鐵磁性板材和管材的坑狀腐蝕檢測時漏磁方法和超聲波方法比較

1、概述

　　漏磁檢測(MFL)和超聲波探傷(UT)已被廣泛應用于鐵磁性板材和管材的坑狀腐蝕檢測。用戶和檢測人員對這些方法的靈敏度和度有著不同的理解和期望。本文討論了這兩種方法的基本原理及它們對缺陷檢出的可能性(POD)和度的影響。

      2、坑狀腐蝕

　　腐蝕的機理和類型有很多。在這里，我們專門討論儲罐底部與防水層之間的腐蝕或儲罐內部介質水分的腐蝕。在二十世紀六十年代，用于管道系統沖蝕的超聲波探傷是相當成功的，它給人一種能準確檢出坑狀腐蝕的錯覺。為了幫助理解這種差異，現舉例說明沖蝕和一些典型的腐蝕形狀。

　　沖蝕、典型的"湖型"和"錐型"腐蝕坑。這種記錄腐蝕的形成步驟或是其"梯式"發展形式很有意義。在儲罐底板上一般發現的是"湖型"和"柱型"腐蝕，它們形成的普遍原因是濕氣進入了底板與防水層(底板外側)之間，或是儲存的產品中有水分(底板內側)。柱型坑相對來說是不常見的，通常是介質中水分和硫化物(SRB)綜合產生的結果。

      3、方法原理

　　MFL和UT的原理在其它地方己做過詳細敘述，出于本文的目的，在此僅做簡要描述。

　　MFL的基本原理。裝在支架上的磁鐵在板材或管壁上產生強的感應磁場。若板材或管壁存在腐蝕缺陷，在其相應的表面形成漏磁場。在磁極之間放置一排探頭探測該漏磁場。探頭通常采用霍爾元件或線圈。而且每種類型的探頭都有其優勢和局限性。

　　脈沖反射波原理的簡易UT裝置，它使用了雙晶探頭。在這種結構里，一個晶體是發送器，另一個晶體是接受器。發送器獨立于接受電路，以便A掃描發現的缺陷傳送信號能自由顯示。測試到板材或管材減薄區域時，傳送的脈沖結果不應使個內壁反射波模糊不清。因此，我們將明白沒有A掃描的簡易數字測厚儀不是適用于任一腐蝕坑的發現或測量。

      4、MFL檢出缺陷的可能性

　　MFL方法使用了一排探頭，相鄰探頭之間的探測范圍是重疊的。任何漏磁信號檢出的可能性依賴于漏磁場相對于噪聲信號的振幅大小。換句話說，信噪比是決定缺陷檢出的主要因素。影響信噪比的參數一些與檢測設備的設計和操作相關，一些與底板條件，包括腐蝕坑的幾何形狀相關。

      設備參數 底板參數 

      磁鐵設計 底板材料 

      探頭類型和排列 掃描面條件 

      檢測速度控制 掃描面的覆蓋層 

      振動阻尼 清潔程度 

      信號處理 腐蝕坑深度 

      缺陷提示 腐蝕坑體積 

      腐蝕坑形狀 

      5.1、設備

      5.1.1、磁鐵設計 ．

　　磁鐵要有足夠的磁場強度才能使被測試材料里的磁通密度接近飽和。當磁極和測試面之間的距離(提離)沒有太大的變化時，設計的支架需要使磁鐵系統能沿著起伏的掃描面移動。毫無疑問，使用電磁鐵的好處之一是在不同厚度材料或提離變化的條件下，磁場強度可以通過調節來補償。另一個實用的好處是在測試表面上能夠關閉磁場，幫助重新移動掃描頭部裝置。它的主要缺點是其尺寸和重量。鑒于此，設計磁鐵時，許多掃描儀使用了釹-鐵-硼磁鐵。它能形成緊湊的掃描頭部裝置，其適用的壁厚≤12.5mm；如果降低靈敏度使用，其適用的壁厚≤20mm。如果能設計一個又合適、又安全、又能在測試面上方便放置和重新移動支架系統，它適用的壁厚可能會更大。

      5.1.2、探頭類型和排列

　　普遍使用的探頭有線圈和霍爾效應元件兩種類型。在任何情況下，相鄰排列的兩個探頭之間的距離應該較小，確保探頭的探測范圍沒有間隙。如果為了消除噪聲信號而使用了差動線圈探頭，那么在排列時應該考慮實際的情況：穿過該列探頭的漏磁場可能被擴大到了3-4倍的腐蝕坑直徑，而且僅存在沿掃描方向的腐蝕坑直徑附近。

　　在給定的漏磁場中，線圈探頭中產生電勢信號與磁力線切線方向的速率呈一定的函數關系。線圈和掃描儀前進速度呈數字變化函數關系。因此，在設備設計時應考慮到線圈類型探頭的速度敏感性。線圈比一些霍爾效應元件對提離變化更加靈敏。線圈探頭的一個獨特優勢是掃描儀在加速和減速狀態下產生的強渦流對其的影響低于對霍爾效應元件探頭的影響。

　　在原理上，霍爾效應元件探頭對速度變化具有較低的敏感性，如果用濾波進行信號處理，用以消除低頻和高頻的偽信號，則要對通過上下限幅器的波段設置一些速度變化的限制條件。當這些裝置用于發現漏磁場水平方向分量時，相對來說，它們對上面所提到的渦流信號不敏感，但像線圈探頭，對提離變化是相當敏感的。當用于發現漏磁場垂直方向分量時，它們對提離變化不太靈敏，但對渦流信號非常敏感。然而，這種裝置的一個優點是在探測器套和測試面間有一個很大的可以調節的空間，從而減少了探測器套的磨損，探測器套也可清除一些表面疵點，如焊接飛濺。

      5.1.3、速度控制

　　各種類型的探頭在一定程度上對速度的控制是必要的，但使用線圈探頭時，控制程度要低一些。

      5.1.4、振動阻尼

　　背景噪聲和偽信號的一種來源歸因于掃描面的表面粗糙度。這在儲罐底板和沒有覆蓋層的地上管道表面是非常常見的。在那些表面上產生的腐蝕導致了掃描支架上磁體和探頭系統振動，因而產生噪聲，它可以通過三種方法來消除：使用合適寬度的輪子，使用聯合減振器和根據該振動頻率比缺陷信號的頻率高這一特點而進行信號處理。

      5.1.5、信號處理

　　由于從漏磁場獲得的信號相對較小，因此信號需要放大。它們也需要與不想要的噪聲區別對待。通過濾波器波段排除低頻(渦流)和高頻(振動)噪聲。所有的殘留噪聲能被設置的缺陷檢測閥值電路計算，或者在探測的動態顯示情況下，通過操作者來評估總體的噪聲水平。

      5.1.6、缺陷提示

　　目前，缺陷能引起操作者注意的方式有三種：

　　1、自動停止(Auto stop) 遇到腐蝕坑，且信號顯示探頭發現了該腐蝕坑時，掃描儀自動停止。直到操作者取消該顯示之前，掃描儀不會重新掃描。操作者在腐蝕坑所在的底板上做上記號，以便隨后對腐蝕坑深度進行測量。

　　2、動態顯示(Dynamic display) 操作者觀察動態顯示的信號，該信號的總體噪聲水平預示腐蝕坑是否存在。操作者可能被觸動了預置極限值的聲音或圖形報警器提示。操作者在腐蝕坑所在的底板上做上記號，以便隨后對缺陷深度進行測量。

　　3、計算機數據采集(Computer data acquisition) 為了后期的分析和報告儲存檢測數據，一些系統使用了計算機。這可能包含允許用色標表示材料減薄來繪制儲罐底板簡圖的軟件。操作者可以在每次掃描結束時存取數據，這是為了標示有缺陷的底板，以便隨后檢查結果的可重復性。

　　5.2、底板

      5.2.1、材料

　　很顯然，鐵磁性材料對MFL是需材，但鐵磁性材料的滲磁性會影響檢測結果。與裝置配套使用的標樣板或標樣管應是用與被檢測設備相同等級鋼材制造。儲罐底板的材質一般已不成問題，因為儲罐在建造時采用了低碳中強鋼。更需注意的是選擇標樣管時應確保選擇正確的鋼材等級。對一個特定的磁場條件，材料的厚度將影響磁場能夠達到飽和的程度，從而影響特定腐蝕坑在該漏磁場中的信號振幅。

      5.2.2、掃查表面條件

　　掃查表面應干凈并清除雜物(特別是從儲罐頂落下的腐蝕物)。表面粗糙度可能導致振動噪聲，掃描時需要設置相對高的閥值(降低了缺陷檢出靈敏度)。在具有較薄的塑料覆蓋層(大約1mm)表面掃描時也能降低靈敏度。其它不規則部位，如被磨平的焊接飛濺或返修焊縫部位將有很大的偽指示信號。這些信號也需儲存，因為漏磁檢測(MFL)方法不能區分是掃查表面的腐蝕坑顯示還是這些細微部分的顯示，但相對材料壁厚50%深的缺陷或更深的缺陷，漏磁檢測(MFL)方法對這些具體的表面腐蝕坑具有較高的靈敏度。

      5.2.3、掃查表面的覆蓋層

　　MFL的一個主要的優點是能在相當厚度的表面覆蓋層上掃查并能保持合理的靈敏度。在6.32mm厚的底板上，在玻璃纖維覆蓋層厚達6mm的情況下，MFL能夠進行檢測，能夠檢出20％壁厚減薄部位。 

      5.2.4、清潔程度

　　相對于UT，地板表面的條件對MFL的影響較小，但較厚肋骨標尺能產生偽信號，腐蝕物聚集到磁極能通過探頭產生破裂的偽信號。清除表面雜物并用水沖洗表面就足夠了。

      5.2.5、腐蝕坑深度

　　在距上述條件表面一定距離時，腐蝕坑的深度是影響漏磁信號振幅的一個主要因素。腐蝕坑的體積和形狀也能影響該信號的振幅，這將在本文的后面討論。但在給定的條件下，漏磁場信號的振幅能用來評定壁厚損失的百分比從而減少了需要的復查量。

      5.2.6、腐蝕坑體積

　　在其它地方曾論述了腐蝕坑的體積是影響信號振幅重要的因素，這是對MFL檢出的缺陷結果不能定量的原因。由于這些論點的論述單調，我們決定在腐蝕缺陷上借助技術模型和一些經驗性的嘗試，深入的研究腐蝕坑的體積和深度對振幅的影響。制作了一系列設定深度和不同體積的腐蝕坑模型。在板厚6.35mm、40%、50%和60%壁厚深的條件下，腐蝕坑的體積和磁感應強度的變化關系曲線。它說明了腐蝕坑體積增減時對信號振幅大小的影響。因此建議：對于典型儲罐的"錐型"和"湖型"腐蝕坑，單獨使用MFL能合理準確的檢測出嚴重的"復合"腐蝕。然而，"柱型"腐蝕坑，例如硫化物(SRB)腐蝕，可能會獲得不準確的結果，"柱型"腐蝕坑的體積對應的曲線部分聚集在一起。 

      5.2.7、腐蝕坑形狀

　　制作試板時，人們普遍選擇機械加工簡單形狀模擬缺陷，如鉆平底孔(借助于超聲波試板制作方法)或簡單的錐形槽。腐蝕坑的形狀對漏磁場的影響是顯而易見的。從其剖面看，由于腐蝕坑通常是以某種方式呈"梯形"發展，出于標樣目的，我們使用了人工模擬梯形缺陷形狀。上述經驗所示的經驗結果已經被用來校準MFL的應用系統。

      5.2.8、人員因素

　　與其它無損探傷(NDT)方法一樣，必須考慮人的檢測評估能力，對于外界環境不好的儲罐更是如此。儲罐內部黑、臟且有儲存介質留下的異味，隨著儲罐所處位置和季節的變化，其內部溫度有時非常熱(+50℃)，有時非常冷(-20℃)。因此，根據操作者的要求，制造儀器的基本思想是儀器盡可能的輕。但操作者也必須盡可能的維護好裝置，并的完成校驗程序。

      5.3、MFL檢出坑狀腐蝕可能性(POD)概要

　　在一定條件下，MFL方法檢出缺陷的概率是相當高的。訓練有素且盡責的操作者使用維護良好的設備在干凈、無坑洼的表面檢測時，壁厚至10mm材料、減薄20%(有時低于10%)能夠被準確的檢出。在不太干凈的表面檢測，壁厚至13mm、減薄40%能被檢出。在上述條件內，MFL能以0.5m/s的速度掃查，一次掃查寬度150mm至450mm。與UT相比，表面條件對MFL的影響較小，大部分漏磁檢測系統很少要求操作者步步跟隨操作。

      6、UT檢出坑狀腐蝕的可能性

　　UT對坑狀腐蝕的檢出程度同樣取決于很多因素。因為該方法比MFL慢，同樣帶網格屏幕逐點檢查的方法才被廣泛用于管道彎頭沖蝕檢測。很顯然，使用這種技術檢出單個麻點的可能性可以忽略不計?，F在優先選擇的是二維掃描技術，它能手動直接接觸掃描，或用沖水探頭自動掃描。典型坑狀腐蝕提供的適合超聲波目的的反射面一般很少，操作者要能夠理解信號參數含義，避免誤判。正因如此，簡易的數字測厚儀不適合腐蝕檢測。優先選擇了具備A-掃描功能的儀器，這種儀器優于B掃描和C掃描儀器。與MFL一樣，超聲波探傷時，影響其坑狀腐蝕檢出可能性的因素包括相關的儀器與技術、相關的底板和可能存在的腐蝕坑。 

      設備參數 底板參數 

      缺陷檢波器 底板厚度 

      探頭類型 掃描表面條件 

      耦合方法和耦合劑類型 底板覆蓋層 

      掃描技術 缺陷特征 

      校正   

      訓練和經驗   

      6.1、儀器

      6.1.1、缺陷探測器

　　作為更低的要求，它應有A掃描顯示，但如在設備上使用了為C掃描儀和B掃描儀生產的數據儲存技術，這會大大的提高缺陷檢出的可能性。特別驗證了這些儀器在檢測時需要連續耦合。

      6.1.2、探頭類型

　　在許多情況下，被檢驗的材料厚度不超過10mm，掃查表面也不十分光滑。這意味著單晶探頭的首脈沖將占據正常壁厚信號很重要的一部分，因此在這種情況下，這種探頭不適用這種條件。而雙晶探頭克服了這個問題，但記住在探頭設計時，要考慮接受裝置能夠接受到發射能量的合適距離。清楚的表示了在這個距離以外，會獲得振幅縮小的反射信號，即使當缺陷反射面平坦，而且平行于掃查表面時也是如此。操作者應特別意識到腐蝕坑是非理想反射體的可能情況，當內壁反射波"丟失"時，應準備調節增益。遇到粗糙的表面，它將會迅速的磨損探頭上的有機玻璃接觸面，從而改變了入射角，因此在探頭裝一個耐磨圈是必要的。晶體尺寸(直徑)應在10mm至15mm之間。

      6.1.3、耦合方法和類型

      目前，超聲波和材料耦合的方法有兩種。對于手動掃描，使用了直接接觸耦合的方法；對于自動和半自動掃描，優先選擇了沖水耦合。在任一情況下，耦合的基本要求是能夠"潤濕"測試表面。手動掃描耦合時，需要使用適當的膠體；沖水耦合劑時，也可能需要在其中加入潤濕劑(肥皂)。

      6.1.4、掃描技術

　　顯而易見，在網格屏幕上逐點讀數僅適用大面積的腐蝕檢測，對單個麻點是沒有意義的。因此，運用二維掃描技術是相當必要的，其探頭的有效范圍要能有效的交迭，以確保掃查面完全覆蓋。手動掃描使用相匹配的快速位移探頭比又慢又辛苦的方式去接近缺陷部位要好的多。這是因為人眼對屏幕上的信號突變(移動)有條件反射。因此，一旦腐蝕坑被探測到，就可以對腐蝕坑的深度進行更加仔細的研究。

      6.1.5、校正

　　使用超聲波手動掃描時，對于其在檢測狀態下發現的缺陷，在檢測的底板上選擇一個已知正常的壁厚部位來校正缺陷探測器。然后在時基3、6和9刻度處設置3次反射波顯示位置。調節增益使第三次反射波能達到80%的滿屏高。此后，用前面所述的快速運動掃描，在所獲得的3次反射波上，耦合衰減將表示為同一個垂直下降量。存在的缺陷信號的總體移動顯示依次遞減(第三次、第二次然后是次反射波)并趨向于零。經過練習，眼睛是能夠準確的識別這些圖形。

      6.1.6、訓練和經驗

　　腐蝕坑的檢測比簡單的厚度測試、或者比沖蝕或疊層的檢測要難得多。當使用了時基校正 且僅能顯示一次反射波的慢速掃描技術時，部分操作者對于低反射率的腐蝕坑，如錐型腐蝕 坑，存在漏檢的傾向。當操作者恰好遇到一個腐蝕坑時，常出現"丟失"信號現象，這歸因于掃查表面條件惡劣。腐蝕檢測時，要求進行特殊的訓練和經驗。

      6.2、底板

      6.2.1、厚度

　　使用超聲波方法時，較薄的壁厚是存在的主要困難。從低于6mm厚的底板一個良好的反射體上獲得的信號與前面敘述一樣的衰減。操作者須意識到這要求更大的增益。與MFL相比，對于較厚部位(12mm以上)，超聲波方法的測試距離不太受約束，但其缺陷檢出的可能性受到了腐蝕坑形狀和反射率的限制。

      6.2.2、掃查表面條件

　　與MFL相比，UT對掃查表面條件更加敏感。這適用于接觸掃描和沖水間隙掃描。耦合層的反射產生了使時基部分模糊的"噪聲"。由于在耦合層的聲速是在受檢材料中聲速的四分之一，缺陷頂面可能給出清晰的反射波顯示剩余壁厚。表示一個1mm深的湖型腐蝕坑，其底部反射波位置相當于在4mm厚鋼材上的反射。如果不注意，操作者可能會報告在10mm厚的板材內側一個6mm深腐蝕坑被發現(60％誤差)。自動掃描系統和半自動掃描系統無論是否使用界面觸發器或回波監控器，對同樣的腐蝕坑一樣會被曲解。

      6.2.3、底板覆蓋層 ·

　　在提供的超聲波探傷時新存在少數難題中，相比之下，油漆和環氧樹脂覆蓋底板還是具有很好條件的覆蓋層。如果用回波技術來排除漆層厚度誤差，則剩余壁厚的測量度會被提高。檢測時，較厚的玻璃纖維覆蓋層存在更多的問題。盡管在理論上，如果支持覆蓋物的金屬表面狀況很好，在不拆除覆蓋層的情況下，檢測是可行的，但很少適用于檢測實踐。

      6.2.4、腐蝕坑參數

　　容易檢出的缺陷是湖型腐蝕坑，因為其深部位相對平行于掃查表面，能夠得到合理的反射率。在另一方面，錐型腐蝕坑往往是反射波偏離探頭接受器，腐蝕坑的中心區域太小不能得到較強的信號。這些腐蝕坑很容易被超聲波探傷人員漏檢。常見的一種疊層面是很好的反射體，缺陷能被檢出，但其深度被低估。柱型腐蝕坑，如硫化物(SRB)腐蝕，存在很小的、用于超聲波傳送的反射體，它的檢出也一樣困難。在腐蝕坑反射率有利的部位，超聲波方法比漏磁方法更能夠發現較小的厚度變化，但由于腐蝕余量經常是壁厚的50％，因此這個優點不一定在任何情況下都是重要的。

      6.3、UT檢出坑狀腐蝕可能性(POD)概要

　　在條件好的掃查表面，湖型腐蝕坑具有較高檢出可能性。對于條件差的掃查表面和錐型腐 蝕坑，檢出的可能性不太令人滿意。使用具有數據儲存和至少能用顏色表示不同厚度"波段" 的C掃描顯示的自動化技術，在一定程度上，能提高腐蝕坑檢出的可能性(POD)。

      7、一些實踐結論

　　經漏磁檢測(MFL)后，將儲罐底部的部分底板切除。該部分底板取自在檢測報告中底板 下面有腐蝕的區域和腐蝕沒有超過壁厚20%的區域。其中一部分底板使用了SilverWing公司 的"Floormap"系統，該系統能繪制底板圖，用不同顏色標示出腐蝕情況，每一種顏色代表一定"波段"的壁厚損失百分數。腐蝕部位受到了機械加工缺陷深度尺寸的影響，將其結果與MFL報告結果作了比較。所發現的腐蝕坑包含了"湖型""錐型"腐蝕坑例子，在腐蝕坑所在的大致位置對應于掃查面的另一側做上標記，要求兩組UT人員進行檢測標出腐蝕坑位置并測試其深度。從平均水平看，MFL系統對腐蝕坑缺陷深度高估了10%，而超聲波方法低估了10%。但有一個超聲組漏檢了兩個被標示的、平滑的腐蝕坑。

      8、結論

　　兩種方法能夠合理檢測，且能將腐蝕坑檢出的有效厚度檢測范圍是有限的。在前面敘述的MFL檢測條件內，MFL對單個缺陷檢出可能性要好于UT，也比UT快，因此更經濟。缺陷深度測量度方面，通過比較，這兩種方法具有相同的百分數的誤差。由于存在底板材料可能不是中強鋼的偶然性，從而底板可能存在不同于標樣板的滲磁性，因此，在確認MFL腐蝕坑深度評估結果前，要用UT對MFL結果至少要進行有限的復查。