/D采集的時間間隔由編碼器輸出的脈沖提供觸發(fā)。
（2）波形顯示與缺陷報警 軟件多通道實(shí)時顯示數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)信號的判斷與數(shù)據(jù)的存盤。當(dāng)檢測信號的幅值超過設(shè)定的閾值時，計(jì)算機(jī)通過EPP通知報警器報警。
（3）信號分析 檢測小車采集的信號需作分析處理，包括噪聲濾除和信號特征量提取等。依據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的缺陷等效深度和寬度與信號幅值間關(guān)系，
通過信號特征量反映缺陷特征參數(shù)。罐底板檢測完畢后將數(shù)據(jù)組合，生成罐底板的整體缺陷圖形。
3 性能測試
在實(shí)驗(yàn)室條件下，針對檢測儀的檢測性能進(jìn)行了一系列模擬實(shí)驗(yàn)。被測試樣為Q235低碳鋼板，厚度為16mm，表面無覆蓋層，磁極與鋼板間的磁化間隙為6mm。在鋼板上制作了不同型號的通孔（模擬腐蝕孔）和盲孔（模擬腐蝕坑）。圖5為通孔和盲孔的檢測信號。其中通孔1，2，3的直徑分別為Φ3.2，2.4和1.6mm；盲孔4，5，6的直徑為Φ3.2mm，深度分別為10，6.4和3.2mm。圖5表明該儀器能夠檢測微小的腐蝕孔或腐蝕坑等局部缺陷，具有檢測罐底板表面腐蝕缺陷的能力。
4 分析與討論
圖5 模擬腐蝕缺陷的信號
罐底板漏磁檢測儀器與傳統(tǒng)的管道漏磁檢測儀器在原理上是一致的，但在具體設(shè)計(jì)時要復(fù)雜得多。管道總是圓的，但罐底板卻不都是平的。罐底板飽和磁化比管道的飽和磁化要困難，因?yàn)楣薜装宓拇呕癄顩r受寬度影響很明顯，而且罐底板檢測中的信噪比一般也比管道檢測要差。產(chǎn)生噪聲的原因很多，如鋼板表面不平、鋼板的彎曲程度、渦流信號以及檢測小車輪子變形引起的周期噪聲等。另外，儲罐檢測方案的選擇也對結(jié)果有一定的影響。
雖然有上述困難，但罐底板漏磁檢測儀不受罐底板表面油污及其它非導(dǎo)磁覆蓋物的限制，能快速全面檢測整個罐底板，是快速判斷有無腐蝕和判斷腐蝕程度的有效手段。該儀器將大大減輕罐底板檢測的勞動強(qiáng)度，減少勞動時間，提高罐底板安全運(yùn)行的可靠性。目前該儀器在石油、石化、特檢等現(xiàn)場試用。隨著我國石油戰(zhàn)略儲備體系的建立和石化行業(yè)的飛速發(fā)展，該儀器有著廣闊的應(yīng)用前景。
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