储罐罐底板漏磁检测仪的研制
时间：2012-01-18 阅读：6819
储罐罐底板漏磁检测仪的研制
储罐是油库、港口和石油化工存储液体原料、中间产品的重要设备之一。罐底板位于储罐的zui底层，上表面接触含水的存储介质，下表面与罐基础接触，是储罐腐蚀的主要集中区，因此罐底板腐蚀状态检测是储罐定期检修的重要内容之一。目前常用检测方法中，超声波检测效率低，磁粉探伤检测深度小，射线检测由于结构原因较难实施，因此研究能对整个罐底板腐蚀状况作出评价，且检测效率高、劳动强度小的漏磁检测方法具有现实意义。笔者研制了基于漏磁场法的罐底板检测仪，该仪器无需油基或水基耦合剂，不受表面油污及非磁性杂物的影响，检测速度可达1m/s，可检测罐底板表面90％以上面积，为罐底板表面腐蚀状况检测提供了新的方法。
1 检测原理
罐底板大多采用低碳钢材料，很适合用漏磁场法检测。漏磁场检测罐底板缺陷的原理如图1所示。*磁铁、衔铁、被测钢板和气隙构成了闭合回路实现对罐底板的磁化。当罐底板被充分磁化时，若存在缺陷，其磁力线将发生畸变，一部分磁力线泄露出罐底板的上表面，形成漏磁场。采用霍尔元件等传感器探测该磁场并得到漏磁信号，分析漏磁信
号即可获得缺陷的相关特征。
在罐底板检测中，将被测钢板磁化至接近饱和状态是提高检测灵敏度的重要保障。磁化不充分，缺陷引起的磁力线畸变或者无法在钢板上表面生成漏磁场，或者生成的漏磁场很弱而被噪声湮没。
（a）无缺陷磁力线分布 （b）有缺陷磁力线分布
图1 罐底板漏磁检测原理图
钢板磁化方式有交流磁化、直流磁化和永磁磁化等。采用新一代钕铁硼稀土*磁铁的永磁磁化法具有磁能积高、体积小、重量轻及无需电源等特点，在便携式磁检测装置中应用广泛。衔铁材料选用导磁性能好、易加工的低碳钢，其尺寸大小选择要保证导磁材料有较高的磁导率。对由*磁铁和衔铁构成的励磁装置尺寸进行了优化设计，以获取*磁化。对于一个给定的磁化系统，影响罐底板磁化状态的因素主要包括罐底板的厚度和罐底板材料的相对磁导率等。由于大多数罐底板的材料具有相近的相对导磁特性，因此磁化状态将主要随罐底板厚度改变而不同。当两块钢板厚度不同时，磁极与钢板间的磁化间隙要相应调整，才能保证钢板的磁化状态不变，从而获取相同的检测灵敏度。
探测漏磁场的检测元件包括感应线圈、磁通门传感器、霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等。其中集成霍尔元件集成了线性放大电路，可把微弱漏磁场信号转换为微弱电信号后再放大输出，不但便于后续处理，也可以提高信噪比，因此霍尔元件在磁性检测仪器中应用越来越广泛。缺陷的漏磁场是个空间量，一般选择检测切线分量和法线分量中的一个。励磁装置（在空间上形成磁场）在钢板上移动时，由于钢板是导电体，因此会产生涡流效应。当霍尔元件水平放置检测法向分量时，受涡流效应的影响比垂直放置检测切线分量的大。但水平放置的霍尔元件可以紧贴检测表面，提高了检测灵敏度，而涡流效应对信号的影响可通过软件进行补偿。
2罐底板漏磁检测仪
2.1罐底板漏磁检测仪的结构
图2 漏磁检测仪结构示意图
1．衔铁 2．稀土磁铁 3．传感器 4．定向轮5．转向轮 6．空气隙 7．编码器 8．调节螺栓9．导线 10．数据采集卡与报警装置11．锁定销 12．便携机
罐底板漏磁检测仪结构见图2，现作如下介绍：
（1）励磁系统 励磁装置由衔铁和磁铁等组成。励磁的目标是实现钢板的近饱和磁化。磁极的截面积、磁极间距和衔铁的尺寸等参数都对被测钢板的磁化状态有很大影响。实验结果表明，励磁系统设计的优劣直接决定漏磁检测仪器的性能好坏。由励磁系统、磁化气隙和被测钢板组成闭合磁路，针对磁路的非线性，通过有限元分析方法和实验方法相结合优化上述参数。如前所述，当要检测不同厚度的钢板或钢板表面的覆盖层厚度不一样时，可通过螺栓调整磁化气隙以获取相同的检测灵敏度。
（2）霍尔元件与聚磁技术 集成霍尔元件的布置数量应以检测范围内腐蚀坑和孔等局部缺陷不漏检为原则。由于单个集成霍尔元件的检测覆盖范围有限，采用了聚磁技术来提高检测灵敏度，保证相邻两个霍尔元件的测试区域相覆盖。如前所述，霍尔元件越接近被测钢板表面，检测灵敏度越高。这里采用弹簧使装霍尔元件的铜板紧贴被测钢板，遇到障碍时，弹簧的浮动功能使铜板能顺利通过。
（3）小车 检测小车驱动方式有电机驱动和人工推动两种。图2所示为人工推动方式。电机驱动额外增加了电机、传动机构及附加电源，使小车重量增加，接近于人工推动方式的两倍。由于检测小车与钢板间的吸力很大，人工推动小车转弯有一定难度，因此后轮设计为转向轮用锁定销控制。小车沿直线运行时，方向锁定，需要转弯时打开锁定销。
（4）信号报警、缺陷判断与定位 仪器运行前通过对人工标准缺陷进行若干次检测试验，得到缺陷深度与漏磁场幅值之间的对应关系。现场检测时依据检测灵敏度要求设定相应的阈值（要检测zui小缺陷对应的漏磁场幅值）。当小车采集的信号幅值大于设定的阈值时，计算机将发送信号给报警系统进行声光报警。操作人员在当时或以后启动缺陷判断程序，判断该报警信号是否为缺陷。缺陷判断方法是对报警区域信号幅值自动搜索波谷—波峰—波谷，将得到的两个峰峰值中的zui大值与阈值相比较，大于阈值的判为缺陷。小车在检测过程中，除了要确定有无缺陷外还要确定缺陷位置，通过固定在定向轮上的编码器来实现。每行进一定位移，采集一组数据，因此可通过数据推断缺陷的位置。
2.2 罐底板漏磁检测仪的信号处理系统
信号处理系统（图3）主要由数据采集卡、声光报警器、笔记本电脑及显示分析软件等构成。
图3 信号处理系统
图4数据采集电路结构图
（1）数据采集 数据采集电路结构见图4，由于从传感器探头输出的16路检测信号包含噪声，有些是系统噪声，有些是工作时引入的噪声，而罐底板上腐蚀孔或坑等缺陷的漏磁信号一般较弱，因此在数据采集卡上对几路信号进行了叠加、放大和滤波处理，滤除输出信号噪声，放大缺陷信号跳变幅值。信号经模数转换器（A/D）转换后由计算机增强并行口（EPP）进入计算机。A/D采集的时间间隔由编码器输出的脉冲提供触发。
（2）波形显示与缺陷报警 软件多通道实时显示数据采集的结果，实现信号的判断与数据的存盘。当检测信号的幅值超过设定的阈值时，计算机通过EPP通知报警器报警。
（3）信号分析 检测小车采集的信号需作分析处理，包括噪声滤除和信号特征量提取等。依据实验获得的缺陷等效深度和宽度与信号幅值间关系，
通过信号特征量反映缺陷特征参数。罐底板检测完毕后将数据组合，生成罐底板的整体缺陷图形。
3 性能测试
在实验室条件下，针对检测仪的检测性能进行了一系列模拟实验。被测试样为Q235低碳钢板，厚度为16mm，表面无覆盖层，磁极与钢板间的磁化间隙为6mm。在钢板上制作了不同型号的通孔（模拟腐蚀孔）和盲孔（模拟腐蚀坑）。图5为通孔和盲孔的检测信号。其中通孔1，2，3的直径分别为Φ3.2，2.4和1.6mm；盲孔4，5，6的直径为Φ3.2mm，深度分别为10，6.4和3.2mm。图5表明该仪器能够检测微小的腐蚀孔或腐蚀坑等局部缺陷，具有检测罐底板表面腐蚀缺陷的能力。
4 分析与讨论
图5 模拟腐蚀缺陷的信号
罐底板漏磁检测仪器与传统的管道漏磁检测仪器在原理上是一致的，但在具体设计时要复杂得多。管道总是圆的，但罐底板却不都是平的。罐底板饱和磁化比管道的饱和磁化要困难，因为罐底板的磁化状况受宽度影响很明显，而且罐底板检测中的信噪比一般也比管道检测要差。产生噪声的原因很多，如钢板表面不平、钢板的弯曲程度、涡流信号以及检测小车轮子变形引起的周期噪声等。另外，储罐检测方案的选择也对结果有一定的影响。
虽然有上述困难，但罐底板漏磁检测仪不受罐底板表面油污及其它非导磁覆盖物的限制，能快速全面检测整个罐底板，是快速判断有无腐蚀和判断腐蚀程度的有效手段。该仪器将大大减轻罐底板检测的劳动强度，减少劳动时间，提高罐底板安全运行的可靠性。目前该仪器在石油、石化、特检等现场试用。随着我国石油战略储备体系的建立和石化行业的飞速发展，该仪器有着广阔的应用前景。