穆大鵬 樊建春 姜健康 李 杰

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院)

0 引 言

隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)石油天然氣的需求增長(zhǎng)迅猛，作為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，石油天然氣的儲(chǔ)備對(duì)我國(guó)安全具有重要戰(zhàn)略意義[1]。定期對(duì)油氣儲(chǔ)罐罐壁進(jìn)行檢測(cè)是確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一。由中國(guó)石油天然氣管道局?jǐn)M定的《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》(SY/T 6620—2014)和《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》(SY/T 5921—2011)兩項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確指出，儲(chǔ)罐罐壁的檢測(cè)為儲(chǔ)罐檢測(cè)的一項(xiàng)必需內(nèi)容[2]。

常見的儲(chǔ)罐失效模式包括腐蝕失效、破裂失效和失穩(wěn)失效[3]等。儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)加工、運(yùn)輸裝配、日常使用中產(chǎn)生的缺陷、損傷及應(yīng)力集中是其失效的主要原因之一。油氣儲(chǔ)罐的典型缺陷包括腐蝕坑、腐蝕槽、裂紋、變形及開裂等。常見的儲(chǔ)罐檢測(cè)分為開罐檢測(cè)和在線檢測(cè)，開罐檢測(cè)通常采用傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法，如超聲測(cè)厚、磁粉檢測(cè)及漏磁掃查等；在線檢測(cè)主要包括聲發(fā)射、超聲導(dǎo)波和機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)[4]。針對(duì)儲(chǔ)罐底板的腐蝕失效，常采用聲發(fā)射和漏磁檢測(cè)技術(shù)[5-6]；對(duì)于儲(chǔ)罐罐頂?shù)母g缺陷常采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行識(shí)別[7]；金屬磁記憶檢測(cè)方法常被用于檢測(cè)罐壁的應(yīng)力集中及應(yīng)力損傷。徐中原[1]將磁記憶技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)罐罐壁應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)了典型的整圈應(yīng)力突變現(xiàn)象；羅龍清等[8]使用磁記憶技術(shù)，對(duì)儲(chǔ)罐焊后的熱處理去應(yīng)力效果進(jìn)行了研究；敖鎮(zhèn)海[9]指出檢測(cè)速度與提離值的變化會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐磁記憶檢測(cè)效果產(chǎn)生影響。

磁記憶檢測(cè)方法利用鐵磁材料在外力作用下的磁疇變化對(duì)試件進(jìn)行無損檢測(cè)，具有低功耗、高靈敏度、非接觸及無需磁化等優(yōu)點(diǎn)[10]，能通過應(yīng)力集中程度實(shí)現(xiàn)對(duì)早期缺陷的識(shí)別及檢測(cè)，且無需對(duì)檢測(cè)表面進(jìn)行特殊處理也無需其他輔助設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于包括套管[11]、鉆柱[12]、連續(xù)管[13-14]及隔水管[15]在內(nèi)的石油化工設(shè)備無損檢測(cè)中。然而，目前將磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)罐罐壁檢測(cè)的研究仍相對(duì)較少，缺乏對(duì)罐壁典型缺陷磁記憶信號(hào)的定性和定量分析。鑒于此，本文將具有缺陷早期識(shí)別能力的磁記憶檢測(cè)方法應(yīng)用于油氣儲(chǔ)罐罐壁缺陷的檢測(cè)中，根據(jù)儲(chǔ)罐罐壁典型缺陷的形貌特點(diǎn)，設(shè)計(jì)加工儲(chǔ)罐罐壁典型缺陷刻傷試樣，采用自制的磁記憶信號(hào)三維檢測(cè)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以探究磁記憶信號(hào)特征參數(shù)與刻傷參數(shù)之間的量化關(guān)系；提出了采用磁記憶信號(hào)特征、梯度峰峰值、梯度峰間距及突變通道數(shù)相結(jié)合的缺陷綜合評(píng)價(jià)體系，以期為油氣儲(chǔ)罐的檢測(cè)提供新方法。所得結(jié)論有助于磁記憶檢測(cè)技術(shù)的定量化研究及進(jìn)一步完善油氣儲(chǔ)罐罐壁的檢測(cè)評(píng)價(jià)體系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)行儲(chǔ)罐罐壁典型缺陷信號(hào)的定量研究，自制了磁記憶信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)，如圖1所示。磁記憶信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)3軸任意運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，傳感器運(yùn)動(dòng)速度大小與方向由運(yùn)動(dòng)控制部分的可編程控制器及驅(qū)動(dòng)器控制，并可實(shí)現(xiàn)位置坐標(biāo)、掃描速度、掃描長(zhǎng)度和單次/往復(fù)掃描的調(diào)節(jié)。

圖1 磁記憶信號(hào)三維檢測(cè)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram for 3D detection platform of magnetic memory signal

試驗(yàn)中所使用的刻傷板試樣為油氣儲(chǔ)罐常用板材(Q235B鋼)。參考典型缺陷類型和大小參數(shù)，分別設(shè)計(jì)通孔缺陷、盲孔缺陷和槽形缺陷,以研究油氣儲(chǔ)罐壁板腐蝕坑、裂紋及腐蝕穿孔等缺陷的磁記憶效應(yīng)。圖2為刻傷試驗(yàn)板平面圖。

圖2 刻傷試驗(yàn)板平面圖Fig.2 Plane view of carved test board

孔形缺陷是以常見圓形腐蝕坑缺陷為依據(jù)，分為腐蝕深度孔和腐蝕穿孔，以直徑與深度為變量，刻傷3組不同類型的圓孔形缺陷，具體參數(shù)如表1所示。

表1 孔形缺陷參數(shù) mm

槽形缺陷以常見裂紋及腐蝕坑的尺寸為依據(jù)，分別把缺陷的寬度、深度及長(zhǎng)度作為變量，設(shè)計(jì)3組不同尺寸刻傷，具體參數(shù)如表2所示。

表2 槽形刻傷參數(shù) mm

將預(yù)制刻傷試驗(yàn)板放置在磁記憶檢測(cè)三維平臺(tái)上，調(diào)整磁記憶探頭位置使提離值保持在合適范圍，劃分采集通道，并依次等間距對(duì)刻傷缺陷表面進(jìn)行信號(hào)采集，對(duì)比各通道磁記憶信號(hào)值，選取能代表缺陷信號(hào)特征的通道，并提取特征參數(shù)，探索缺陷參數(shù)與磁記憶信號(hào)特征參數(shù)間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單通道孔形缺陷信號(hào)特征

孔形刻傷分為不同直徑盲孔刻傷、不同直徑通孔刻傷和相同孔徑不同深度刻傷3種。圖3為孔形刻傷磁記憶信號(hào)曲線。圖3中黑色曲線為磁記憶切向原始信號(hào)經(jīng)過降噪處理后的磁記憶檢測(cè)信號(hào)。由圖3可見，中間刻傷板區(qū)域有數(shù)個(gè)信號(hào)跳變，信號(hào)跳變個(gè)數(shù)剛好對(duì)應(yīng)孔形刻傷的個(gè)數(shù)，且隨著缺陷直徑和深度的增大，磁記憶信號(hào)跳變處波峰峰值呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)。

圖3 孔形刻傷磁記憶信號(hào)曲線Fig.3 Magnetic memory signal curve of carved holes

為減輕環(huán)境等因素對(duì)磁記憶信號(hào)的干擾，更加直觀地觀察磁記憶信號(hào)變化程度，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行一階微分處理，求取梯度信號(hào)(見圖3中紅色曲線)。梯度信號(hào)正反方向的兩次跳躍與磁記憶原始信號(hào)突變相對(duì)應(yīng)。由圖3a和圖3b可以發(fā)現(xiàn)，隨著檢測(cè)方向上圓孔直徑增大，梯度信號(hào)跳躍處梯度峰寬也隨之增大，同時(shí)梯度信號(hào)跳躍幅值明顯增大。由圖3c可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓孔形刻傷深度增大時(shí)，梯度信號(hào)跳躍幅值明顯增大。綜上，磁記憶檢測(cè)能定性地反映孔形缺陷的位置信息及基本特征。

2.2 單通道槽形缺陷信號(hào)特征

槽形刻傷分為不同寬度、不同深度及不同長(zhǎng)度3種。圖4為槽形刻傷磁記憶信號(hào)曲線。從圖4可知：在槽形缺陷處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)信號(hào)突變單元，包含兩個(gè)連續(xù)的信號(hào)突變，該信號(hào)突變對(duì)應(yīng)于槽形刻傷的兩個(gè)端點(diǎn)，在刻傷槽的腹部同樣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，磁記憶信號(hào)值高于附近試驗(yàn)板板體均值；對(duì)磁記憶信號(hào)進(jìn)行梯度處理得到梯度信號(hào)，梯度變化趨勢(shì)與磁記憶檢測(cè)信號(hào)保持一致。同樣，磁記憶檢測(cè)能定性地反映槽形缺陷的基本特征及位置信息。

圖4 槽形刻傷磁記憶信號(hào)曲線Fig.4 Magnetic memory signals curve of carved grooves

2.3 多通道磁記憶信號(hào)分析

單通道由于自身的局限性，只能停留在檢測(cè)方向上進(jìn)行分析討論，在刻傷缺陷寬度參數(shù)上不能提供進(jìn)一步的研究。因此采用刻傷缺陷橫向多通道采集的方式，對(duì)缺陷表面進(jìn)行完整的掃描檢測(cè)，視刻傷寬度以1 mm為間隔，對(duì)不同刻傷進(jìn)行25～40通道的數(shù)據(jù)采集，并繪制梯度信號(hào)云圖以反演缺陷的表面形貌，實(shí)現(xiàn)刻傷缺陷的可視化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類刻傷缺陷參數(shù)特征的進(jìn)一步研究。圖5為不同直徑盲孔缺陷的原始信號(hào)瀑布圖及梯度云圖。圖6為不同寬度槽形缺陷的原始信號(hào)瀑布圖及梯度云圖。由圖5和圖6可以看出，2類多通道信號(hào)均隨著缺陷參數(shù)的變化呈現(xiàn)出明顯的改變，能較好地反映孔形刻傷缺陷的直徑和槽形刻傷缺陷的寬度特征。

圖5 孔形缺陷多通道信號(hào)Fig.5 Multichannel signal of hole defect

圖6 槽形缺陷多通道信號(hào)Fig.6 Multichannel signal of groove defect

3 缺陷分析評(píng)價(jià)體系

通過以上對(duì)刻傷缺陷磁記憶信號(hào)分析發(fā)現(xiàn)，磁記憶原始信號(hào)及梯度信號(hào)的跳變能反映刻傷板在刻傷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中情況。為了能更加完善地建立磁記憶信號(hào)特征參數(shù)與缺陷參數(shù)間的關(guān)系，以下研究從梯度峰峰值、梯度信號(hào)峰間距及突變通道數(shù)出發(fā)，試圖建立缺陷定性與定量分析評(píng)價(jià)體系。

3.1 特征參數(shù)提取

為進(jìn)一步研究磁記憶信號(hào)各特征參數(shù)與缺陷參數(shù)之間的定量關(guān)系，將各特征參數(shù)定義如下：

3.1.1 梯度信號(hào)峰峰值Kp

Kp為梯度信號(hào)在缺陷處的波峰值與波谷值的差，即：

Kp=Kmax-Kmin

(1)

式中：Kmax、Kmin分別表示梯度信號(hào)波峰值和波谷值。

3.1.2 梯度信號(hào)峰間距

筆者定義2個(gè)梯度峰間距，分別為梯度信號(hào)跳變處正弦波兩端與零軸交點(diǎn)間距梯度峰寬Kd，以及梯度信號(hào)波峰與波谷對(duì)應(yīng)的間距梯度峰峰寬Kds。

Kd=D(K1)-D(K0)

(2)

Kds=D(Kmax)-D(Kmin)

(3)

式中：D(K1)、D(K0)分別表示梯度信號(hào)與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)位置，D(Kmax)、D(Kmin)分別表示梯度信號(hào)波峰值及波谷值對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)位置。

3.2 梯度信號(hào)與缺陷尺寸特征

提取缺陷參數(shù)與梯度信號(hào)峰峰值呈線性關(guān)系部分進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示。從圖7可見，在缺陷參數(shù)一定范圍內(nèi)，梯度峰峰值能較好地線性表征兩類缺陷的深度特性，同時(shí)能較好地表征孔形缺陷的直徑特性。

圖7 刻傷參數(shù)與梯度峰峰值的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve of carved parameter and gradient peak-to-peak value

用梯度信號(hào)峰寬來研究其與缺陷在檢測(cè)方向?qū)嶋H長(zhǎng)度之間的關(guān)系，同時(shí)對(duì)梯度峰寬和梯度峰峰寬進(jìn)行比較，尋找表征缺陷長(zhǎng)度的最優(yōu)解，以期實(shí)現(xiàn)梯度峰寬對(duì)缺陷直徑和長(zhǎng)度的定量表征。

孔形刻傷中盲孔與通孔具有相似性，此處以通孔為例進(jìn)行分析。分別提取通孔刻傷處梯度峰寬與梯度峰峰寬值進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，梯度峰寬與梯度峰峰寬值表征刻傷缺陷的長(zhǎng)度與孔形實(shí)際直徑均呈一次線性關(guān)系，且得到的2條擬合直線斜率近似相等，梯度峰峰寬值與實(shí)際擬合直徑的截距更接近0，且斜率更接近1。得到的擬合曲線表達(dá)式如下：

Kds=0.938 13r-0.448 61

(4)

Kd=1.102 17r-3.998 89

(5)

式中：r為圓孔實(shí)際直徑。

Kds擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)R2=0.980 80，Kd擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)R2=0.980 49，對(duì)比兩擬合直線的斜率與截距可以發(fā)現(xiàn)，梯度峰峰寬Kds能較好地表征實(shí)際圓孔直徑，綜合誤差在缺陷直徑的8%之內(nèi)。

圖9為槽形刻傷梯度峰寬值與實(shí)際刻傷長(zhǎng)度的關(guān)系圖。由圖9可知：梯度峰寬和梯度峰峰寬表征長(zhǎng)度與槽形刻傷實(shí)際長(zhǎng)度之間同樣呈一次線性關(guān)系；二者擬合直線斜率都接近1，且梯度峰值Kd表征長(zhǎng)度與刻傷實(shí)際長(zhǎng)度的符合程度更高。擬合直線表達(dá)式如下：

圖9 槽形刻傷梯度峰寬值與實(shí)際刻傷長(zhǎng)度關(guān)系Fig.9 Relationship between gradient peak-to-width value of carved groove and actual carved length

Kds=1.002 86L-1.224 4

(6)

Kd=0.954 17L+5.416 67

(7)

式中：L為刻傷實(shí)際長(zhǎng)度。

Kd擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)R2=0.994 08，Kds擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)R2=0.994 60。對(duì)于槽形刻傷，梯度峰寬Kd所表征的長(zhǎng)度結(jié)果更加接近刻傷真實(shí)長(zhǎng)度。在刻傷長(zhǎng)度較小時(shí)，所表征長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度誤差相對(duì)更大，但就總體而言，表征長(zhǎng)度與刻傷真實(shí)長(zhǎng)度間的相對(duì)誤差仍在8%以內(nèi)。

3.3 突變通道數(shù)與缺陷寬度

在前文中發(fā)現(xiàn)，原始信號(hào)三維視圖及梯度云圖能較好地反映刻傷缺陷的寬度，故試圖構(gòu)建通道數(shù)與刻傷寬度之間的關(guān)系式，如式(8)所示，從而通過突變通道數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷寬度的量化。

D=λnd

(8)

式中：D為缺陷表征寬度，λ為表征系數(shù)，n為缺陷處通道數(shù)，d為通道間距。

在檢測(cè)方向上隨著刻傷缺陷直徑及寬度的增大，梯度信號(hào)在刻傷處跳變的通道數(shù)也在增大。多通道采集通道之間間距為1 mm，選取缺陷處梯度影響區(qū)信號(hào)呈正弦波跳變的通道數(shù)繪制梯度跳變通道數(shù)與刻傷寬度對(duì)比表，如表3所示。

表3 通道數(shù)與刻傷寬度對(duì)比Table 3 Comparison of number of channels and carved width

由表3可以發(fā)現(xiàn)，通道數(shù)與刻傷寬度或直徑的誤差在1～2個(gè)通道之間，基本與實(shí)際值相符，也證明以多通道定量表征缺陷寬度的可行性。為驗(yàn)證式(8)，選取相同寬度、不同長(zhǎng)度的槽形刻傷，帶入式(8)，得出λ值接近1，進(jìn)而驗(yàn)證了該關(guān)系式的正確性，并證明多通道磁記憶信號(hào)通道數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷寬度的定量評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

對(duì)儲(chǔ)罐罐壁材料刻傷試驗(yàn)板進(jìn)行磁記憶信號(hào)檢測(cè)試驗(yàn)并分析所得信號(hào)后，得到如下結(jié)論：

(1)儲(chǔ)罐罐壁典型缺陷參數(shù)與磁記憶信號(hào)突變程度具有相關(guān)性，磁記憶檢測(cè)能定性地反映油氣儲(chǔ)罐罐壁缺陷的位置信息及基本特征。

(2)建立了以原始信號(hào)曲線、梯度峰峰值、梯度峰間距及突變通道數(shù)為特征參數(shù)的缺陷定性和定量評(píng)價(jià)體系，研究結(jié)果顯示，可從信號(hào)曲線形貌對(duì)刻傷類型進(jìn)行初步區(qū)分；梯度峰峰值與刻傷深度及一定范圍內(nèi)的孔形直徑具有較好的線性關(guān)系；梯度峰間距所表征的缺陷直徑及長(zhǎng)度與真實(shí)值具有高度一致性，可通過其擬合方程對(duì)缺陷參數(shù)進(jìn)行定量推算，也可以通過通道數(shù)對(duì)缺陷的寬度特征進(jìn)行較好的判別。