地下储罐漏磁检测装置样机设计

凌张伟，郑慕林，孔　帅，蔡伟勇

(浙江省特种设备检验研究院， 杭州 310020)



地下储罐漏磁检测装置样机设计

凌张伟，郑慕林，孔帅，蔡伟勇

(浙江省特种设备检验研究院， 杭州 310020)

地下储罐多为容积较小的卧式结构，由于其结构及安全性的制约，缺乏针对地下储罐的高效快速检测方法。针对地下储罐结构特点设计了适用于曲面检测的三组磁化机械结构，通过有限元模拟得到了合适的磁化结构尺寸;采用模拟电路和数字滤波进行信号处理，分析了传感器分布不均造成的精度偏差，开发了配套的数据采集软件和分析软件，设计了地下储油漏磁检测装置样机。通过试验板和试验罐的检测试验，表明检测系统能够检测出试验罐上的各种缺陷，具有较好的工程应用价值。

地下储罐;有限元分析;信号处理;漏磁检测

加油站储罐大多采用地下直埋的布置方式，是典型的地下储罐。由于地下储罐深埋地下，所处的工况复杂，罐体材料极易被腐蚀。现有的地下储罐检测方法，大多是采用在储罐外围设置监测井、在储罐内安装电子控制器等方法，这些方法都是针对地下储罐已经发生泄漏后的监测及检测，无法对储罐安全性做出及时的评价。笔者提出采用漏磁检测方法对地下储罐进行检测,设计了可适用于曲面检测的三单元磁化结构，研制了地下储油罐漏磁检测装置样机。

1　漏磁检测原理及有限元建模

1.1漏磁检测原理

漏磁检测的基本原理是:当铁磁性材料被磁化后，若材料无缺陷，产生的磁通几乎没有从表面穿出的情况，传感器不能检测到漏磁场，如图1(a)所示;若表面存在缺陷，磁回路中的磁场会发生畸变，一部分磁通穿出材料本体经缺陷上方回到材料中，在材料表面或者近表面产生漏磁场，如图1(b)所示，用磁敏元件获取该部分漏磁场信号并进行信号的分析及判别，即可得到缺陷的相关信息。

1.2漏磁检测有限元建模

目前，数值方法成为求解漏磁场Maxwell方程组的主流方法[1-3]。针对地下储罐的结构特点，笔者设计了适用于曲面检测的可变曲率的三单元磁化结构，并通过有限元分析磁化结构参数对漏磁检测的影响，进而优化了磁化结构的参数。由于模型的对称性，只建立了一半的实体模型，如图2所示。

图1　漏磁检测原理示意

图2　三单元磁化结构实体及有限元模型

2　磁化结构参数对被测钢板磁化状态的影响

以不含缺陷的钢板为检测对象，定量分析被测钢板内部沿板宽、板长方向局部磁场的变化情况，以探讨磁化单元结构参数对被测钢板磁化状态的影响规律。为此，在磁化单元正中心的板内，将磁感应强度沿板宽、板长两个方向分别映射，得到被测板内的磁场分布曲线。影响钢板局部磁化状态的磁化单元结构参数主要包括：永磁体厚度h、永磁体宽度a、永磁体间距c、磁化间隙δ，磁化结构示意如图3所示。采用控制变量法，对各个参数进行单独研究，以得到其对钢板磁化状态的影响规律。

图3　磁化结构示意

2.1永磁体厚度的影响

固定衔铁、极靴截面的几何结构及永磁体宽度a为40 mm,永磁体长度b为60 mm，磁化间隙δ为6 mm,永磁体间距c为120 mm;分别取永磁体厚度h为10,15,20,25,30 mm，分析永磁体厚度对钢板局部磁化的影响规律，其结果见图4。

图4　永磁体不同厚度时磁场沿板宽、板长方向的分布曲线

由图4可看出,永磁体在不同厚度的情况下，被测钢板内磁感应强度Bx沿板宽方向呈不断衰减的趋势。定义两磁极间的钢板局部区域为有效磁化区域，在有效磁化区域内，沿板长、板宽两个方向，磁感应强度Bx均随着永磁体厚度h的增大而增大，且增大的趋势逐渐减小。以永磁体厚度h为10 mm时的情况为基准，h为15,20,25,30 mm时，沿板宽方向磁感应强度Bx的幅值分别增大6.2%,9.7%,11.6%,12.8%，说明永磁体厚度h对被测钢板内磁化状态的影响并不显著。

2.2永磁体宽度的影响

同理，分析永磁体不同宽度时,磁场沿板宽、板长方向的变化情况,得到如图5所示的曲线。由图5可看出，当永磁体宽度a为20,30,40,60,80 mm时，磁感应强度Bx沿板宽方向不断衰减，衰减的趋势不断减小。在有效磁化区域内，沿板宽、板长方向磁感应强度Bx均随永磁体宽度a的增大而增大，且增大的趋势逐渐减小。若以永磁体宽度a为20 mm时的情况为基准，则a为30,40,60,80 mm时，沿板宽方向磁感应强度Bx的幅值分别增大37.5%,58.2%,71.0%,76.5%，表明板宽a的增大能显著地增强被测钢板内磁场强度，使钢板局部更容易达到磁饱和状态，有利于漏磁检测的实施。当a为40 mm时，被测钢板已接近局部磁化饱和，其内磁感应强度Bx随宽度a的增长趋势开始变的缓慢。

图5　永磁体不同宽度时磁场沿板宽、板长方向的分布曲线

图6　磁化间隙不同时磁场沿板宽、板长方向的分布曲线

2.3磁化间隙的影响

当磁化间隙δ为2,4,6,8 mm时,被测钢板内磁感应强度Bx分量沿板宽、板长方向的分布曲线如图6所示。由图6可以看出，磁感应强度Bx沿板宽方向呈不断衰减的趋势。在有效磁化区域内，沿板宽、板长方向磁感应强度Bx均随磁化间隙δ的增大而减小。若以磁化间隙δ为2 mm时的情况为基准，则δ为4,6,8 mm时，沿板宽方向磁感应强度Bx的幅值分别减小2.3%,4.5%,7.0%，表明磁化间隙对被测钢板内磁化状态的影响并不显著。因此，在满足检验灵敏度要求的前提下，可以适当增大磁化间隙。

图7　永磁体间距不同时磁场沿板宽、板长方向的分布曲线

2.4永磁体间距的影响

当永磁体间距c为60,80,100,120,140 mm时，被测钢板内磁感应强度Bx分量沿板宽、板长分布曲线如图7所示。由图7(a)可看出，在板宽方向0～0.06 mm范围内，永磁体间距c越大磁感应强度Bx越小，而在此范围外则相反。总体来讲，磁感应强度Bx沿板宽方向呈不断衰减的趋势，且永磁体间距c越小其减小的趋势越明显。若以磁化间距c为60 mm时的情况为基准，则c为80,100,120,140 mm时，沿板宽方向磁感应强度Bx的幅值分别减小4.9%,10.1%,14.9%,19.1%。由图7(b)可以看出，接近永磁体位置处，由于永磁体周围磁场的影响，被测钢板有效磁化区域内的磁感应强度Bx出现一个增大的突变，即永磁体附近被测钢板内的磁场分布不均匀。为了降低永磁体附近磁场对漏磁检测的不利影响，设计磁化结构时应使两个永磁体间保持一定间距，以提高漏磁检测的可靠性。

3　漏磁检测信号处理与识别

对于漏磁检测，能否识别出缺陷并对缺陷进行相应的分析与判断，关键是缺陷漏磁场信号的处理[4-5]。

3.1信号调理电路设计

采用霍尔传感器为磁敏元件，零点输出电压为2.5 V，因此在对传感器信号进行放大之前需要将其与2.5 V参考电压进行差动放大。传感器阵列的输出进入信号调理电路，主要由信号的放大和低通滤波组成，信号调理电路如图8所示。

图8　信号调理电路框图

由于缺陷漏磁场的信号较小，所以调理电路中需加入放大器模块。采用的放大器元件为放大倍数可调的、可差分输入的AD620芯片，AD620芯片信号放大电路如图9所示。

图9　AD620信号放大电路框图

图10　零相位数字滤波处理结果

3.2数字信号处理

为了提高检测信号的信噪比，必须进行降噪处理。针对漏磁检测信号的特点，采用零相位数字滤波对检测信号进行处理。

在实验室条件下，对检测试验板上的人工缺陷进行检测，传感器信号先经过硬件信号处理之后进行零相位数字滤波处理，得到如图10所示的信号。零相位滤波器采用了具有良好截止特性的IIR巴特沃斯带通滤波器，从图上可以看出，零相位滤波后的信号与经过硬件信号处理后的信号具有相同的相位，而非零相位滤波的结果则明显有一个相位延迟。

图11　信号奇异点提取示意

3.3缺陷漏磁检测信号的识别

目前，缺陷信号提取的特征值主要有信号的绝对峰值、信号的峰峰值、峰峰间距等特征值，文章选择的是峰峰值的提取。

峰峰值提取法是利用检测信号中裂纹区域信号峰峰值的变异来提取信号特征的，因为这一区域的信号峰峰值明显高于其他信号。在提取峰峰值之前，先要标定缺陷信号中的奇异点，如图11所示，奇异点是信号检测中的突变信号，是检测信号的重要特征之一。经峰峰值提取、排序、筛选和数据重构等一系列的数字信号处理，得到如图12所示的缺陷信号最终结果。

图12　缺陷信号最终结果示意

4　漏磁检测装置软件设计

漏磁检测系统软件包含数据采集软件和数据分析软件两部分。

数据采集软件安装于漏磁检测装置的工业平板电脑上，用于与数据采集卡通信，采集并存储检验信息，其主要功能包括检验信息存取、标定数据设定存取、检测并保存、查看缺陷信息、视图缩放平衡控制、缺陷显示门槛值设定等。图13为数据采集软件GUI操作界面。

图13　数据采集软件GUI操作界面

数据分析软件可安装在个人计算机上，导入检测数据，进行漏磁检测的数据分析及统计，主要功能包括储罐壁板的拼板出图、单板标尺查看、缺陷统计与分析、数据信息修正、出具报告等操作。

5　漏磁检测试验

5.1漏磁检测试验系统

在实验室条件下对定制的含缺陷的试验储罐进行了试验[6-7]。设计了地下储油罐漏磁检测系统样机，如图14所示。

图14　漏磁检测系统外观

为了更接近地下储罐漏磁检测的工程实际情况，参照现有的地下储罐设计制造标准，以1∶1的比例定制了一台含缺陷的试验储罐。储罐尺寸为：直径2 400 mm、长5 000 mm、板厚6 mm。预制缺陷包括：裂纹类缺陷和腐蚀类缺陷，分别置于储罐罐壁的3点钟、6点钟和9点钟的方向上。

5.2储罐漏磁检测试验与结果分析

分别对裂纹类缺陷和腐蚀坑缺陷进行了试验，分析了裂纹长度、宽度、深度以及裂纹倾斜角度与漏磁检测信号之间的关系，分析了腐蚀坑的直径及腐蚀坑的深度与漏磁检测信号之间的关系，得到缺陷形位参数与漏磁检测信号的关系曲线，分别如图15～17所示。

图15　裂纹深度、宽度、长度与漏磁信号的关系曲线

图16　裂纹倾斜角度与漏磁信号的关系曲线

图17　腐蚀坑的直径、深度与漏磁信号的关系曲线

由图15可以得到，对于裂纹缺陷，裂纹的深度、宽度、长度以及裂纹的倾斜角度对裂纹漏磁检测信号幅值有很大的影响。其中裂纹的深度与裂纹漏磁场幅值呈递增的直线关系，即裂纹的深度越深裂纹漏磁场的幅值越大；相反，裂纹宽度与裂纹漏磁场幅值之间呈递减的直线关系，即随着裂纹宽度的增加裂纹漏磁场幅值减小；裂纹长度与裂纹漏磁场幅值呈递增关系。由图16可见,裂纹倾斜角度越大即裂纹与磁化场之间的夹角越大，裂纹漏磁场的幅值越大。这是因为当裂纹与磁化场的方向平行时，裂纹不切割磁力线而不引起磁场的变化，所以裂纹与磁化场间的夹角过小时，容易对裂纹缺陷产生误判甚至是漏检;因此在工程实际检测中，如若判断有可能存在裂纹,应至少从两个方向对可疑部位进行扫描检测，以避免漏检。

由图17可见,对于腐蚀缺陷，腐蚀坑的深度、直径与缺陷漏磁检测信号之间的关系相同，都是呈递增的趋势。表明对于腐蚀类的体积型缺陷，缺陷的体积越大缺陷漏磁场的幅值越高，越容易被检出。

6　结语

(1) 采用有限元仿真技术对地下储罐进行了局部磁化仿真分析，以有限元分析为基础，优化磁化结构参数;并针对地下储罐的结构特点，设计了三单元磁化结构组成的扫查面，形成了可变曲率的磁化结构，从而使得机械结构与储油罐曲面贴合，最大程度地降低了由机械结构而导致的系统固有误差。

(2) 开展了模拟滤波、数字滤波和缺陷识别相结合的信号处理。采用零相位数字滤波对检测信号进行处理，根据缺陷的峰峰值特征进行时域提取，确定了最终的缺陷信号的识别方法。

(3) 研发了一套可自动行走的、适用于不同曲率的地下储罐漏磁检测样机;在实验室条件下进行了地下储罐漏磁检测试验，获得了缺陷参数与漏磁检测信号之间的定性关系,具有较好的工程应用前景。

[1]郑慕林,刘富君,孔帅,等.裂纹漏磁场数值模拟[J].无损检测,2011,33(9):43-48.

[2]戴光,崔巍,杨志军,等.基于三维有限元的换热管缺陷漏磁场数值模拟[J].压力容器,2009,26(8):21-26.

[3]戴光,孙传轩,杨志军,等.管道外壁缺陷多磁化单元磁场数值模拟与参量分析[J]. 压力容器,2008,25(11):24-29,56.

[4]韩文花,阙沛文.去除漏磁数据中无缝管道噪声的小波域自适应滤波算法[J].石油大学学报(自然科学版),2005,29(1):127-130.

[5]戴光,赵海龙,杨志军.信息熵在缺陷漏磁信号量化中的应用[J].无损检测,2011,33(2):1-4.

[6]安佰江,武新军,袁建明,等.电动式储罐底板腐蚀漏磁检测仪的研制[J].湖北工业大学学报,2008,23(1):18-22.

[7]奉华成,黄松岭,赵云利,等.三维漏磁检测实验平台的研制[J].电测与仪表,2011,48(544):27-29,57.

The Design of Prototype of Magnetic Flux Leakage Inspection Device for Underground Storage Tank

LING Zhang-wei, ZHENG Mu-lin, KONG Shuai, CAI Wei-yong

(Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310020, China)

The underground storage tanks are usually small shaped and horizontally placed. There is no inspection method of high efficiency. A magnetic flux leakage (MFL) testing device for underground storage was presented. A magnetization structure containing three sub parts was designed for curvature plates. The dimensions of magnetization structure were fixed through finite element analysis. Signal processing was carried out by hardware signal progressing circuit and digital filter. The inspection device was established. Experiment result indicated that most defects prefabricated on the test tank were found out using the developed MFL inspection device.

Underground storage tank; Finite element analysis; Signal proceeding; MFL inspection

2015-05-28

质检公益性行业科研专项资助项目(201210019)

凌张伟(1982- )，男，博士，高级工程师，主要从事特种设备领域的检验检测方法研究及仪器研发工作。

10.11973/wsjc201512004

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0014-06