缺陷特征对漏磁场检测的影响规律

周忠贺 许皆乐，2 古玉祺

（1.浙江省特种设备科学研究院；2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室）

常压储罐作为石化工业中储存有毒有害、易燃易爆等危险化学品的重要工具，对国防建设和国民生活有着战略性作用［1～3］。储罐长期运行过程中，受储存介质碱性、酸性、微生物及氯离子等多因素的影响，经常发生腐蚀失效［4～6］。 为及时发现底板存在的腐蚀缺陷，避免储罐腐蚀穿孔、泄漏及爆炸等事故的发生，常采用无损漏磁检测技术开展定期检测。 漏磁检测技术因缺陷检出率高、检测速度快、 易于操作及无需对底板进行打磨、除锈等优点，已广泛应用于立式储罐底板的缺陷检测［7～10］。

近年来，国内外学者针对漏磁检测中缺陷特征对漏磁场的影响开展了相关研究。 纪凤珠等利用有限元法分析了缺陷漏磁场，得到了三维磁通密度径向分量曲面图和矢量图，直观展示了缺陷附近的漏磁场特点［11］。 吴德会等研究了漏磁检测中提离值对检测结果的影响， 为提高检测精度、优化探测器结构提供了依据［12］。 杨志军等就管道缺陷漏磁检测开展了缺陷特征对漏磁检测信号影响的研究，发现缺陷特征与漏磁信号特征之间有特定的关系，采用漏磁信号特征可定量评价缺陷特征［13］。 刘玉琢等探讨了不同气隙距离、板间距和缺陷深度的储罐底板补板缺陷漏磁场空间分布特性［14］。 邓志扬等通过对不同表面粗糙度试块上的人工裂纹进行漏磁检测试验，探索了裂纹检测灵敏度与表面粗糙度间的关系［15］。 然而，有关漏磁检测方向对缺陷漏磁场的影响却鲜有研究，因此笔者以漏磁探测器为研究对象，基于漏磁检测原理，采用有限元分析法就检测方向等漏磁检测的影响因素对缺陷漏磁场的曲线分布特性开展研究， 为优化探测器的结构提供理论基础。

1 漏磁检测有限元模型

漏磁检测的基本原理是施加局部励磁场使铁磁性材料磁化，若材料存在缺陷，则磁导率变化将导致磁力线弯曲畸变，会有少部分磁力线泄漏出材料表面形成漏磁场，利用磁敏元件检测该漏磁场的信号变化即可实现缺陷的检出与量化。为完成储罐底板漏磁检测中的仿真分析，同时考虑有限元建模、 计算及结果后处理等影响因素，将缺陷和磁化模型简化，仅对漏磁场改变中起主导作用的局部底板、缺陷、衔铁、永磁铁和极靴进行实体建模，缺陷位于中心区域，图1 为漏磁检测有限元简化模型。 为了更真实地模拟实际模型的外部环境，检测模型外围建立适当大小的空气域。 储罐底板尺寸为550 mm×300 mm×8 mm，材料为Q235；定义空气相对磁导率为1.0，衔铁和极靴均采用45#钢，永磁铁选用铁铷硼N35，矫顽力895 000 A/m。

图1 漏磁检测有限元简化模型

采用自由网格对有限元模型进行划分，设置边界条件求解，有限元分析的边界是外围空气层边缘，永磁铁产生的磁力线无法穿透边界，仅可平行或垂直于外围空气层，因此将外围空气模型的边缘设置为平行边界条件进行求解，得到储罐底板磁感应强度分布云图和矢量图如图2 所示。由图2 可知， 大部分磁力线被束缚于底板内部，且经永磁铁、极靴、底板和衔铁形成了均匀闭合的曲线，缺陷位置处的磁力线发生了畸变，漏磁场强度较附近区域强。

图2 储罐底板磁感应强度分布云图和矢量图

2 有限元模拟分析

2.1 提离值对漏磁场的影响

有限元模型中设置长×深为10 mm×4 mm，宽为2、3、4 mm 的矩形缺陷，其他参数不变。模拟得到提离值为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mm 时不同缺陷宽度下的漏磁场垂直方向分量Bz及其峰值曲线（图3）。 由图3 可知，在同一缺陷宽度下，随着提离值的增大漏磁场垂直方向分量Bz变化较为平缓，说明随着提离值的增大，跨过缺陷的磁力线弧度曲率变化平缓； 随着提离值的增大，Bz峰值呈减小趋势。 提离值过大或过小均会对检测结果带来不利影响。 减小提离值虽能使磁敏元件采集到更多的漏磁场信息，但会增大因提离值波动所产生的误差；增大提离值则相反，因此要根据现场实际情况选择合适的提离值。

图3 提离值变化时漏磁场垂直方向分量Bz 及其峰值曲线

2.2 缺陷宽度对漏磁场的影响

不同缺陷宽度下漏磁场垂直方向分量Bz曲线如图4 所示。 由图4 可知，在同一提离值下，缺陷宽度对漏磁场垂直方向分量Bz曲线的形状无显著影响；提离值为1.0、2.0 mm 时，缺陷宽度4 mm 时的Bz峰值略小于宽度为2、3 mm 时的值；提离值为3.0、4.0 mm 时，缺陷宽度4 mm 时的Bz峰值略大于宽度为2、3 mm 时的值。

图4 缺陷宽度变化时漏磁场垂直方向分量Bz 曲线

2.3 底板厚度对漏磁场的影响

选择长×宽×深为10 mm×4 mm×4 mm 的矩形缺陷， 对厚度分别为6、8、10、12 mm 的底板建立有限元实体模型，提取路径上的磁场分量，得到不同底板厚度上提离值为1.0、3.0 mm 时的漏磁场垂直方向分量Bz曲线如图5 所示。由图5 可以看出，底板厚度对漏磁场垂直方向分量Bz的影响显著； 底板厚度为6～10 mm 时，Bz峰值随底板厚度的增加近似呈线性减小趋势； 底板厚度为10～12 mm 时，Bz峰值随底板厚度的增加快速减小。提离值为1.0 mm 时， 底板厚度为12 mm 的Bz峰值最小， 为2.9 mT。 这是因为随着底板厚度的增加，永磁铁对被检底板的磁化饱和度下降，同时缺陷深度百分比相对底板厚度减小， 更多的磁力线直接在底板内部绕过缺陷形成磁回路， 仅有少量的磁力线泄漏到空气中形成漏磁场， 使漏磁曲线随着底板厚度的增加而整体下移。 由于漏磁检测受底板厚度影响较大， 故在实际检测中应选择合适的永磁铁使储罐底板尽可能达到磁饱和状态，或提高磁敏元件灵敏度，以保证缺陷的检出率。

图5 底板厚度变化时漏磁场垂直方向分量Bz 曲线

2.4 检测方向对漏磁场的影响

针对10 mm×2 mm×4 mm、10 mm×3 mm×4 mm、10 mm×4 mm×4 mm 的矩形缺陷开展不同检测方向（平行长轴方向和垂直长轴方向）的仿真分析， 得到漏磁场磁感应强度B 与Bz曲线如图6 所示。 由图6 可知，在同一缺陷下，不同的检测方向均能对缺陷形成漏磁场，检测方向对漏磁场影响明显，且垂直长轴方向的磁感应强度B 和Bz峰值远大于平行长轴方向的值。 这是因为当检测方向为平行长轴方向时，即磁力线平行长轴方向时，缺陷宽度较小，且储罐底板的相对磁导率远大于缺陷处的空气相对磁导率，导致大部分磁力线可直接绕过缺陷由附近区域的底板穿过形成磁回路，仅有一少部分磁力线发生畸变泄漏到空气中，再经空气进入储罐底板，故整体漏磁强度较小；而当检测方向为垂直长轴方向时，即磁力线垂直长轴方向时，缺陷宽度较大，相对于磁力线来说， 难以在底板内部绕过缺陷形成磁回路， 仅有缺陷边缘附近的磁力线由底板内部穿过，缺陷中间区域的多数磁力线均泄漏到空气中形成漏磁场，因此整体漏磁场强度较大。 由此可见，在实际漏磁检测中，对于发现的异常缺陷应从不同的检测方向进行复验， 以保证数据的可靠性。

图6 不同检测方向下的漏磁场磁感应强度B 与Bz 曲线

3 结论

3.1 缺陷位置处的磁力线发生了畸变，漏磁场强度较附近区域强，漏磁场垂直方向分量Bz峰值随提离值的增大呈减小趋势；当缺陷宽度为2～3 mm 时，Bz变化较小； 当缺陷宽度为4 mm 时，在提离值1.0～2.0 mm 范围内Bz峰值略小于宽度为2、3 mm 的， 在提离值3.0～4.0 mm 范围内Bz峰值略大于宽度为2、3 mm 的。

3.2 底板厚度6～10 mm 时，Bz峰值随底板厚度的增加近似呈线性减小趋势； 底板厚度10～12 mm时，Bz峰值随底板厚度的增加快速减小，最小峰值为2.9 mT。

3.3 检测方向对漏磁场影响明显， 检测方向为垂直长轴方向的磁感应强度B 和Bz峰值远大于平行长轴方向的值，因此在实际漏磁检测中，对于发现的异常缺陷应从不同的检测方向进行复验。