儲(chǔ)罐罐底板漏磁檢測(cè)儀的研制
儲(chǔ)罐是油庫(kù)、港口和石油化工存儲(chǔ)液體原料、中間產(chǎn)品的重要設(shè)備之一。罐底板位于儲(chǔ)罐的zui底層，上表面接觸含水的存儲(chǔ)介質(zhì)，下表面與罐基礎(chǔ)接觸，是儲(chǔ)罐腐蝕的主要集中區(qū)，因此罐底板腐蝕狀態(tài)檢測(cè)是儲(chǔ)罐定期檢修的重要內(nèi)容之一。目前常用檢測(cè)方法中，超聲波檢測(cè)效率低，磁粉探傷檢測(cè)深度小，射線檢測(cè)由于結(jié)構(gòu)原因較難實(shí)施，因此研究能對(duì)整個(gè)罐底板腐蝕狀況作出評(píng)價(jià)，且檢測(cè)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小的漏磁檢測(cè)方法具有現(xiàn)實(shí)意義。筆者研制了基于漏磁場(chǎng)法的罐底板檢測(cè)儀，該儀器無(wú)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(cè)速度可達(dá)1m/s，可檢測(cè)罐底板表面90％以上面積，為罐底板表面腐蝕狀況檢測(cè)提供了新的方法。
1 檢測(cè)原理
罐底板大多采用低碳鋼材料，很適合用漏磁場(chǎng)法檢測(cè)。漏磁場(chǎng)檢測(cè)罐底板缺陷的原理如圖1所示。*磁鐵、銜鐵、被測(cè)鋼板和氣隙構(gòu)成了閉合回路實(shí)現(xiàn)對(duì)罐底板的磁化。當(dāng)罐底板被充分磁化時(shí)，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(chǎng)。采用霍爾元件等傳感器探測(cè)該磁場(chǎng)并得到漏磁信號(hào)，分析漏磁信
號(hào)即可獲得缺陷的相關(guān)特征。
在罐底板檢測(cè)中，將被測(cè)鋼板磁化至接近飽和狀態(tài)是提高檢測(cè)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(wú)法在鋼板上表面生成漏磁場(chǎng)，或者生成的漏磁場(chǎng)很弱而被噪聲湮沒。
（a）無(wú)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(cè)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(wú)需電源等特點(diǎn)，在便攜式磁檢測(cè)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(duì)由*磁鐵和銜鐵構(gòu)成的勵(lì)磁裝置尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取*磁化。對(duì)于一個(gè)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(duì)磁導(dǎo)率等。由于大多數(shù)罐底板的材料具有相近的相對(duì)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(shí)，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(cè)靈敏度。
探測(cè)漏磁場(chǎng)的檢測(cè)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(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)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(cè)儀器中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。缺陷的漏磁場(chǎng)是個(gè)空間量，一般選擇檢測(cè)切線分量和法線分量中的一個(gè)。勵(lì)磁裝置（在空間上形成磁場(chǎng)）在鋼板上移動(dòng)時(shí)，由于鋼板是導(dǎo)電體，因此會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)。當(dāng)霍爾元件水平放置檢測(cè)法向分量時(shí)，受渦流效應(yīng)的影響比垂直放置檢測(cè)切線分量的大。但水平放置的霍爾元件可以緊貼檢測(cè)表面，提高了檢測(cè)靈敏度，而渦流效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響可通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。
2罐底板漏磁檢測(cè)儀
2.1罐底板漏磁檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)
圖2 漏磁檢測(cè)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(bào)警裝置11．鎖定銷 12．便攜機(jī)
罐底板漏磁檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)見圖2，現(xiàn)作如下介紹：
（1）勵(lì)磁系統(tǒng) 勵(lì)磁裝置由銜鐵和磁鐵等組成。勵(lì)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(duì)被測(cè)鋼板的磁化狀態(tài)有很大影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定漏磁檢測(cè)儀器的性能好壞。由勵(lì)磁系統(tǒng)、磁化氣隙和被測(cè)鋼板組成閉合磁路，針對(duì)磁路的非線性，通過(guò)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(cè)不同厚度的鋼板或鋼板表面的覆蓋層厚度不一樣時(shí)，可通過(guò)螺栓調(diào)整磁化氣隙以獲取相同的檢測(cè)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(cè)范圍內(nèi)腐蝕坑和孔等局部缺陷不漏檢為原則。由于單個(gè)集成霍爾元件的檢測(cè)覆蓋范圍有限，采用了聚磁技術(shù)來(lái)提高檢測(cè)靈敏度，保證相鄰兩個(gè)霍爾元件的測(cè)試區(qū)域相覆蓋。如前所述，霍爾元件越接近被測(cè)鋼板表面，檢測(cè)靈敏度越高。這里采用彈簧使裝霍爾元件的銅板緊貼被測(cè)鋼板，遇到障礙時(shí)，彈簧的浮動(dòng)功能使銅板能順利通過(guò)。
（3）小車 檢測(cè)小車驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和人工推動(dòng)兩種。圖2所示為人工推動(dòng)方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)額外增加了電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及附加電源，使小車重量增加，接近于人工推動(dòng)方式的兩倍。由于檢測(cè)小車與鋼板間的吸力很大，人工推動(dòng)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(shí)，方向鎖定，需要轉(zhuǎn)彎時(shí)打開鎖定銷。
（4）信號(hào)報(bào)警、缺陷判斷與定位 儀器運(yùn)行前通過(guò)對(duì)人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷進(jìn)行若干次檢測(cè)試驗(yàn)，得到缺陷深度與漏磁場(chǎng)幅值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)依據(jù)檢測(cè)靈敏度要求設(shè)定相應(yīng)的閾值（要檢測(cè)zui小缺陷對(duì)應(yīng)的漏磁場(chǎng)幅值）。當(dāng)小車采集的信號(hào)幅值大于設(shè)定的閾值時(shí)，計(jì)算機(jī)將發(fā)送信號(hào)給報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警。操作人員在當(dāng)時(shí)或以后啟動(dòng)缺陷判斷程序，判斷該報(bào)警信號(hào)是否為缺陷。缺陷判斷方法是對(duì)報(bào)警區(qū)域信號(hào)幅值自動(dòng)搜索波谷—波峰—波谷，將得到的兩個(gè)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(cè)過(guò)程中，除了要確定有無(wú)缺陷外還要確定缺陷位置，通過(guò)固定在定向輪上的編碼器來(lái)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(guò)數(shù)據(jù)推斷缺陷的位置。
2.2 罐底板漏磁檢測(cè)儀的信號(hào)處理系統(tǒng)
信號(hào)處理系統(tǒng)（圖3）主要由數(shù)據(jù)采集卡、聲光報(bào)警器、筆記本電腦及顯示分析軟件等構(gòu)成。
圖3 信號(hào)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(cè)信號(hào)包含噪聲，有些是系統(tǒng)噪聲，有些是工作時(shí)引入的噪聲，而罐底板上腐蝕孔或坑等缺陷的漏磁信號(hào)一般較弱，因此在數(shù)據(jù)采集卡上對(duì)幾路信號(hào)進(jìn)行了疊加、放大和濾波處理，濾除輸出信號(hào)噪聲，放大缺陷信號(hào)跳變幅值。信號(hào)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(shí)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(bào)警 軟件多通道實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的判斷與數(shù)據(jù)的存盤。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)的幅值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)EPP通知報(bào)警器報(bào)警。
（3）信號(hào)分析 檢測(cè)小車采集的信號(hào)需作分析處理，包括噪聲濾除和信號(hào)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(hào)幅值間關(guān)系，
通過(guò)信號(hào)特征量反映缺陷特征參數(shù)。罐底板檢測(cè)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(cè)試
在實(shí)驗(yàn)室條件下，針對(duì)檢測(cè)儀的檢測(cè)性能進(jìn)行了一系列模擬實(shí)驗(yàn)。被測(cè)試樣為Q235低碳鋼板，厚度為16mm，表面無(wú)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(hào)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(cè)信號(hào)。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(cè)微小的腐蝕孔或腐蝕坑等局部缺陷，具有檢測(cè)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(hào)
罐底板漏磁檢測(cè)儀器與傳統(tǒng)的管道漏磁檢測(cè)儀器在原理上是一致的，但在具體設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)中的信噪比一般也比管道檢測(cè)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(hào)以及檢測(cè)小車輪子變形引起的周期噪聲等。另外，儲(chǔ)罐檢測(cè)方案的選擇也對(duì)結(jié)果有一定的影響。
雖然有上述困難，但罐底板漏磁檢測(cè)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(cè)整個(gè)罐底板，是快速判斷有無(wú)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(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)時(shí)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(chǎng)試用。隨著我國(guó)石油戰(zhàn)略儲(chǔ)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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