储罐底板-补板缺陷漏磁场影响因素分析

2019-08-22

压力容器 2019年7期

(1.南京市锅炉压力容器检验研究院，南京 210019；2.南京空港油料有限公司，南京 210000)

0 引言

储罐作为重要的储存容器经常会发生腐蚀，按照SY/T 5921—2011《立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规程》和SY/T 6620—2014《油罐的检验、修理、改建及翻建》的规定，很多储罐底板都需要补板维修[1]，在维修后的几年补板也会发生腐蚀。国内学者对储罐原底板和补板缺陷信号的相互影响鲜有研究，因此对补板的漏磁检测特性研究迫在眉睫[2-4]。本研究以漏磁检测原理为基础，以仿真分析方法为手段，采用漏磁检测自动行走装置进行试验研究，为补板检测提供技术支持和为升降距离的设计提供理论基础。图1示出某5万m3原油储罐补板腐蚀状况。

1 补板漏磁场空间分布特性仿真分析

漏磁检测是通过识别缺陷处漏磁场的畸变磁场进行缺陷识别的，储罐底板的磁化能力对底板的检测有决定性的影响。本研究以TMS-08M型漏磁检测仪(检测能力为6～20 mm板厚)的磁化结构为仿真的磁化结构[5]。

图1 储罐补板腐蚀情况

首先选用Solid 117单元进行电磁场分析，然后进行实体建模并设定单元类型，在有限元分析中，涉及到的材料有磁化结构外围的空气、永磁铁、被检件、衔铁和极靴等[6-7]。定义好材料属性后,需要对实体模型进行网格划分，选用网格规整的扫略网格划分方法，所建模型将外围空气层外表面设置成磁力线平行边界条件发生面，并且选用稀疏矩阵求解器进行求解，图2示出补板漏磁场分布云图[8]。

图2 补板漏磁场分布云图

1.1 补板合理检测气隙距离仿真分析

设置补板厚度为6 mm，原储罐底板厚度为6 mm，补板和原储罐底板间隙为1 mm，在补板上方设置长度为4 mm、宽度为4 mm、深度为20%板厚的矩形缺陷，求得补板漏磁场竖直方向分量如图3(a)所示。每次求解漏磁场时改变气隙距离，同理，求得厚度8，10 mm补板漏磁场竖直方向分量分别如图3(b),(c)所示。

(a)6 mm板厚

(b)8 mm板厚

选择不同板厚与基准曲线最为接近的气隙距离曲线，获得该曲线漏磁场竖直方向分量如表1所示。

表1 不同板厚的气隙距离与缺陷信号强度对照

从表1可以看出，6，8 mm厚补板在气隙距离为9.8 mm和7 mm的情况下的漏磁场竖直方向分量都可以达到基准信号强度，而10 mm厚补板在气隙距离为4 mm时，仍然难以达到基准信号强度。

1.2 气隙距离对漏磁场特征分量的影响

对原储罐底板缺陷漏磁场竖直方向特征分量进行分析，设置补板厚度为6 mm，原储罐底板厚度6 mm，补板和原储罐底板间隙为1 mm，在原储罐底板上方设置长宽为4 mm×4 mm，深度分别为20%，40%，60%，80%板厚的矩形缺陷。每次求解漏磁场时设置气隙距离分别为9.8,5 mm，得到漏磁场竖直方向分量如图4所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(d)80%板厚

图4 6 mm底板-补板缺陷漏磁场分量

从图4中可以看出，当补板与原储罐底板厚度为6 mm、板间隙1 mm、气隙距离为5 mm时，可以观察到20%板厚、40%板厚、60%板厚和80%板厚缺陷深度的漏磁场竖直方向分量；气隙距离为9.8 mm时，20%板厚和40%板厚缺陷漏磁场竖直方向分量不明显，可以观察到60%板厚和80%板厚缺陷漏磁场竖直方向分量；随着气隙距离的增大，不同深度缺陷漏磁场竖直方向分量都有明显减小的趋势，表明9.8 mm的气隙距离可以减小原储罐底板缺陷对补板检测带来的影响[9]。

同理，改变补板厚度为8 mm，原储罐底板厚度8 mm，每次求解漏磁场时设置气隙距离分别为7，5 mm，其他条件不变，可以得到类似的结论，即7 mm的气隙距离可以减小原储罐底板缺陷对补板检测带来的影响，如图5所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(d)80%板厚

图5 8 mm底板-补板缺陷漏磁场分量

1.3 板间隙对漏磁场特征分量的影响

对补板和原储罐底板间隙的漏磁场特性进行分析，设置补板厚度为6 mm，原储罐底板厚度6 mm，补板和原储罐底板间隙分别为0.4 mm和1 mm，在原储罐底板上方设置长宽为4 mm×4 mm，深度为20%，40%，60%，80%板厚的矩形缺陷。设置气隙距离为9.8 mm，得到漏磁场竖直方向分量如图6所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(d)80%板厚

图6 6 mm板不同板间隙缺陷漏磁场分量

从图6可以看出，当补板厚度为6 mm、原储罐底板厚度6 mm、气隙距离为9.8 mm时，板间隙0.4 mm的漏磁场竖直方向分量大于板间隙1 mm的漏磁场竖直方向分量，且随着缺陷深度的增加，不同板间隙缺陷信号差值明显增大[10-11]。同理，改变补板厚度为8 mm，原储罐底板厚度8 mm，设置气隙距离为7 mm，其他条件不变，可得出相同的结论，如图7所示。

(a)20%板厚

(b)40%板厚

(d)80%板厚

2 补板漏磁检测试验分析

试验所需要的设备主要包括：储罐底板漏磁检测自动行走装置主机1套(该装置可以调节气隙距离)；安装有检测系统和控制系统的计算机1台；移动储存设备和记录本；游标卡尺1个；实验室条件下预制检测试板6个(厚度为6，8，10 mm)，分别加工矩形缺陷。加工尺寸如图8所示。

图8 矩形缺陷加工试板结构尺寸

模拟储罐底板补板试验，将2块6 mm板厚、8 mm板厚和10 mm板厚的检测试板叠放进行数据采集，补板缺陷类型为矩形缺陷，长宽为4 mm×4 mm，加工深度为20%，40%，60%，80%板厚，分别设置气隙距离为9.8,7,4 mm，板间隙1 mm。

试验过程如图9所示，用2块试板分别代替原储罐底板和补板进行试验，获取的缺陷彩色带图如图10所示，波形图如图11所示。

图9 模拟储罐补板检测试验

(a)6 mm补板

(b)8 mm补板

图10(a)，(b)和图11(a)，(b)中可以明显观察到20%板厚，40%板厚，60%板厚，80%板厚的缺陷信号。图10(c)和图11(c)中20%板厚缺陷信号不可见，表明仪器对10 mm厚补板小深度缺陷的检测不可行。

(a)6 mm补板

(b)8 mm补板

重新模拟储罐底板补板试验，将2块6 mm板厚和8 mm板厚检测试板叠放进行数据采集，补板缺陷类型为矩形缺陷，长度为4 mm，宽度为4 mm，加工深度为20%板厚、40%板厚、60%板厚和80%板厚，分别设置气隙距离为9.8 mm和7 mm，板间隙为0.4 mm，得到图12所示彩色带图，从图中可以看出，40%，60%,80%板厚的缺陷信号，表明板间隙越小、原储罐底板对补板检测的影响越大。

(a)6 mm补板

(b)8 mm补板

设置原储罐底板上表面为矩形缺陷，改变气隙距离为5 mm，板间隙设置为1 mm，其他设置同上，得到如图13所示彩色带图。从图中可以看出80%板厚的缺陷信号，且被识别成60%以下缺陷信号，提取检测信号最好的传感器通道数据，求得6 mm板厚和8 mm板厚不同深度缺陷信号波峰波谷差值如表2,3所示。

(a)6 mm底板

(b)8 mm底板

表2 1 mm板间隙、6 mm板厚不同深度缺陷信号波峰波谷差值对照

表3 1 mm板间隙、8 mm板厚不同深度缺陷信号波峰波谷差值对照

改变板间隙为0.4 mm，得到如图14所示彩色带图。从图中可以看出60%板厚和80%板厚缺陷信号，并且都被识别成60%以下缺陷信号，提取检测信号最好的传感器通道数据，求得6 mm板厚和8 mm板厚不同深度缺陷信号波峰波谷差值如表4,5所示。

(a)6 mm底板

(b)8 mm底板

图14 气隙距离为0.4 mm时，不同厚度原储罐底板缺陷彩色带图

表4 0.4 mm板间隙、6 mm板厚不同深度缺陷信号波峰波谷差值对照

表5 0.4 mm板间隙、8 mm板厚不同深度缺陷信号波峰波谷差值对照

对6 mm不同板间距的缺陷进行对比分析，取表2,4中数据，得到图15所示6 mm板厚缺陷波峰-波谷信号对比图。同理，取表3，5中数据求得8 mm板厚缺陷波峰-波谷信号对比图如图16所示。可以看出，当板间隙为0.4 mm时，所检测到的原储罐底板缺陷信号较强，表明板间隙越大，原储罐底板的缺陷对补板检测的影响越小。

试验所得结论与上一节仿真分析相符合，即：(1)厚度10 mm补板不适合对小缺陷进行识别；(2)厚度6 mm补板检测时，所设计的9.8 mm检测气隙距离可以减小原储罐底板对补板缺陷检测的影响，厚度8 mm补板检测时，所设计的7 mm检测气隙距离可以减小原储罐底板对补板缺陷检测的影响；(3)增大板间隙，可以降低原储罐底板对补板缺陷检测的影响。