磁记忆应力集中检测论文

原油储罐一般具有大型化、集中化、介质易燃易爆、有毒等特点，一旦发生爆炸，将会给社会和国家经济造成重大的影响，因此对原油储罐的定期检测与评估，对保证储罐的安全使用及正常运行具有重大意义。储罐在长期的使用过程中必然会产生不同模式的失效，如失稳、破裂、腐蚀等。所以对储罐失效状况的安全评价，在罐体的长期管理中非常重要。目前，常压储罐通常根据固定的周期进行停产开罐检验，但此种方法需要花费大量的人力、物力和财力，对于大型原油库区的清罐，甚至还会带来其他的安全和环保问题。鉴于此，在线检验技术在大型原油储罐检验方面的应用越来越广泛。储罐在线检测技术储罐的在线全面检测主要根据其失效模式来确定，包括以下几个方面：① 腐蚀失效，包括储罐底板声发射检验及储罐测厚(罐顶/罐壁)；② 破裂失效，包括焊缝应力集中磁记忆检测；③ 失稳失效，包括储罐基础沉降检测及储罐垂直度检测。图1 储罐在线检测技术方案框图储罐腐蚀失效模式检测1 储罐底板声发射检测试验使用美国物理声学公司PAC生产的SMOSE型多通道全数字化声发射检测分析仪，传感器型号为R3I，检测通道有24个，信号采集设置参数如下：门槛40dB，采样长度4k，频率范围20~100kHz，定位方式为罐底定位，采样频率500kHz，波速1100000mm/s，触发长度256，放大倍数20dB。图2 检测仪器连接示意采用T06原油储罐(常压常温)进行试验，其于2007年投入使用，有10年未曾开罐检验。该储罐材料为SPV490Q，容积10万立方米，直径80m，高度，壁板共9层，底层板厚32mm。为了保证腐蚀信号能准确地被罐壁上的传感器接收，将传感器布置于距离底板的罐壁圆周上，在安装时应注意错开接管区域，确保其安装在同一高度且各传感器间距相等，形成闭合环状分布(沿圆周方向均匀布置24个传感器)。对储罐底板的声发射检测数据进行噪声信号滤波､相关分析､聚类､活性计算､腐蚀速率预测等综合处理分析后，从罐底板的定位事件图(见下图)上可以看出：在2h的检测过程中，底板声发射信号总体事件数､撞击数､能量等均处于较低水平，说明储罐底板有轻微的腐蚀活性。图3 储罐底板声发射检测结果依据标准JB/T 10764-2007《无损检测常压金属储罐声发射检测及评价方法》，评定该储罐底板使用状况等级为Ⅱ级。2 储罐测厚对于罐壁底部第一层以及与扶梯接触的罐壁处，主要采用超声波测厚的方式进行检测，其中罐壁第一层所有壁板均要进行测厚，每块板均布5个测点。对于第一层以上的罐壁，沿扶梯进行测厚，每块壁板沿高度方向均布5个测点；对于罐壁其他部分，选择性地进行超声B扫检测，以衡量罐壁的均匀腐蚀状况；对罐壁的异常腐蚀区域进行超声C扫检测，如有必要可以抽检部分罐壁，进行大面积的自动爬壁超声C扫检测。图4 储罐罐壁结构及其测厚的测点布置示意对罐顶的测厚采用抽检方式进行，主要检测点分布于浮顶最外侧圆周和浮顶两个直径方向上，其中浮顶外侧圆周分布24个检测点，每个直径方向分布18个检测点。图5 储罐罐顶测厚的测点布置示意从各部分检测数据上看，由于储罐表面防腐涂层的保护，罐体实测厚度相对于原始厚度未出现较大的腐蚀，包括浮顶的明显腐蚀区都未出现较大程度的壁厚减薄现象，腐蚀量均在以内。储罐破裂失效模式检测储罐的应力集中会导致罐体的腐蚀加剧，形成罐壁焊缝应力损伤。磁记忆对罐壁焊缝的检测任务就是要查找并确定应力集中区域。储罐的磁记忆应力集中检测部位为第一层壁板的纵向和环向焊缝。图6 储罐罐壁检测部位示意实际检测过程中，在距离罐底55~65cm范围内出现明显的信号突变现象。设备检测门槛值设置为10A/m，实际检测中信号突变处的磁场强度达到门槛值的近10倍以上，信号突变非常强，呈整圈出现。图7 罐壁纵向、环向焊缝检测结果针对以上检测到的应力集中情况，选择磁粉及超声检测方法进行复验，排除表面及内部宏观缺陷，除此之外，在环向焊缝的上下100mm范围内的母材上也出现了明显的应力集中现象，因此判定其是由于应力集中引起的信号突变，对缺陷分布位置的分析可以看出，应力集中主要位于第一层壁板距底板一定距离的母材处(且呈整圈出现)､纵焊缝处及环焊缝处。储罐失稳失效模式检测1 储罐基础沉降检测针对储罐在日常使用过程中产生的不均匀沉降和刚性倾斜的问题，防止储罐产生整体的稳定性失效，需对储罐进行基础沉降测量，测量时需遵循以下几点：(1) 储罐基础应按设计文件要求进行标高测量，主要考虑两个沉降分量的综合影响；(2) 在罐底板外侧的基础顶面，应沿环向均匀布置24个检测点；图8 储罐基础沉降观测点布置示意(3) 沉降观测测量器具宜采用精密水准仪和塔尺(在有效鉴定期内)；(4) 沉降观测结果评定参照标准SY/T 6620-2014《储罐的检验､建设､改建和翻建》中的规定。在观测储罐基础沉降时，主要从储罐的4个方向，分别对储罐24个观测点进行观测，期间需要4个基站，并进行相应的移站修正基准值。将最终得到的24个观测数据统一修正，以1号观测点的实际标高作为基准标高0，对其他观测点数据进行修正，结果如下图所示，可以看出储罐在基础沉降点14~21点有明显沉降。图9 储罐基础沉降曲线示意2 储罐垂直度检测在罐体相互对称的4个位置分别选择上中下，共12个测量点(发现有垂直度异常时，扩大检测比例)，在每一个测量点处，使用全站仪先对准罐体的最上部，然后固定仪器的回转自由度，使仪器目视镜匀速下转，直至罐体底部边缘，分别读取罐体距离仪器基准十字线中心的水平距离，即可计算出罐体的垂直度。图10 储罐垂直度检查点分布示意储罐垂直度及椭圆度的检测结果评定参照SY/T 6620-2014标准中章节的规定。具体检测数据如下：依据SY/T 6620-2014标准的要求，储罐垂直度不得超过储罐总高度的1/100（218mm），最大值为127mm，从检测数据可以看出其最大值为66mm，储罐垂直度完全满足要求。储罐管理措施的改进从上述储罐的全面检测结果可以看出，储罐整体状况较好，壁板及底板腐蚀程度较低，垂直度在标准可接受的范围内。在底层罐壁距离底板55~65cm范围内，罐壁板的焊缝区域均会产生明显的应力集中，同时，储罐基础出现部分不均匀沉降现象。在后续的检验检测和日常维护管理中，应该重点关注底圈应力集中及不均匀基础沉降现象，检测数据可为储罐整体基于风险的检验(RBI)策略的制定提供科学的数据支撑。(1) 加强储罐应力集中部位的日常巡检，重点关注该区域的外观状况变化，如变形、鼓包、内部严重腐蚀、裂纹等。(2) 对于基础不均匀沉降现象，除进行日常巡检外，还应该在异常沉降点设计沉降监测点，定期对其进行检测，以实时监测该区域的安全状况。

无缝钢管无损检测技术应用概况

目前，无损检测的方法很多，常用的主要有磁粉检测（MT）、超声波检测（UT）、渗透检测（PT）、射线检测（RT）、涡流检测（ET）5种常规检测方法。此外，还有一些新兴技术，如金属磁记忆检测、漏磁、激光照相检测、声振检测、红外检测和声发射检测等。

德国Mannesmann公司和日本的住友金属公司在检测大直径钢管时采用超声波探伤和漏磁（MFL）方法；检测小直径钢管时，采用超声波探伤和涡流（ET）方法，这已形成了较为成熟的检测方案。我国的钢管检测大量采用了超声及涡流联合检测的方法，也愈来愈多地采用漏磁方法。

根据GB/T 9808-2008《钻探用无缝钢管》规定，我国无缝钢管制造企业一般采用涡流检验、漏磁检验或超声波检验中的一种方法对钢管进行无损检测。用涡流检验时，执行GB/T 7735—2004《钢管涡流探伤检验方法》；用漏磁检验时，执行GB/T 12606—1999《钢管漏磁探伤方法》；用超声波探伤检验时，执行GB/T 5777—2008《无缝钢管超声波探伤检验方法》。

无损检测技术方法与应用

涡流检测技术

涡流探伤是以电磁感应原理为基础的。当钢管经过通交流电的线圈时，钢管管体的不连续性（如缺陷等）将使涡流场发生变化，而以靠近表层和近表层的不连续性影响最大，导致线圈的阻抗或感应电压产生变化，监测这一变化可得到有关管体缺陷或不连续性的信息。

适于钢管质量检验的自动涡流探伤方法主要有点式探头探伤法和穿过式探头探伤法两种。前者采用点式探头高速旋转的方法来探测钢管中的纵向缺陷，其检测速度由探头的数量和其旋转的速度而定，一般来说比较慢，加之设备较复杂，因而其应用不太广泛；而后者则采用穿过式探头来检测钢管中的横向缺陷，这种方法设备简单，探伤速度快（一般可达60m/min以上），且对钢管表面和近表面的常见缺陷如裂口、凹面、结疤及部分外折等有较高的检测灵敏度，因此成为钢管检验的主要方法之一（图）。

图 穿过式线圈涡流探伤技术原理

金属磁记忆检测技术

实验证明，在地磁的作用下，在役铁磁性工件的缺陷和夹杂部位，会产生磁畴归一现象，并在其上出现漏磁场。在缺陷位置和/或内应力相对集中的地方，金属磁导率最小，其磁场切向分量具有最大值，而法向分量则改变符号，具有零值。对工件表面漏磁场法向分量进行扫描检测，便可确定应力集中区域，从而间接判断该铁磁性工件是否存在缺陷。

金属磁记忆诊断仪对在役设备由于材料不连续性（缺陷）而导致的应力集中，以全新的快捷检测方式，给出设备疲劳损伤的早期诊断。通常仪器配有多种不同形式的传感器及长度计测器，以适应不同形式的检测需要。该仪器多用于锅炉压力容器、管道、叶片、轴承、铁轨、齿轮对、焊接部位及其他铁磁性金属构件的检测。

漏磁检测技术

漏磁检测技术是从磁粉检测发展起来的，是基于铁磁性材料磁性变化的一种无损检测技术。当铁磁材料被磁化后，缺陷的存在会在工件表面产生漏磁场。因此，通过漏磁的检测可以发现材料中的缺陷。

当用磁化器磁化被测铁磁材料时，若材料的材质是连续、均匀的，则材料中的磁感应线将被约束在材料中，磁通是平行于材料表面的（图），几乎没有磁感应线从表面穿出，被检工件表面没有磁场。但是，当材料中存在着切割磁力线的缺陷时，材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化，由于缺陷的磁导率很小，磁阻很大，使磁路中的磁通发生畸变，磁感应线流向会发生变化，除了部分磁通直接通过缺陷或通过材料内部来绕过缺陷外，还有部分的磁通会泄漏到材料表面上空，通过空气绕过缺陷再度重新进入材料，从而在材料表面缺陷处形成漏磁场（图）。

目前，在石油钻井领域应用发展较快的是从磁粉检测法延伸出来的漏磁检测技术，其主要特点：

1）对各种损伤均具有较高的检测速度，如铁磁性材料表面、近表面、内部裂纹以及锈蚀等均可获得满意的检测效果；

2）由于磁性的变化易于非接触测量和实现在线实时检测，磁场信号不受被测材料表面污染状态的影响，进行检测时被测材料表面就不需清洗，因此将大大提高检测的效率，减小工作量。

图 无缺陷的磁感应线

图 有缺陷的磁感应线

涡流、漏磁、金属磁记忆综合检测技术

单一的探伤方法只能探测到材料中的某些特定缺陷。因此，任何一种无损检测技术都不可能检出钢管尤其是钻杆中的所有缺陷。例如，常规穿过式涡流探伤法只能检出钢管表面和近表面且取向大致为横向的缺陷，对纵向缺陷及钢管内部或内表面的缺陷无能为力。因此，采用数种无损检测方法的组合以最大限度地探测出钢管中各类缺陷，确保出厂产品的质量，成为钢管生产检验的极为重要的一环。以下为推荐的两种组合探伤检验办法：

（1）涡流-漏磁组合检测

穿过式涡流探伤法和以探测纵向缺陷为目的的超声探伤法的组合可以有效地检出钢管中绝大部分缺陷，因而应是首选的组合无损探伤技术。然而，由于超声探伤法速度上的限制，既适应不了钢管在线检验的高速要求，也与涡流探伤的速度无法匹配，故这种组合目前尚不能得到广泛的应用。

与超声探伤技术同样，磁场测定法的漏磁探伤技术也有纵向和横向探测之分。而用于钢管检验的以探测纵向缺陷为目的的漏磁探伤法具有与超声探伤基本相同的功能，即可以检测出钢管内外表面及其内部大致取向为纵向的各类缺陷，只是其内表和内部的检测灵敏度不如超声探伤那样高。另外，漏磁探伤法的检测传感器（探头）可以根据检测速度的需要来选择和设置，且其机头的旋转速度亦可以调整，因此在速度上它既可与涡流探伤法相匹配，也适应钢管生产流水线上在线检测的速度要求。

由以上分析可知，以探测钢管横向缺陷为主要目的的穿过式涡流探伤法和以探测纵向缺陷为主要目的的漏磁探伤法的组合可有效地探测出钢管中的主要缺陷，且适应在线检验的速度要求。

（2）涡流-磁记忆组合检测

该方法集涡流和金属磁记忆两种电磁检测技术于一体，可实现涡流、磁记忆同时检测与同屏实时显示，同时获得两种技术的检测数据，准确判断工件的缺陷、早期疲劳损伤与应力集中状态，真正实现铁磁性工件的综合全面分析。

表列出了由涡流和磁记忆方法观测得到的四种集成的测试结果。这四种状态分别对应于工件的四种不同的损伤程度。A表示试件状态良好，未出现应力集中或者损伤；B意味着物体中存在着应力集中区，当它继续保持负荷这个区域可能会受到损伤，但是难以判断损伤发生的时间；C说明当应力集中超过了材料的承受力，材料出现了损伤缺陷，此时由于损伤导致应力集中被释放，应力消失，但出现了缺陷，如果这一区域没有其他的应力集中因素，将还可以安全使用；D说明检测区域出现了缺陷，而且同时还存在应力集中区，此时，这个区域存在继续破坏的危险，在连续的应力应变下，材料可能会发生断裂，所以建议采取进一步的安全措施，对此区域进行修复或者更换。

表 集成涡流和磁记忆方法技术的四种典型的检测结果