臥式埋地儲罐漏磁檢測技術的研究與應用*

楊 薇 何承代 陸衛軍 劉延雷

（1.杭州拓瑞博科技有限公司 2.杭州市特種設備檢測研究院 3.杭州市富陽區食品安全檢驗檢測中心）

0 前言

近年來，埋地儲罐被廣泛應用于石油化工類企業和儲運庫站。由于此類容器所盛裝的介質大多為腐蝕性介質，其物理和化學性質較為復雜，因此儲罐的安全運行極為重要。埋地儲罐長期埋于地下，若防腐不利，外壁接觸酸類土壤，將會對罐壁產生很大的腐蝕作用，甚至導致儲罐產生嚴重的腐蝕類缺陷。儲罐一旦發生泄漏，輕則造成工作介質流失、環境污染和能源浪費，重則危及人身安全，引發重大事故。因此如何了解此類容器的腐蝕狀況，有目的地對容器進行維修，減少事故發生，具有較大的經濟和社會意義。

目前針對埋地罐的檢測方法有射線檢測法、超聲波檢測法、磁粉檢測法、磁記憶檢測法、滲透檢測法、漏磁檢測法[1-4]。但是埋地罐大多采用半埋地或全埋地的形式，不便于進行外部檢測。漏磁檢測的基本原理為對被檢試件進行局部磁化，當材料表面出現裂紋或坑點等缺陷時，就會在缺陷表面局部區域形成漏磁場，漏磁信號隨缺陷幾何形狀的不同而變化，采用磁傳感器檢測漏磁場的變化，根據測得的漏磁信號就可判別缺陷情況。漏磁檢測法具有對缺陷靈敏度高、檢測速度快，對試件表面清潔度要求不高，而且成本低、操作簡單，能檢測內外壁缺陷等優點[5-6]。因此采用漏磁檢測方法在不開挖條件下對埋地儲罐內外壁進行腐蝕檢測是可行的。

1 數值仿真

采用ANSYS有限元仿真軟件，建立埋地罐漏磁檢測分析模型，其結構主要由磁化結構、被測容器壁、容器壁缺陷、空氣層等幾部分組成，有限元幾何模型如圖1所示。運行計算后可以得到如圖2所示的磁場強度矢量分布圖，即可以得到不同位置的磁場強度。改變缺陷的不同參數，包括缺陷深度、缺陷寬度、被檢測件厚度等，可以得到不同缺陷對漏磁場的影響規律。

圖1 有限元幾何模型

圖2 磁場強度矢量分布圖

1.1 缺陷深度對漏磁場的影響

如圖3所示，隨著缺陷深度的增加，漏磁場垂直分量幅值在一定范圍內隨著腐蝕缺陷深度的增加近似線性增長。

1.2 缺陷直徑對漏磁場的影響

如圖4所示，不同直徑缺陷的漏磁場垂直分量幅值在一定直徑范圍內 （4～8 mm）隨缺陷直徑的增加而增大。當直徑增加到一定數值 （＞8 mm）時，缺陷漏磁場垂直分量幅值與缺陷直徑呈遞減關系；漏磁場垂直分量峰-峰值間距隨著缺陷直徑的增加而變大。

圖3 不同深度缺陷的漏磁場垂直分量曲線

圖4 不同直徑缺陷的漏磁場垂直分量曲線

1.3 被測件壁厚對漏磁場的影響

如圖5所示，隨著容器壁厚度的增加，漏磁場水平分量峰值都呈近似線性減小趨勢。出現這一現象主要是被測容器壁的磁化飽和度不同所致，容器壁厚的增加會導致被測容器壁磁化飽和度下降，這樣漏磁信號也就相應減弱了。

圖5 不同容器壁厚缺陷的漏磁場水平分量曲線

1.4 內、外璧缺陷對漏磁場的影響

為分析筒體內、外壁缺陷對漏磁信號的影響，以壁厚為8 mm、直徑為2 m的圓筒為研究對象。在內、外壁分別建立兩組直徑為5 mm、深度為20%～80%壁厚的圓柱形缺陷，在筒壁內側提取缺陷上方1 mm處漏磁場垂直分量進行對比，圖6是深度為40%壁厚的內、外壁缺陷漏磁場垂直分量曲線；同時為了對比分析，表1還給出了內、外壁不同深度缺陷漏磁場垂直分量的峰谷差值。

圖6 內、外壁缺陷漏磁場垂直分量曲線

表1 內、外壁不同深度缺陷漏磁場對比

由圖6和表1可知，外壁缺陷的漏磁場強度比內壁缺陷漏磁場強度略弱，但信號形狀差別并不十分明顯。因此在實際檢測中，要根據檢測情況加以分析，才能確定是內壁缺陷還是外壁缺陷。

2 儀器開發與現場應用

該儀器磁化結構由磁鐵、極靴及檢測傳感器組成。其中選用永久磁鐵作為勵磁源，采用局部勵磁方式，勵磁磁路采用單回路形式，并且在磁路端裝上極靴，一方面可保護永久磁鐵，另一方面可增加磁場的均勻性。另外，為減小磁場損失，采用將磁鐵串聯的磁路，磁鐵間使用由軟磁材料組成的磁軛連接，用來改變磁力線方向，減少磁回路系統的磁阻，在空間建立均勻的強磁場，形成導磁回路，減小磁阻。

經過設計計算，確定了磁軛和極靴的材料為高磁導率的容器用鋼，而永久磁鐵則采用高性能釹鐵硼永磁鐵。利用磁導法可準確計算出將容器壁磁化成最佳檢測狀態的永久磁鐵、磁軛和極靴的具體尺寸。通過有限元方法對具體尺寸進行優化，形成了可手持的輕便型漏磁檢測儀。采用弧形板設計了常用板厚為8、10、12 mm的標定裝置，如圖7(a)所示。通過實驗可測量不同影響因素與漏磁信號之間的關系。有限元分析為實驗分析提供了理論指導，實驗分析驗證了有限元數值分析的正確性和儀器的可用性。目前，所開發的漏磁檢測儀已在現場進行了多次成功應用，圖7(b)所示為一使用現場。

圖7 試驗標定裝置和漏磁檢測儀使用現場

3 結論

利用有限元方法，建立埋地儲罐缺陷漏磁場分析模型，基于數值計算結果得出了缺陷尺寸對漏磁場的影響規律：在一定范圍內漏磁信號強度與缺陷深度呈近似線性關系；缺陷漏磁場在一定范圍內隨缺陷直徑的增加而增大，當直徑增加到一定數值（＞8 mm）時，則呈現遞減的趨勢；容器壁厚的增加會導致被測容器壁磁化飽和度下降，一定范圍內缺陷漏磁信號強度隨著容器壁厚的增加而近似線性減小，但相同幾何參數的缺陷漏磁場分布曲線形狀卻相似；內、外壁缺陷對漏磁信號存在一定影響，但影響的量很小，需做進一步分析加以區分。

結合理論計算和數值仿真優化，最終成功試制出埋地罐內部漏磁檢測儀。采用所研制的漏磁檢測儀進行了實驗室模擬和現場實驗。結果表明，該漏磁檢測儀滿足現場的檢測需求，能實現不開挖條件下的埋地罐腐蝕檢測。

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