1　引　言

　　储罐是油库、港口和石油化工企业存储液体原料和中间产品的重要设备。随着石化工业的快速发展以及国家战略原油储备体系的逐步建立,我国储罐数量和容量都在迅速增加。因此,加强对储罐的质量监测,提高检测效率和检测结果的可靠性,已成为确保储罐安全运行的基础条件。位于储罐最底层的罐底板,其上表面接触含水的存储介质,下表面则与罐基础接触,是储罐最容易发生腐蚀的区域[1]。

　　储罐一旦发生泄漏,往往会引起大火、爆炸和环境污染等灾难性事故,导致重大经济和财产损失。因此,对罐底板腐蚀状态实施检测是储罐定期检修的重要内容之一。为了实现对罐底板的快速普查并对其腐蚀缺陷做出定量评价,人们研究出了多种方法[2]。

　　其中,漏磁无损检测方法直接利用罐底板材料良好的导磁性能,具有原理简单、检测速度快、不受罐底板表面油污及其它非导磁覆盖物限制等优点,因此在罐底腐蚀缺陷检测方面表现出独特的优势。美国石油学会(API)颁布的《储罐检测、维修、更换和重建》标准API Std 65322001中规定,“内部开罐检验时,应采用漏磁技术对罐底板的腐蚀状态进行扫描检测”[3]。相比较而言,英国Silverwing公司开展储罐底板漏磁检测技术研究较早,其研制的FLOOR2MAP 2000型储罐底板检测仪已取得了较好的应用效果,在我国有一定的用户。但是,从实际应用情况看,其尚存在检测灵敏度与量化精度均不高、软件使用不方便、电机驱动轮易打滑等不足,因此,进一步研究储罐底板腐蚀检测技术,开发高效、实用的数字化无损检测装备,具有十分重要的现实意义。①

　　2　储罐底板漏磁检测技术的特点

　　磁化是漏磁检测的前提,如果磁化得不充分,缺陷引起的磁力线畸变,或无法在钢板表面形成可被检出的漏磁场,或形成的漏磁场很弱而易被噪声湮没[4]。因此,磁化合适与否是影响漏磁检测器性能的关键。一般来说,外加磁场越强,铁磁构件被磁化得越充分,缺陷处产生的漏磁场也就越大。所以,为了提高检测的灵敏度和可靠性,通常采用尽可能强的外加磁场来磁化储罐底板。但对储罐底板漏磁检测器而言,磁化场越强,所要求的永磁体体积就越大,这势必要求检测器的尺寸、重量增加,进而给检测器进出储罐带来困难。同时,外加磁场越强,所产生的磁吸附力也越大,这就要求检测器的驱动电机有更大的功率,而这又是不太现实的。因此对于尤其是较厚的储罐底板,一般都采用近饱和磁化的方法,以实现检测器尺寸、驱动电机功率、检测灵敏度及检测效率之间的优化配置。

　　然而,在采用近饱和磁化条件下,缺陷处的漏磁场往往不大,加之储罐底板表面不平顺、局部弯曲、表面涡流场等的影响,很容易导致所获得的缺陷检测信号的信噪比较低;而若漏磁检测探头的灵敏度也不高的话,那必然会影响最终缺陷量化评价的准确度。因此在检测器设计过程中,必须加强对其硬件部分的抗干扰设计,提高电磁兼容性,并根据噪声信号的特征对检测数据进行有效预处理,以削弱因近饱和磁化给检测带来的不利影响。

3　检测器结构

　　储罐底板漏磁检测器的原理结构如图1所示,它主要包括电源模块、漏磁检测装置(含磁化装置和传感器)、信号预处理单元、数据采集与通信单元、运动控制单元和信号分析处理软件等。在直流电机的驱动下,检测装置沿直线运动,带动漏磁探头对储罐底板进行扫查,传感器阵列输出的漏磁检测信号经过叠加、放大和滤波等预处理后,由数据采集单元实现A/D转换,并经由增强并口(EPP口)进入笔记本电脑进行分析处理,以实现数据显示、缺陷识别和量化分析。

　　3.1　电源模块

　　在储罐底板漏磁检测器中,笔记本电脑、里程轮、传感器以及数据采集单元等的工作电压各不相同,因此必须设计专用的电源模块,以将电池提供的24 V直流电压进行转换,供上述不同功能单元使用。电源模块的设计不仅要考虑输入电压、输出电压和电流,还要考虑总功耗、电源实现的效率、电源部分对负载变化的瞬态响应能力、关键元器件允许的电源纹波以及散热问题,等等。

　　在储罐底板漏磁检测器所属的各功能单元中,由于电压降落最小的约为8 V,而其输出电流约为5 A,因此使用开关电源比较合适。然而,对于5 V供电单元而言,由于其功率不大,普通开关电源即能够满足其使用要求,但笔记本电脑的功耗却较大。因此,从保证整个检测器的安全性和稳定性考虑,首先选择集成电源转换模块VI2JW22CX,直接将输出电压调至16 V,再通过外接可调电阻分压,得到包括笔记本电脑在内的其它功能单元所需电压值。为保证传感器的工作电压尽可能稳定,避免数据丢失,在电源模块设计上,特增加了电压转换芯片,并通过π型滤波电路等,实现传感器电源与数据采集卡电源的高频隔离。此外,考虑到检测器的工作环境通常比较恶劣,故在电源模块上还加装了散热片,以改善散热性能,保证其能够可靠地满足带载能力需求。

　　3.2　传感器

　　磁场测量元件主要有霍尔元件、感应线圈、磁通门传感器、磁敏电阻及磁敏二极管等。相比于其它检测元件,霍尔元件制造工艺成熟,稳定性、温度特性等都较好,是测量漏磁场的首选元件[5]。为此,在储罐底板漏磁检测探头的设计上,根据磁场测量范围和输出电压的大小,选用了SS495A1穿孔式霍尔元件作为检测元件。为了提高测量覆盖范围和空间分辨率,并防止缺陷漏检,将36片霍尔元件按照一定的方式组成阵列,构成漏磁探头,进行多通道数据采集,以切实提高对储罐底板缺陷检测的清晰度。

　　同时,为防止霍尔元件在电路板上放置的角度因碰撞、震动或其它原因发生偏转而影响检测效果,设计上还对霍尔元件阵列进行了封装。如此,既保证了漏磁探头的检测灵敏度和检测精度,也保证了导线与电路板连接的强度和可靠性。

　　3.3　数据采集和传输模块

　　数据采集和传输模块是检测器硬件设计的核心,它不仅要完成检测数据的采集和传输,而且还要及时将里程轮信息传递给上位机,以实现对缺陷的准确定位。为保证数据采集的精度和速度,选择集成有模数转换器的单片机与模拟多路开关相配合,实现多通道串行数据的高速采集。数据采集和传输模块主要由增益放大、A/D转换、缓存、控制以及计算机I/O接口等电路单元组成,其原理结构如图2所示。

　　由于受到现场环境及多种噪声成分的影响,储罐底板腐蚀缺陷的漏磁信号一般较为微弱,因此,在数据采集时,借助预处理电路对多路传感器信号进行放大和滤波,以消除或抑制输出信号中的噪声干扰,提高缺陷检测信号的信噪比;同时,根据A/D采样精度、采样率、片内数据存储空间大小以及工作主频等方面的具体要求,选择集成有A/D转换器的单片机ADμC812作检测器的处理器,它在里程轮脉冲信号触发下,控制模拟多路开关的开断,实现等间隔数据采样和数据转换,并记录缺陷位置信息。转换后的检测数据先存储在先进先出(FIFO)暂存器中,然后,再经计算机增强型并口完成数据传输,相应的数据传递流程如图3所示。

　　3.4　单片机程序设计

　　单片机程序主要完成数据采集、里程轮信号记录、数据存储、与上位机通信以及从FIFO读取数据等工作,其关键是对I/O端口的读写操作。一般对I/O端口进行的读写操作,是通过在应用程序中直接调用系统动态链接库W iNIo.DLL提供的函数来实现[6]。但是,由于该动态链接库没有提供使用并口中断的功能,所以在漏磁检测器设计上,只能通过查询方式来读取单片机的信号,实现数据的传输。然而,这样的通信速度一般很难满足检测的实际需要。为此,在设计中选择了W inDriver工具开发并口驱动程序,通过在用户模式下的程序中编写中断处理程序,来实现对并口中断的响应。

　　3.5　数据采集与传输模块的电磁兼容设计

　　由于检测过程中存在外来电磁辐射和内部元器件、各功能单元以及各数据传送通道间的相互串扰,很容易对数据采集和传输的硬件功能单元造成干扰,严重影响检测器工作的稳定性和可靠性。因此,提高数据采集模块的电磁兼容性是硬件功能单元设计的重点之一。

　　储罐底板漏磁检测器的硬件功能单元包括低频(模拟信号)部分和高频(数字信号)部分,其电磁兼容设计的侧重点各有不同。对于低频部分,数据采集卡的接地设计是其电磁兼容设计中最为重要的一环。为此,先使用屏蔽导线将传感器信号传递给数据采集卡,以减小传导耦合引入的差模干扰;同时,在数据采集卡的信号输入端将36路传感器的地线共接,并与数据采集卡的模拟地相连,以避免高频信号的串扰。相对而言,高速部分是电磁兼容设计考虑的重点。在数据采集卡上,应尽可能减短高频元器件之间的连线,如此,不仅可减小连线阻抗,保证信号变化速度,还可以减小分布参数和它们之间的相互干扰。此外,本检测器在抗干扰设计上,还充分利用了电容、电感以及瞬态抑制二极管元器件,取得了较好的拟制干扰的效果。

4　软件设计

　　检测器的软件主要包含数据采集、数据分析和生成检测报告等功能模块。其中,数据采集模块主要完成从EPP读取数据、实时显示采样数据以及在扫描结束时保存数据等工作。鉴于漏磁检测数据量很大,但不需要进行复杂的访问和查询操作,因此直接使用文件方式保存检测数据。而数据分析模块则要实现数据回放显示、数据分析处理、生成C扫描数据云图和缺陷量化等功能。所编制的软件能分别提供针对单独某个板块或整个储罐底板的检测报告,报告的内容主要包括板块图(或储罐整个底板的图)和腐蚀缺陷的列表,而具体列表项包括缺陷所在板块、扫描编号,异常数据提示框的长、宽、面积、位置以及量化得到的缺陷深度,等等。整个储罐底板的检测报告由缺陷图根据所添加新板块和新扫描过程中用户输入的坐标参数自动生成,相比于依靠CAD软件和人工操作相结合绘制储罐底图的方法,本检测器的软件更为方便快捷。

　　5　试验结果分析

　　在实验室条件下,选择四块长6 000 mm、宽1 200mm,厚度T分别为6、8、10、14 mm的Q235钢板作为标准试板,并参照美国石油学会标准APIStd65322001的要求,在这些钢板的上、下表面各加工了一组半球形盲孔,以模拟储罐底板上的腐蚀缺陷(见图4)。其中,钢板下表面盲孔深度依次为钢板厚度的20%、30%、40%、60%、80%和90%;上表面盲孔的深度依次为钢板厚度的10%、20%、40%和60%。

　　不难看出,在实验室条件下,该检测器可以有效地检测出10mm厚钢板上、下表面的腐蚀缺陷,且具有较高的检测灵敏度。其中,检测器能有效发现上表面深度为10%板厚的腐蚀缺陷;而对下表面的腐蚀缺陷,其有效检测深度能达到钢板厚的20%。值得说明的是,由于现场环境比较恶劣,检测器滚轮在运动过程中不可避免会粘附一些颗粒或粉尘等,进而引起滚轮圆柱度的变化,造成检测信号整体呈现出一定的波浪状起伏。为了避免其影响缺陷识别和最终量化结果的准确度,我们研究了相应的信号处理算法对其进行修正和补偿,起到了很好的效果。

　　6　结束语

　　研制出的储罐底板漏磁检测器已应用于非洲国家苏丹某原油生产厂多种规格储罐底板的现场检测,其所达到的关键技术性能指标为:

　　·能对储罐底板缺陷进行高清晰度检测,其中,扫查宽度方向传感器间距8 mm,采样间隔1 mm;

　　·检测速度:无级调速或0.5 m/s恒速;

　　·扫查宽度:300 mm;

　　·最大检测罐底板厚度:20 mm;

　　·检测器尺寸:能从450 mm入孔进出储罐;

　　·检测灵敏度:深度为10%板厚的腐蚀缺陷;

　　·缺陷量化误差:小于等于10%;

　　·缺陷定位精度:小于1.2 cm(距参考焊缝)。

　　检测实践表明,该检测器不仅能实现对储罐底板上下表面缺陷的快速普查,而且其检测效率、检测灵敏度、可靠性以及操作方便性等都有较大提高,其缺陷定位与量化精度等技术指标达到或超过了美国石油天然气学会现行标准API Std 653的规定,完全能满足实际检测工程的需要。

　　参考文献:

　　[1]　肖　杰,刘丽川,欧益宏,等.储罐底板腐蚀的预测研究[J].腐蚀与防护, 2004, 25(12): 5262528.

　　[2]　刘志平.基于有限元分析的储罐底板磁性检测与评价方法研究[D].武汉:华中科技大学, 2003.

　　[3]　API Standard 65322001. Tank Inspection, Repair, Alterationand Reconstruction[S]. Washington: American Petroleum In2stitute, 2001.

　　[4]　陈　亮,阙沛文,黄作英.两级自适应滤波在输油管道漏磁检测中的应用[J].化工自动化及仪表, 2005, 32(4): 46248.

　　[5]　宋小春,康宜华,武新军.水冷壁管漏磁超声无损检测机器人设计[J].无损检测, 2005, 27(1): 17220.

　　[6]　王　萍,朴立华,黄瑞祥.智能型CAN总线监控卡设计[J].化工自动化及仪表, 2004, 31(2): 38240.

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