基于有限元的儲罐缺陷研究

馬 駿，趙雅閣，丁廣軍，曹景林，陳東輝，史雲霄

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，鄭州 450000）

0 引言

本文基于FSM電場指紋法，提出了一種針對臥式儲罐的石油石化特點方法，以檢測大型液化天然氣儲罐的缺陷。在檢測初級階段，無需人工冒風險，具有成本低、靈敏度高、非侵入式，可監測不同幾何形狀如焊縫等特點，是解決管段和容器腐蝕測量難題的一個突破口，降低了停機成本[1-3]。漏磁檢測系統主要由磁化器（如永磁體）、磁傳感器陣列（如霍爾傳感器）、鋼刷（或極片）和磁軛組成[4]。磁化器使被測鐵磁試樣處于飽和或接近飽和磁化狀態。由于鐵磁材料的磁導率遠高于空氣的磁導率，如果被測鐵磁試樣中沒有缺陷，磁場強度的大部分流線都限制在材料內部；如果試樣中存在缺陷，根據磁場傳播模型，包括磁場折射和透射等，缺陷附近會產生漏磁場，其分布特征與缺陷大小有關。因此，霍爾傳感器和磁阻傳感器等磁傳感器可以用來測量漏磁場的大小和分布，實現缺陷尺寸的量化和評估。此外，使用鋼刷（極靴）和磁軛形成閉合磁路，優化磁路結構，減少背景磁場，提高磁化效率[5,6]。

1 基于有限元漏磁信號分析

1.1 基于有限元法的儲罐缺陷漏磁信號影響

基于有限元法的臥式儲罐缺陷漏磁信號影響因素分析如下：為了解決周向裂紋缺陷常規MFL檢測中的稀疏采樣問題，本節提出了一種先對磁場信號進行積分再采樣的檢測拓撲，并相應地發展了一種磁場空間積分方法，以借助積分操作的累積特性提取裂紋漏磁場的有效信號。漏磁場的垂直分量（By）分布曲線如圖1。并設置容器壁厚的40%缺陷深度，缺陷直徑為4 mm～12mm，以分析缺陷直徑對漏磁信號的影響；還提取缺陷漏磁場垂直分量（By）分布曲線，如圖2。其中，MFL檢測器的移動方向旋轉90°，使其垂直于移動方向。擬議的漏磁檢測系統類似于沿縱向掃描，以檢測管道中的縱向缺陷。為了擴大測量范圍，采用霍爾元件法來測試磁場的泄漏。霍爾傳感器陣列（SS459A）由10個傳感器組成。由于磁化方向相對于行進方向的變化，設計用于測試新系統的霍爾元件陣列也相應變化。

圖1 不同深度垂直分量Fig.1 Vertical components at different depth

圖2 不同直徑垂直分量Fig.2 Vertical components of different diameters

與傳統的無損檢測方法相比，微波檢測作為一種新型的無損檢測手段，具有非接觸、無偶聯劑，在油氣等介質中能量損耗低的特點。為了解決金屬表面缺陷的微波檢測問題，本文建立了TE01型金屬表面裂紋和腐蝕缺陷微波檢測系統、裂紋和腐蝕缺陷的微波檢測模型、缺陷尺寸和微波反射波特征參數模型，建立了缺陷處TE01微波仿真模型，分析了缺陷處電場、磁場和管壁電流的分布，得到了仿真模型下缺陷處回波損耗的能量損失。為了驗證TE01對不同類型金屬表面缺陷的檢測能力，搭建了TE01模式微波金屬表面缺陷微波檢測實驗平臺。TE01模式微波對金屬表面缺陷的檢測具有很高的靈敏度。

隨著缺陷深度的增加，垂直分量在一定范圍內由幅值近似線性增加。圖2則展示了不同直徑垂直分量漏磁曲線仿真量。檢測探頭采用彈簧伺服結構，確保探頭靠近被測鋼板和焊縫。焊縫連續非接觸掃描漏磁檢測系統由磁結構、信號采集系統和驅動結構組成；磁性結構由電樞、極靴和磁鐵組成；信號采集系統由霍爾傳感器、編碼器、數據采集卡和計算機組成。手柄是系統的驅動結構，焊縫連續非接觸掃描MFL系統。

1.2 厚度與漏磁信號關系

建立缺陷直徑為5mm、深度為2.4mm、壁厚為4mm～12.5mm的儲罐基于有限元進行分析，得到如圖3所示的漏磁場分布曲線（By）。特性曲線表明，容器壁厚增加，由于裂紋是影響焊縫力學性能的主要缺陷，在許多焊縫缺陷中，預制矩形槽缺陷被用來模擬試驗板上的裂紋缺陷，并分析矩形槽缺陷在不同區域（焊縫和熔合區）的分布特征。由于焊縫和鋼板的使用壽命與矩形槽缺陷的深度直接相關，因而從單向深度方向（其他方向尺寸不變）的幾何變換，研究矩形槽缺陷MFL圖像特征的變化。

圖3 不同厚壁分量曲線Fig.3 Curves of different thick wall components

建立了金屬表面缺陷的微波檢測模型。矩形波導探頭尺寸為59mm×29mm，微波入射波頻率為5.2GHz～6GHz，用于建立裂紋缺陷和腐蝕缺陷的微波檢測模型。微波在波導中傳播時，以電場、磁場和壁電流的形式在波導中傳播[7,8]。當被測金屬表面存在缺陷時，缺陷處的邊界條件發生變化，導致波導中的場分布畸變，傳播模式跳躍。TE01模式微波缺陷檢測模型裂紋缺陷處建立了不同缺陷、裂紋缺陷（50mm×0.3mm×5mm）和不同直角坐標類型缺陷的微波仿真模型。

1.3 直徑對漏磁信號的影響

為分析儲罐直徑對缺陷漏磁信號的影響，建立缺陷深度為4.8mm、直徑為5mm的圓柱形缺陷，對壁厚為8mm、直徑為2m～6m的儲罐分別進行建模分析，通過對缺陷漏磁信號垂直分量的比較，選取缺陷漏磁信號。從圖4可以看出，儲罐直徑變化到相同尺寸的缺陷漏磁信號，隨著直徑的增大，垂直分量的缺陷漏磁信號峰值略有減小，而產生這種現象的主要原因是隨著直徑的增大，梯形極靴和罐壁間距增大，導致容器壁被測飽和磁化，漏磁信號減弱。

圖4 不同直徑分量曲線Fig.4 Curves of different diameter components

當管道中沒有缺陷時，矩形波導中的磁場等于管壁電流值，管壁電流等于管壁處的切向磁場，管壁電流等于磁場。當缺陷出現在金屬表面時，電場、磁場和管壁電流的部分能量泄漏到缺陷中，導致波導中電場、磁場和管壁電流的峰值增加。當金屬表面缺陷為0.3mm寬的裂紋時，能量泄漏相對較高。隨著缺陷寬度的增加，每個場分量的大小增加。當缺陷表面尺寸相同時，缺陷體積越大，能量泄漏越大，矩形波導中的能量峰值越大。從缺陷處的電場、磁場和管壁電流的分布可以看出，隨著缺陷體積的增加，管壁電流的方向變化越大，管壁電流從缺陷中漏出的越多，矩形波導中的電場和磁場越大，管壁電流峰值越大。

1.4 內外壁缺陷對漏磁信號的影響

為了分析缺陷內外壁的漏磁信號不同，以厚度為8mm、直徑為2m的臥式儲罐為研究對象，分別設置內外壁兩組相同的缺陷，直徑為5mm、深度為壁厚20%～80%的圓柱形缺陷，1mm以上的儲罐內壁漏磁缺陷提取，比較磁場的垂直分量，使用深度為40%的壁厚缺陷內外漏磁場垂直分量曲線。表1為內部和外部缺陷的不同深度與壁缺陷磁場墻體深度（%）垂直分量峰谷差值。

使用深度40%及表1比較可知，MFL信號有兩個方向：水平和垂直。由于垂直分量By，漏磁場只受磁極的最小影響，泄漏磁場的內壁缺陷強度大于外壁缺陷強度，只是信號形狀差異不如實際探測值明顯。

表1 內外壁缺陷磁場的深度Table 1 Magnetic field depth of internal and external wall defects

2 實測分析

實驗對象選用厚度8mm、直徑2m的16MnR臥式儲水箱，分別設置在儲水箱外側，基于有限元分析，對臥式儲罐的尺寸加工和裝配過程中的漏磁檢測進行了掃描。這套設備的掃描寬度為100mm，從1mm的值開始，可以動態采集垂直分量的漏磁缺陷和位移傳感器信息。

圖5是容器壁探測實驗設備效果圖，進行實際探測時很好檢測缺陷。本文基于漏磁場的垂直分量對漏磁場進行分析。兩極之間的距離以及極靴和鋼板之間的氣隙導致一些磁力線從N極開始，大致平行于朝向S極的板。由于漏磁場的提取磁通密度Bx是在這個方向上，受其影響很大。使用所示的檢測系統，計算了3種狀態下MFL信號3D圖的垂直分量。疊加在缺陷信號上的焊縫信號導致焊縫中出現矩形槽缺陷，它比焊縫中的波峰和波谷更多，即缺陷導致的波峰和波谷通道。當矩形槽缺陷位于熔合區時，由于缺陷的位置，焊縫的槽道疊加在缺陷的槽道上，與現有焊縫相比，還有一個峰值，即此處的峰值，即缺陷的峰值通道。在一定掃描方向、波形、峰值和谷值的前提下，焊縫中的缺陷和焊縫本身的MFL信號以不同的順序出現，首先出現波谷，然后是焊縫本身的峰值，焊縫中的缺陷則相反。對于焊縫，首先是一個波谷，然后是一個波峰，但對于缺陷，順序相反，這與有限元分析結果一致。

圖5 實驗設備Fig.5 Experimental equipment

3 結論

本文基于FSM電場指紋法提出了一種基于有限元的儲罐缺陷研究，以檢測大型液化天然氣儲罐的缺陷，涉及到的技術包括：容器、管件電機布置及探針焊接貼合技術研究；螺柱焊技術及其焊接工藝；采用最新的濾波去噪芯片，設計專用信號處理電路，配套相應計算軟件，完成特征信號提取；采用有限元模擬與試驗分析方法，確定電流饋入、饋出與電極布置間距的最佳方案。電極陣測量數據動態采集與存儲技術；采用最新的濾波去噪芯片，設計專用信號處理電路，進行與計算機的配套從而提取信號。建立實時測量數據庫，并對數據進行動態分析以及腐蝕結果評價技術。