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铁磁性板材和管材的坑状腐蚀检测时漏磁方法和超声波方法比较

铁磁性板材和管材的坑状腐蚀检测时漏磁方法和超声波方法比较

1、概述

  漏磁检测(MFL)和超声波探伤(UT)已被广泛应用于铁磁性板材和管材的坑状腐蚀检测。用户和检测人员对这些方法的灵敏度和精确度有着不同的理解和期望。本文讨论了这两种方法的基本原理及它们对缺陷检出的可能性(POD)和精确度的影响。

     2、坑状腐蚀

  腐蚀的机理和类型有很多。在这里,我们专门讨论储罐底部与防水层之间的腐蚀或储罐内部介质水分的腐蚀。在二十世纪六十年代,用于管道系统冲蚀的超声波探伤是相当成功的,它给人一种能准确检出坑状腐蚀的错觉。为了帮助理解这种差异,现举例说明冲蚀和一些典型的腐蚀形状。

  冲蚀、典型的"湖型"和"锥型"腐蚀坑。这种记录腐蚀的形成步骤或是其"梯式"发展形式很有意义。在储罐底板上一般发现的是"湖型"和"柱型"腐蚀,它们形成的普遍原因是湿气进入了底板与防水层(底板外侧)之间,或是储存的产品中有水分(底板内侧)。柱型坑相对来说是不常见的,通常是介质中水分和硫化物(SRB)综合产生的结果。

     3、方法原理

  MFL和UT的原理在其它地方己做过详细叙述,出于本文的目的,在此仅做简要描述。

  MFL的基本原理。装在支架上的磁铁在板材或管壁上产生强的感应磁场。若板材或管壁存在腐蚀缺陷,在其相应的表面形成漏磁场。在磁极之间放置一排探头探测该漏磁场。探头通常采用霍尔元件或线圈。而且每种类型的探头都有其优势和局限性。

  脉冲反射波原理的简易UT装置,它使用了双晶探头。在这种结构里,一个晶体是发送器,另一个晶体是接受器。发送器独立于接受电路,以便A扫描发现的缺陷传送信号能自由显示。测试到板材或管材减薄区域时,传送的脉冲结果不应使第一个内壁反射波模糊不清。因此,我们将明白没有A扫描的简易数字测厚仪不是适用于任一腐蚀坑的发现或测量。

     4、MFL检出缺陷的可能性

  MFL方法使用了一排探头,相邻探头之间的探测范围是重叠的。任何漏磁信号检出的可能性依赖于漏磁场相对于噪声信号的振幅大小。换句话说,信噪比是决定缺陷检出的主要因素。影响信噪比的参数一些与检测设备的设计和操作相关,一些与底板条件,包括腐蚀坑的几何形状相关。

     设备参数 底板参数

     磁铁设计 底板材料

     探头类型和排列 扫描面条件

     检测速度控制 扫描面的覆盖层

     振动阻尼 清洁程度

     信号处理 腐蚀坑深度

     缺陷提示 腐蚀坑体积

     腐蚀坑形状

     5.1、设备

     5.1.1、磁铁设计 .

  磁铁要有足够的磁场强度才能使被测试材料里的磁通密度接近饱和。当磁极和测试面之间的距离(提离)没有太大的变化时,设计的支架需要使磁铁系统能沿着起伏的扫描面移动。毫无疑问,使用电磁铁的好处之一是在不同厚度材料或提离变化的条件下,磁场强度可以通过调节来补偿。另一个实用的好处是在测试表面上能够关闭磁场,帮助重新移动扫描头部装置。它的主要缺点是其尺寸和重量。鉴于此,设计磁铁时,许多扫描仪使用了钕-铁-硼磁铁。它能形成紧凑的扫描头部装置,其适用的壁厚≤12.5mm;如果降低灵敏度使用,其适用的壁厚≤20mm。如果能设计一个又合适、又安全、又能在测试面上方便放置和重新移动支架系统,它适用的壁厚可能会更大。

     5.1.2、探头类型和排列

  普遍使用的探头有线圈和霍尔效应元件两种类型。在任何情况下,相邻排列的两个探头之间的距离应该较小,确保探头的探测范围没有间隙。如果为了消除噪声信号而使用了差动线圈探头,那么在排列时应该考虑实际的情况:穿过该列探头的漏磁场可能被扩大到了3-4倍的腐蚀坑直径,而且仅存在沿扫描方向的腐蚀坑直径附近。

  在给定的漏磁场中,线圈探头中产生电势信号与磁力线切线方向的速率呈一定的函数关系。线圈和扫描仪前进速度呈数字变化函数关系。因此,在设备设计时应考虑到线圈类型探头的速度敏感性。线圈比一些霍尔效应元件对提离变化更加灵敏。线圈探头的一个独特优势是扫描仪在加速和减速状态下产生的强涡流对其的影响低于对霍尔效应元件探头的影响。

  在原理上,霍尔效应元件探头对速度变化具有较低的敏感性,如果用滤波进行信号处理,用以消除低频和高频的伪信号,则要对通过上下限幅器的波段设置一些速度变化的限制条件。当这些装置用于发现漏磁场水平方向分量时,相对来说,它们对上面所提到的涡流信号不敏感,但像线圈探头,对提离变化是相当敏感的。当用于发现漏磁场垂直方向分量时,它们对提离变化不太灵敏,但对涡流信号非常敏感。然而,这种装置的一个优点是在探测器套和测试面间有一个很大的可以调节的空间,从而减少了探测器套的磨损,探测器套也可清除一些表面疵点,如焊接飞溅。

     5.1.3、速度控制

  各种类型的探头在一定程度上对速度的控制是必要的,但使用线圈探头时,控制程度要低一些。

     5.1.4、振动阻尼

  背景噪声和伪信号的一种来源归因于扫描面的表面粗糙度。这在储罐底板和没有覆盖层的地上管道表面是非常常见的。在那些表面上产生的腐蚀导致了扫描支架上磁体和探头系统振动,因而产生噪声,它可以通过三种方法来消除:使用合适宽度的轮子,使用联合减振器和根据该振动频率比缺陷信号的频率高这一特点而进行信号处理。

     5.1.5、信号处理

  由于从漏磁场获得的信号相对较小,因此信号需要放大。它们也需要与不想要的噪声区别对待。通过滤波器波段排除低频(涡流)和高频(振动)噪声。所有的残留噪声能被设置的缺陷检测阀值电路计算,或者在探测的动态显示情况下,通过操作者来评估总体的噪声水平。

     5.1.6、缺陷提示

  目前,缺陷能引起操作者注意的方式有三种:

  1、自动停止(Auto stop) 遇到腐蚀坑,且信号显示探头发现了该腐蚀坑时,扫描仪自动停止。直到操作者取消该显示之前,扫描仪不会重新扫描。操作者在腐蚀坑所在的底板上做上记号,以便随后对腐蚀坑深度进行测量。

  2、动态显示(Dynamic display) 操作者观察动态显示的信号,该信号的总体噪声水平预示腐蚀坑是否存在。操作者可能被触动了预置极限值的声音或图形报警器提示。操作者在腐蚀坑所在的底板上做上记号,以便随后对缺陷深度进行测量。

  3、计算机数据采集(Computer data acquisition) 为了后期的分析和报告储存检测数据,一些系统使用了计算机。这可能包含允许用色标表示材料减薄来绘制储罐底板简图的软件。操作者可以在每次扫描结束时存取数据,这是为了标示有缺陷的底板,以便随后检查结果的可重复性。

  5.2、底板

     5.2.1、材料

  很显然,铁磁性材料对MFL是需材,但铁磁性材料的渗磁性会影响检测结果。与装置配套使用的标样板或标样管应是用与被检测设备相同等级钢材制造。储罐底板的材质一般已不成问题,因为储罐在建造时采用了低碳中强钢。更需注意的是选择标样管时应确保选择正确的钢材等级。对一个特定的磁场条件,材料的厚度将影响磁场能够达到饱和的程度,从而影响特定腐蚀坑在该漏磁场中的信号振幅。

     5.2.2、扫查表面条件

  扫查表面应干净并清除杂物(特别是从储罐顶落下的腐蚀物)。表面粗糙度可能导致振动噪声,扫描时需要设置相对高的阀值(降低了缺陷检出灵敏度)。在具有较薄的塑料覆盖层(大约1mm)表面扫描时也能降低灵敏度。其它不规则部位,如被磨平的焊接飞溅或返修焊缝部位将有很大的伪指示信号。这些信号也需储存,因为漏磁检测(MFL)方法不能区分是扫查表面的腐蚀坑显示还是这些细微部分的显示,但相对材料壁厚50%深的缺陷或更深的缺陷,漏磁检测(MFL)方法对这些具体的表面腐蚀坑具有较高的灵敏度。

     5.2.3、扫查表面的覆盖层

  MFL的一个主要的优点是能在相当厚度的表面覆盖层上扫查并能保持合理的灵敏度。在6.32mm厚的底板上,在玻璃纤维覆盖层厚达6mm的情况下,MFL能够进行检测,能够检出20%壁厚减薄部位。

     5.2.4、清洁程度

  相对于UT,地板表面的条件对MFL的影响较小,但较厚肋骨标尺能产生伪信号,腐蚀物聚集到磁极能通过探头产生破裂的伪信号。清除表面杂物并用水冲洗表面就足够了。

     5.2.5、腐蚀坑深度

  在距上述条件表面一定距离时,腐蚀坑的深度是影响漏磁信号振幅的一个主要因素。腐蚀坑的体积和形状也能影响该信号的振幅,这将在本文的后面讨论。但在给定的条件下,漏磁场信号的振幅能用来评定壁厚损失的百分比从而减少了需要的复查量。

     5.2.6、腐蚀坑体积

  在其它地方曾论述了腐蚀坑的体积是影响信号振幅重要的因素,这是对MFL检出的缺陷结果不能定量的原因。由于这些论点的论述单调,我们决定在腐蚀缺陷上借助技术模型和一些经验性的尝试,深入的研究腐蚀坑的体积和深度对振幅的影响。制作了一系列设定深度和不同体积的腐蚀坑模型。在板厚6.35mm、40%、50%和60%壁厚深的条件下,腐蚀坑的体积和磁感应强度的变化关系曲线。它说明了腐蚀坑体积增减时对信号振幅大小的影响。因此建议:对于典型储罐的"锥型"和"湖型"腐蚀坑,单独使用MFL能合理准确的检测出严重的"复合"腐蚀。然而,"柱型"腐蚀坑,例如硫化物(SRB)腐蚀,可能会获得不准确的结果,"柱型"腐蚀坑的体积对应的曲线部分聚集在一起。

     5.2.7、腐蚀坑形状

  制作试板时,人们普遍选择机械加工简单形状模拟缺陷,如钻平底孔(借助于超声波试板制作方法)或简单的锥形槽。腐蚀坑的形状对漏磁场的影响是显而易见的。从其剖面看,由于腐蚀坑通常是以某种方式呈"梯形"发展,出于标样目的,我们使用了人工模拟梯形缺陷形状。上述经验所示的经验结果已经被用来校准MFL的应用系统。

     5.2.8、人员因素

  与其它无损探伤(NDT)方法一样,必须考虑人的检测评估能力,对于外界环境不好的储罐更是如此。储罐内部黑、脏且有储存介质留下的异味,随着储罐所处位置和季节的变化,其内部温度有时非常热(+50℃),有时非常冷(-20℃)。因此,根据操作者的要求,制造仪器的基本思想是仪器尽可能的轻。但操作者也必须尽可能的维护好装置,并精确的完成校验程序。

     5.3、MFL检出坑状腐蚀可能性(POD)概要

  在一定条件下,MFL方法检出缺陷的概率是相当高的。训练有素且尽责的操作者使用维护良好的设备在干净、无坑洼的表面检测时,壁厚至10mm材料、减薄20%(有时低于10%)能够被准确的检出。在不太干净的表面检测,壁厚至13mm、减薄40%能被检出。在上述条件内,MFL能以0.5m/s的速度扫查,一次扫查宽度150mm至450mm。与UT相比,表面条件对MFL的影响较小,大部分漏磁检测系统很少要求操作者步步跟随操作。

     6、UT检出坑状腐蚀的可能性

  UT对坑状腐蚀的检出程度同样取决于很多因素。因为该方法比MFL慢,同样带网格屏幕逐点检查的方法才被广泛用于管道弯头冲蚀检测。很显然,使用这种技术检出单个麻点的可能性可以忽略不计。现在优先选择的是二维扫描技术,它能手动直接接触扫描,或用冲水探头自动扫描。典型坑状腐蚀提供的适合超声波目的的反射面一般很少,操作者要能够理解信号参数含义,避免误判。正因如此,简易的数字测厚仪不适合腐蚀检测。优先选择了具备A-扫描功能的仪器,这种仪器优于B扫描和C扫描仪器。与MFL一样,超声波探伤时,影响其坑状腐蚀检出可能性的因素包括相关的仪器与技术、相关的底板和可能存在的腐蚀坑。

     设备参数 底板参数

     缺陷检波器 底板厚度

     探头类型 扫描表面条件

     耦合方法和耦合剂类型 底板覆盖层

     扫描技术 缺陷特征

     校正  

     训练和经验  

     6.1、仪器

     6.1.1、缺陷探测器

  作为最低的要求,它应有A扫描显示,但如在设备上使用了为C扫描仪和B扫描仪生产的数据储存技术,这会大大的提高缺陷检出的可能性。特别验证了这些仪器在检测时需要连续耦合。

     6.1.2、探头类型

  在许多情况下,被检验的材料厚度不超过10mm,扫查表面也不十分光滑。这意味着单晶探头的首脉冲将占据正常壁厚信号很重要的一部分,因此在这种情况下,这种探头不适用这种条件。而双晶探头克服了这个问题,但记住在探头设计时,要考虑接受装置能够接受到发射能量的合适距离。清楚的表示了在这个距离以外,会获得振幅缩小的反射信号,即使当缺陷反射面平坦,而且平行于扫查表面时也是如此。操作者应特别意识到腐蚀坑是非理想反射体的可能情况,当内壁反射波"丢失"时,应准备调节增益。遇到粗糙的表面,它将会迅速的磨损探头上的有机玻璃接触面,从而改变了入射角,因此在探头装一个耐磨圈是必要的。晶体尺寸(直径)应在10mm至15mm之间。

     6.1.3、耦合方法和类型

     目前,超声波和材料耦合的方法有两种。对于手动扫描,使用了直接接触耦合的方法;对于自动和半自动扫描,优先选择了冲水耦合。在任一情况下,耦合的基本要求是能够"润湿"测试表面。手动扫描耦合时,需要使用适当的胶体;冲水耦合剂时,也可能需要在其中加入润湿剂(肥皂)。

     6.1.4、扫描技术

  显而易见,在网格屏幕上逐点读数仅适用大面积的腐蚀检测,对单个麻点是没有意义的。因此,运用二维扫描技术是相当必要的,其探头的有效范围要能有效的交迭,以确保扫查面完全覆盖。手动扫描使用相匹配的快速位移探头比又慢又辛苦的方式去接近缺陷部位要好的多。这是因为人眼对屏幕上的信号突变(移动)有条件反射。因此,一旦腐蚀坑被探测到,就可以对腐蚀坑的深度进行更加仔细的研究。

     6.1.5、校正

  使用超声波手动扫描时,对于其在检测状态下发现的缺陷,在检测的底板上选择一个已知正常的壁厚部位来校正缺陷探测器。然后在时基3、6和9刻度处设置3次反射波显示位置。调节增益使第三次反射波能达到80%的满屏高。此后,用前面所述的快速运动扫描,在所获得的3次反射波上,耦合衰减将表示为同一个垂直下降量。存在的缺陷信号的总体移动显示依次递减(第三次、第二次然后是第一次反射波)并趋向于零。经过练习,眼睛是能够准确的识别这些图形。

     6.1.6、训练和经验

  腐蚀坑的检测比简单的厚度测试、或者比冲蚀或叠层的检测要难得多。当使用了时基校正 且仅能显示一次反射波的慢速扫描技术时,部分操作者对于低反射率的腐蚀坑,如锥型腐蚀 坑,存在漏检的倾向。当操作者恰好遇到一个腐蚀坑时,常出现"丢失"信号现象,这归因于扫查表面条件恶劣。腐蚀检测时,要求进行特殊的训练和经验。

     6.2、底板

     6.2.1、厚度

  使用超声波方法时,较薄的壁厚是存在的主要困难。从低于6mm厚的底板一个良好的反射体上获得的信号与前面叙述一样的衰减。操作者须意识到这要求更大的增益。与MFL相比,对于较厚部位(12mm以上),超声波方法的测试距离不太受约束,但其缺陷检出的可能性受到了腐蚀坑形状和反射率的限制。

     6.2.2、扫查表面条件

  与MFL相比,UT对扫查表面条件更加敏感。这适用于接触扫描和冲水间隙扫描。耦合层的反射产生了使时基部分模糊的"噪声"。由于在耦合层的声速是在受检材料中声速的四分之一,缺陷顶面可能给出清晰的反射波显示剩余壁厚。表示一个1mm深的湖型腐蚀坑,其底部反射波位置相当于在4mm厚钢材上的反射。如果不注意,操作者可能会报告在10mm厚的板材内侧一个6mm深腐蚀坑被发现(60%误差)。自动扫描系统和半自动扫描系统无论是否使用界面触发器或回波监控器,对同样的腐蚀坑一样会被曲解。

     6.2.3、底板覆盖层 ·

  在提供的超声波探伤时新存在少数难题中,相比之下,油漆和环氧树脂覆盖底板还是具有很好条件的覆盖层。如果用回波技术来排除漆层厚度误差,则剩余壁厚的测量精确度会被提高。检测时,较厚的玻璃纤维覆盖层存在更多的问题。尽管在理论上,如果支持覆盖物的金属表面状况很好,在不拆除覆盖层的情况下,检测是可行的,但很少适用于检测实践。

     6.2.4、腐蚀坑参数

  容易检出的缺陷是湖型腐蚀坑,因为其深部位相对平行于扫查表面,能够得到合理的反射率。在另一方面,锥型腐蚀坑往往是反射波偏离探头接受器,腐蚀坑的中心区域太小不能得到较强的信号。这些腐蚀坑很容易被超声波探伤人员漏检。常见的一种叠层面是很好的反射体,缺陷能被检出,但其深度被低估。柱型腐蚀坑,如硫化物(SRB)腐蚀,存在很小的、用于超声波传送的反射体,它的检出也一样困难。在腐蚀坑反射率有利的部位,超声波方法比漏磁方法更能够发现较小的厚度变化,但由于腐蚀余量经常是壁厚的50%,因此这个优点不一定在任何情况下都是重要的。

     6.3、UT检出坑状腐蚀可能性(POD)概要

  在条件好的扫查表面,湖型腐蚀坑具有较高检出可能性。对于条件差的扫查表面和锥型腐 蚀坑,检出的可能性不太令人满意。使用具有数据储存和至少能用颜色表示不同厚度"波段" 的C扫描显示的自动化技术,在一定程度上,能提高腐蚀坑检出的可能性(POD)。

     7、一些实践结论

  经漏磁检测(MFL)后,将储罐底部的部分底板切除。该部分底板取自在检测报告中底板 下面有腐蚀的区域和腐蚀没有超过壁厚20%的区域。其中一部分底板使用了SilverWing公司 的"Floormap"系统,该系统能绘制底板图,用不同颜色标示出腐蚀情况,每一种颜色代表一定"波段"的壁厚损失百分数。腐蚀部位受到了机械加工缺陷深度尺寸的影响,将其结果与MFL报告结果作了比较。所发现的腐蚀坑包含了"湖型""锥型"腐蚀坑例子,在腐蚀坑所在的大致位置对应于扫查面的另一侧做上标记,要求两组UT人员进行检测标出腐蚀坑位置并测试其深度。从平均水平看,MFL系统对腐蚀坑缺陷深度高估了10%,而超声波方法低估了10%。但有一个超声组漏检了两个被标示的、平滑的腐蚀坑。

     8、结论

  两种方法能够合理检测,且能将腐蚀坑检出的有效厚度检测范围是有限的。在前面叙述的MFL检测条件内,MFL对单个缺陷检出可能性要好于UT,也比UT快,因此更经济。缺陷深度测量精确度方面,通过比较,这两种方法具有相同的百分数的误差。由于存在底板材料可能不是中强钢的偶然性,从而底板可能存在不同于标样板的渗磁性,因此,在确认MFL腐蚀坑深度评估结果前,要用UT对MFL结果至少要进行有限的复查。


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