CN113466327B - 一种石油储罐罐壁缺陷磁检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油储罐罐壁缺陷磁检测装置与方法，所述磁检测装置包括防护壳，所述防护壳由非金属材料制成，所述防护壳外部装有操作柄和数据传输接口，所述防护壳内部设有n个磁梯度测试单元，n为大于等于3的自然数，所述磁梯度测试单元等间距分布，相邻间距不得超过0.05m，所述磁梯度测试单元之间通过数据传输线并联，并通过数据传输接口接出。本发明能够利用所述磁检测装置对任意方位缺陷和应力集中进行识别定位，并确定缺陷的具体类型，从而保障石油储罐的安全运行。

Description

一种石油储罐罐壁缺陷磁检测装置与方法

技术领域

本发明属于石油储罐磁检测技术领域，特别涉及一种石油储罐罐壁缺陷磁检测装置与方法。

背景技术

储罐是国家能源战略储备库储存石油资源的主要设备，由于其工作环境复杂多样，容易受到腐蚀性介质、不均匀地质沉降、温度变化、较大冲力荷载等因素影响，使得罐壁产生凹陷、裂纹或穿孔等缺陷，造成罐内介质泄漏，引发燃烧爆炸等严重事故，导致环境污染与人员伤亡，造成巨大的社会经济损失。因此，对石油储罐罐壁进行定期检测至关重要。漏磁检测技术由于理论基础较成熟，配套检测装置具有结构简单等特点，在储罐罐壁缺陷检测中应用范围较广，该技术通过检测励磁后的储罐表面的漏磁场来确定罐壁缺陷位置及其几何尺寸，从而确定石油储罐的结构健康状态。

目前，采用漏磁检测技术储罐罐壁漏磁检测的具体步骤如下：在检测开始前，采用与被检测壁板相同或铁磁性能相近的材料制作成标定板，然后通过人工钻孔的方式在标定板上预制缺陷；在正确调整漏磁检测装置的传感器高度后，对标定板进行检测，使检测到的缺陷位置和缺陷当量值与实际缺陷相吻合，以保证检测结果的准确性；通过励磁装置将储罐壁板磁化至一定的磁场强度，并根据检测要求设定阈值；采用手动或自动模式对壁板进行扫查，扫查速度尽量保持匀速，在检测出缺陷信号后，对可能存在缺陷的位置进行复检，并进行记录，检测完成后保存数据。根据以上所述可知，现有技术中主要存在以下缺点：

(1)漏磁检测前需要充磁、激励等前期准备工作，不仅检测工艺复杂，检测周期长，同时需要专业的检测机构进行检测。

(2)缺陷漏磁场信号受激励磁场方向的影响较大，当励磁场方向与缺陷长度方向一致时，缺陷位置的漏磁场强度较弱，检测装置难以检测出缺陷，造成漏检问题。

(3)漏磁检测技术只能识别罐壁的宏观成型缺陷，无法检测应力集中区域。另外，针对罐壁内部的早期缺陷如微裂纹等，漏磁检测技术的识别率也较低。

发明内容

针对以上问题，本发明旨在提供一种石油储罐罐壁缺陷磁检测装置与方法，采用罐壁缺陷磁检测装置对任意方位缺陷和应力集中进行检测，从而保障储罐的安全运行。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一方面，提供一种石油储罐罐壁缺陷磁检测装置，包括防护壳，所述防护壳由非金属材料制成，所述防护壳外部装有操作柄和数据传输接口，所述防护壳内部设有n个磁梯度测试单元，n为大于等于3的自然数，所述的磁梯度测试单元等间距分布，相邻间距不超过0.05m，所述磁梯度测试单元之间通过数据传输线并联，并通过数据传输接口接出。

作为优选，所述磁梯度测试单元包括由非金属材料制成的外壳，所述外壳内呈十字形设置有4个三轴磁通门传感器，中间设置有数据采集处理模块。

另一方面，还提供一种石油储罐罐壁缺陷磁检测方法，包括以下步骤：

采集石油储罐的基础资料，包括储罐类型，储罐内径，储罐高度，最高液位，储存介质，罐壁材质和罐壁厚度；

调整罐内介质的液位高度下降至待检壁板所在高度以下，释放所述待检壁板承受的介质压力作用，若液位高度低于所述待检壁板所在高度，则无需调整；

利用退磁装置对所述待检壁板表面进行退磁处理后，调整罐内油品的液位高度高于所述待检壁板所在高度，然后调整液位高度低于所述待检壁板所在高度，重复操作3次；

操作员手持所述罐壁缺陷磁检测装置对所述待检壁板进行检测，采集罐壁表面的磁梯度张量信号，并通过数据传输接口上传至上位机；

上位机的数据采集软件通过噪声滤除算法对所述磁梯度张量信号进行降噪处理，并计算得到缺陷损伤表征参数并实时显示，缺陷损伤表征参数根据所述磁梯度张量信号计算得到，来反映罐壁缺陷的损伤严重程度；

设置所述待检壁板的缺陷定位阈值，然后与所述缺陷损伤表征参数比较大小，将所述缺陷损伤表征参数大于所述缺陷定位阈值的检测区域确定为缺陷位置；

在所述缺陷位置正上方，测试不同检测高度下的缺陷损伤特征参数，所述检测高度从0.1m增加至1m，检测间隔为0.1m，然后计算得到衰减传播因子，根据所述衰减传播因子的变化特征，判断缺陷类型。

作为优选，所述磁梯度张量信号的采集方法为：沿所述待检壁板环向匀速移动，检测高度为0.1m，所述磁梯度测试单元(1)内部的三轴磁通门传感器(102)采集所述罐壁表面的磁感应强度，然后通过所述数据处理模块(103)计算得到磁梯度张量，检测完成后，沿第一次检测路径反向检测一次。

作为优选，所述磁梯度张量G计算公式为：

式中，G为磁梯度张量，uT/m；B_ij(i,j＝x,y,z)为磁感应梯度分量，uT/m；Δx、Δz分别磁梯度测试单元内磁通门传感器B₁B₃，B₂B₄间的距离，m；B_ix、B_iy、B_iz分别为磁通门传感器B_i(i＝1,2,3,4)测得的磁感应强度三分量测试值，uT。

作为优选，所述缺陷损伤表征参数的计算公式为：

其中，D_c为缺陷损伤表征参数，uT/m；B_ij(i,j＝x,y,z)为磁感应梯度分量，uT/m。

作为优选，所述缺陷定位阈值为：

式中，D_thr为缺陷定位阈值，uT/m；m为检测壁板测点总数，无量纲；D_ci为每个测点位置的缺陷表征参数，uT/m；D_ca为m个测点缺陷表征参数的平均值，uT/m。

作为优选，所述衰减传播因子的计算公式为：

式中，D_ch是指缺陷正上方不同提离高度的损伤表征参数值，uT/m；D_{c max}是指缺陷位置的最大损伤表征参数。

作为优选，所述缺陷类型判断方法为：当所述衰减传播因子变化曲线呈线性下降趋势时，判断缺陷类型为应力集中，当所述衰减传播因子变化曲线呈二阶指数下降趋势时，判断缺陷为金属损失。

本发明的有益效果是：本发明的石油储罐罐壁缺陷磁检测装置中设置有磁梯度测试单元，能够实时获取储罐壁板的磁测数据，从而确定石油储罐的结构健康状态；本装置利用地磁场对罐壁进行磁化，不需要额外的励磁装置，简化了检测流程，节省了检测流程；利用液位升降操作，对罐壁施加循环荷载，增大罐壁缺陷与本体之间的自漏磁场强度差异，实现对原始磁信号强度较弱的缺陷的准确检测，提高罐壁缺陷识别准确率；根据早期缺陷产生的应力集中会引起自漏磁场发生改变的原理，通过识别局部应力集中区域，实现对早期缺陷的检测定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明石油储罐罐壁缺陷磁检测装置的一个实施例结构示意图。

图2为本发明石油储罐罐壁缺陷磁检测装置磁梯度测试单元的一个实施例结构示意图。

图3为本发明一个具体实施例储罐壁板损伤表征参数分布示意图。

图4为本发明一个具体实施例罐壁缺陷衰减传播因子测试结果图。

图中标号：1-磁梯度测试单元、101-外壳、102-三轴磁通门传感器、103-数据处理模块、2-数据传输线、3-防护壳、4-操作柄、5-数据传输接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

如图1-2所示，本发明提供一种石油储罐罐壁缺陷磁检测装置，包括防护壳3，所述防护壳由非金属材料制成，所述防护壳外部装有操作柄4和数据传输接口5，所述防护壳3内部设有n个磁梯度测试单元1，n为大于等于3的自然数，所述的磁梯度测试单元1等间距分布，相邻间距不超过0.05m，所述的磁梯度测试单元1之间通过数据传输线2并联，并通过数据传输接口5接出。

在一个具体的实施例中，所述磁梯度测试单元1包括由非金属材料制成的外壳101，所述外壳内呈十字形设置有4个三轴磁通门传感器102，中间设置有数据采集处理模块103。

在一个具体的实施例中，所述防护壳3和所述外壳101所采用的的非金属材料相同，可选地，所述非金属材料为碳纤维材料。在另一个具体的实施例中，所述防护壳3和所述外壳101所采用的非金属材料不同，所述防护壳3采用塑料制成，所述外壳101采用碳纤维材料制成。需要说明的是，本发明所述的防护壳3和所述磁梯度测试单元1的外壳101只要是非金属材料制成的就行，并不局限于上述两种非金属材料。不过上述选用的碳纤维材料的使用寿命较塑料或者陶瓷等非金属材料的使用寿命更长一些。

另一方面，本发明还提供一种石油储罐罐壁缺陷磁检测方法，包括以下步骤：

S1、采集石油储罐的基础资料，包括储罐类型，储罐内径，储罐高度，最高液位，储存介质，罐壁材质和罐壁厚度；

S2、调整罐内介质的液位高度下降至待检壁板所在高度以下，释放所述待检壁板承受的介质压力作用，若液位高度低于所述待检壁板所在高度，则无需调整；

S3、利用退磁装置对待所述检壁板表面进行退磁处理后，调整罐内油品的液位高度高于所述待检壁板所在高度，然后调整液位高度低于所述待检壁板所在高度，重复操作3次；

S4、操作员手持所述罐壁缺陷磁检测装置对所述待检壁板进行检测，采集罐壁表面的磁梯度张量信号，并通过数据传输接口上传至上位机，所述磁梯度张量信号的采集方法为：沿所述待检壁板环向匀速移动，检测高度为0.1m，所述磁梯度测试单元1内部的三轴磁通门传感器102采集所述罐壁表面的磁感应强度，然后通过所述数据处理模块103通过式(1)计算得到磁梯度张量，检测完成后，沿第一次检测路径反向检测一次；

式中，G为磁梯度张量，uT/m；B_ij(i,j＝x,y,z)为磁感应梯度分量，uT/m；Δx、Δz分别磁梯度测试单元内磁通门传感器B₁B₃，B₂B₄间的距离，m；B_ix、B_iy、B_iz分别为磁通门传感器B_i(i＝1,2,3,4)测得的磁感应强度三分量测试值，uT；

S5、上位机的数据采集软件通过噪声滤除算法对所述磁梯度张量信号进行降噪处理，并通过式(2)计算得到缺陷损伤表征参数并实时显示，缺陷损伤表征参数根据所述磁梯度张量信号计算得到，来反映罐壁缺陷的损伤严重程度；

其中，D_c为缺陷损伤表征参数，uT/m；B_ij(i,j＝x,y,z)为磁感应梯度分量，uT/m；

在一个具体的实施例中，可选地，所述噪声滤除算法采用小波包变换降噪算法，主要用于消除所述罐壁缺陷磁检测装置在检测过程中人为抖动造成的磁信号异常；

S6、通过式(3)设置所述待检壁板的缺陷定位阈值，然后与所述缺陷损伤表征参数比较大小，将所述缺陷损伤表征参数大于所述缺陷定位阈值的检测区域确定为缺陷位置；

式中，D_thr为缺陷定位阈值，uT/m；m为检测壁板测点总数，无量纲；D_ci为每个测点位置的缺陷表征参数，uT/m；D_ca为m个测点缺陷表征参数的平均值，uT/m；

S7、在所述缺陷位置正上方，测试不同检测高度下的缺陷损伤特征参数，所述检测高度从0.1m增加至1m，检测间隔为0.1m，然后通过式(4)计算得到衰减传播因子，根据所述衰减传播因子的变化特征，判断缺陷类型；

式中，D_ch是指缺陷正上方不同提离高度的损伤表征参数值，uT/m；Dc_max是指缺陷位置的最大损伤表征参数；

所述缺陷类型判断方法为：当所述衰减传播因子变化特征呈线性下降趋势时，判断缺陷类型为应力集中，当所述衰减传播因子变化特征呈二阶指数下降趋势时，判断缺陷为金属损失；

在一个具体的实施例中，如图4所示，实线代表线性下降趋势，虚线代表二阶指数下降趋势。下降趋势呈线性还是呈二阶指数的分辨方法为本领域技术人员知悉的现有技术，在此不再赘述。

在一个具体的实施例中，以某5×10⁴m³双盘式浮顶常压油罐为例，储罐内径为60m，储罐高度为19.94m，最高液位为18.2m。储存介质为原油，罐壁上圈壁板采用Q235B，下圈壁板采用Q345R。对第四圈/第五圈罐壁板进行检测，具体参数如表1所示。使用的罐壁缺陷磁检测装置的所述防护壳3内部设置有6个磁梯度测试单元，相邻间距为0.5m。

表1储罐壁板参数

罐壁板圈数	罐壁板厚度(mm)	罐壁板宽度(mm)	材料
				第四圈	19	2480	Q345R
第五圈	15	2480	Q345R

步骤S3中调整罐内油品的液位高度上升至12.4m，然后调整液位高度下降至7.4m，重复此操作3次；步骤S6中，处理得到的储罐壁板的损伤表征参数分布图如图3所示。

通过式(2)计算得到的缺陷定位阈值为1180uT/m。

比较所述储罐壁板的缺陷损伤表征参数与所述缺陷定位阈值的大小，确定图3中的缺陷位置。

本方法通过测试罐壁自漏磁场来检测缺陷，不需要额外的激励装置对储罐进行励磁，尤其针对大型储罐，简化了检测流程，节省了检测时间；通过液位升降操作，向罐壁循环加载应力，任意方位缺陷的自漏磁场均会增强，罐壁缺陷自漏磁场强度与储罐本体自漏磁场强度的差值也随之增大，因此，可以通过检测结果清晰地识别罐壁任意方位的缺陷；早期缺陷都会产生应力集中，在地磁场和应力的联合作用下，应力集中会引起罐壁自漏磁场的变化，因此，本装置可以通过识别应力集中区域来检测早期缺陷；磁梯度测试仪采用非接触检测方式，与罐壁之间不需要耦合剂，操作便捷，检测速度可达0.25m/s，速度快，可实现大范围连续检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种石油储罐罐壁缺陷磁检测方法，所述的磁检测方法是基于一种石油储罐罐壁缺陷磁检测装置，该磁 检测装置包括防护壳(3)，所述防护壳由非金属材料制成，所述防护壳外部装有操作柄(4)和数据传输接口(5)，所述防护壳(3)内部设有n个磁梯度测试单元(1)，n为大于等于3的自然数，所述的磁梯度测试单元(1)等间距分布，相邻间距不超过0.05m，所述的磁梯度测试单元(1)之间通过数据传输线(2)并联，并通过数据传输接口(5)接出，所述磁梯度测试单元包括由非金属材料制成的外壳(101)，所述外壳内呈十字形设置有4个三轴磁通门传感器(102)，中间设置有数据采集处理模块(103)，其特征在于，包括以下步骤：

采集石油储罐的基础资料，包括储罐类型，储罐内径，储罐高度，最高液位，储存介质，罐壁材质和罐壁厚度；

调整罐内介质的液位高度下降至待检壁板所在高度以下，释放所述待检壁板承受的介质压力作用，若液位高度低于所述待检壁板所在高度，则无需调整；

利用退磁装置对所述待检壁板表面进行退磁处理后，调整罐内油品的液位高度高于所述待检壁板所在高度，然后调整液位高度低于所述待检壁板所在高度，重复操作3次；

操作员手持所述罐壁缺陷磁检测装置对所述待检壁板进行检测，采集罐壁表面的磁梯度张量信号，并通过数据传输接口(5)上传至上位机；

上位机的数据采集软件通过噪声滤除算法对所述磁梯度张量信号进行降噪处理，计算得到缺陷损伤表征参数并实时显示，缺陷损伤表征参数根据所述磁梯度张量信号计算得到，来反映罐壁缺陷的损伤严重程度，所述缺陷损伤表征参数的计算公式为：

其中，D_c为缺陷损伤表征参数，uT/m；B_ij为磁感应梯度分量，其中i,j＝x,y,z，uT/m；

设置所述待检壁板的缺陷定位阈值，然后与所述缺陷损伤表征参数比较大小，将所述缺陷损伤表征参数大于所述缺陷定位阈值的检测区域确定为缺陷位置；

在所述缺陷位置正上方，测试不同检测高度下的缺陷损伤表征参数，所述检测高度从0.1m增加至1m，检测间隔为0.1m，然后计算得到衰减传播因子，根据所述衰减传播因子的变化特征，判断缺陷类型，所述衰减传播因子的计算公式为：

式中，D_ch是指缺陷正上方不同提离高度的损伤表征参数值，uT/m；D_{c max}是指缺陷位置的最大损伤表征参数，uT/m。

2.根据权利要求1所述的一种石油储罐罐壁缺陷磁检测方法，其特征在于，所述磁梯度张量信号的采集方法为：沿所述待检壁板环向匀速移动，检测高度为0.1m，所述磁梯度测试单元(1)内部的三轴磁通门传感器(102)采集所述罐壁表面的磁感应强度，然后通过所述数据采集处理模块(103)计算得到磁梯度张量，检测完成后，沿第一次检测路径反向检测一次。

3.根据权利要求2所述的一种石油储罐罐壁缺陷磁检测方法，其特征在于，所述磁梯度张量G计算公式为：

式中，G为磁梯度张量，uT/m；B_ij为磁感应梯度分量，其中i,j＝x,y,z，uT/m；Δx、Δz分别磁梯度测试单元内磁通门传感器B₁B₃，B₂B₄间的距离，m；B_kx、B_ky、B_kz分别为磁通门传感器B_k测得的磁感应强度三分量测试值，其中k＝1,2,3,4，uT。

4.根据权利要求1所述的一种石油储罐罐壁缺陷磁检测方法，其特征在于，所述缺陷定位阈值为：

式中，D_thr为缺陷定位阈值，uT/m；m为检测壁板测点总数，无量纲；D_ci为每个测点位置的缺陷表征参数，uT/m；D_ca为m个测点缺陷表征参数的平均值，uT/m。

5.根据权利要求1所述的石油储罐罐壁缺陷磁检测方法，其特征在于，所述缺陷类型判断方法为：当所述衰减传播因子变化曲线呈线性下降趋势时，判断缺陷类型为应力集中，当所述衰减传播因子变化曲线呈二阶指数下降趋势时，判断缺陷为金属损失。

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