一種在線評(píng)測(cè)FSM電極焊接的方法

談云駿 郝 敏 廖俊必

(四川大學(xué)測(cè)控系，四川 成都 610065)

0 引言

FSM(Field Signature Method)即電指紋法，是一種以歐姆定律為理論基礎(chǔ)，敏感非介入式的，通過(guò)感應(yīng)電流來(lái)監(jiān)測(cè)金屬腐蝕的方法。最初被開(kāi)發(fā)用以監(jiān)測(cè)沿海鋼套焊接區(qū)裂紋的發(fā)展并取得了重要資料：FSM亦可被用在監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部腐蝕上，且容易實(shí)施[1]。和傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)法相比，F(xiàn)SM有以下優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有監(jiān)測(cè)元件暴露在外；沒(méi)有將雜質(zhì)引入管道；腐蝕速度的監(jiān)測(cè)直接而有效；裝配和維護(hù)時(shí)沒(méi)有泄漏的危險(xiǎn)；敏感性和靈活性較好。

FSM監(jiān)測(cè)管道腐蝕原理如圖1所示：兩電流激勵(lì)點(diǎn)輸出恒流電，在待測(cè)管道壁形成電場(chǎng)，任何管道壁上發(fā)生的金屬損失、潰裂和凹陷都會(huì)對(duì)被測(cè)位置的電場(chǎng)產(chǎn)生影響。通過(guò)被測(cè)位置上附著的電極，可以采集到電場(chǎng)變化的數(shù)據(jù)，然后使用軟件分析，從而對(duì)各種腐蝕以及它們的擴(kuò)展情況進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)。由此可見(jiàn)，測(cè)量電極在整個(gè)FSM腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要意義，只有保證測(cè)量電極焊接有效，才能保證整個(gè)測(cè)量的結(jié)果有效。

圖1 FSM原理簡(jiǎn)圖

1 FSM電極焊接

1.1 FSM電極焊接方法

根據(jù)FSM系統(tǒng)的應(yīng)用要求，測(cè)量電極矩陣的布置面積需要較大，且采集的電壓數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，故而電極宜選擇截面積較小的螺釘，且具有良好導(dǎo)電性。同時(shí)考慮到電極材料的可焊接性以及穩(wěn)固性，最后選擇了201不銹鋼螺釘作為FSM測(cè)量電極。

如圖2所示，我們使用電弧螺柱焊機(jī)對(duì)FSM測(cè)量電極進(jìn)行焊接，其原理是在待焊螺柱與板件表面(或管道壁)間引燃電弧，當(dāng)螺柱與板件表面被加熱到合適溫度時(shí)，在外力作用下，螺柱送入板件表面上的焊接熔池形成焊接接頭。

圖2 FSM電極焊接

圖3 彎曲檢驗(yàn)法

1.2 現(xiàn)有焊接評(píng)價(jià)法及其不足

現(xiàn)有的FSM電極焊接評(píng)價(jià)方法主要包括兩種：彎曲檢驗(yàn)法和低電阻測(cè)試法。

彎曲檢驗(yàn)法是指當(dāng)電極焊接完畢后使用榔頭敲擊螺柱，如圖3所示，當(dāng)螺柱有一定的角度形變后，檢查其與板件表面的焊接處：若出現(xiàn)螺柱頸部裂紋且管道壁被撕裂的情況，則證明螺柱焊接達(dá)到了使用強(qiáng)度，反之，當(dāng)螺柱頸部裂紋但管道壁未被撕裂時(shí)，則證明焊接未達(dá)到要求[2]。

低電阻測(cè)試法是指采用直流低電阻測(cè)量?jī)x檢測(cè)相鄰螺柱電極之間的電阻，通過(guò)電阻的高低判斷是否出現(xiàn)虛焊的情況。由于焊接所采用的螺柱導(dǎo)電性良好，引入的電阻較小，則所測(cè)得的電阻應(yīng)較??；當(dāng)測(cè)量得到的電阻較大時(shí)，可認(rèn)為焊接出現(xiàn)問(wèn)題。

雖然采用這兩種方法能很好地對(duì)焊接情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是它們?cè)趯?shí)際使用過(guò)程中仍顯得不足：彎曲檢驗(yàn)法通過(guò)敲擊的方式檢驗(yàn)焊接情況，雖然直觀有效，但是可能對(duì)管道壁產(chǎn)生破壞性；而低電阻測(cè)試法雖然不會(huì)對(duì)管道壁產(chǎn)生影響，但是當(dāng)管道壁上布置的測(cè)量電極較多時(shí)，測(cè)量過(guò)程會(huì)顯得很麻煩；并且這兩種方法都只能在管道未被埋入時(shí)才能使用，無(wú)法做到在線測(cè)量。

2 相關(guān)性評(píng)價(jià)法

2.1 原理分析

FSM的本質(zhì)是監(jiān)測(cè)管道由于腐蝕而產(chǎn)生的電阻變化，當(dāng)測(cè)量電極之間發(fā)生腐蝕時(shí)，兩電極之間的電阻將會(huì)增大。因此可以將管道抽象為一個(gè)如圖4的環(huán)形電阻網(wǎng)絡(luò)，每對(duì)測(cè)量電極之間為一電阻，一電阻對(duì)應(yīng)一測(cè)量區(qū)域，當(dāng)管道足夠長(zhǎng)時(shí)，可認(rèn)為電流是均勻的[3]。

圖4 管道環(huán)形電阻網(wǎng)絡(luò)

圖5 電阻網(wǎng)絡(luò)子單元格

如圖5所示，抽出電阻網(wǎng)絡(luò)的一子單元格進(jìn)行分析。假定流經(jīng)R1和R2的電流分別為I1和I2，一般情況下，在較短的時(shí)間內(nèi)，管道壁腐蝕量可以忽略，則電阻網(wǎng)絡(luò)中電流不會(huì)發(fā)生變化，即R1、R2和I1、I2均不會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)歐姆定律，可知(U1-U4)/(U2-U1)=R1I1/R2I2，其中R1I1/R2I2為常數(shù)，則U1-U4和U2-U1之間存在線性相關(guān)，同理可知，U1-U4和U4-U3、U4-U3和U3-U2、U3-U2與U2-U1之間均存在線性相關(guān)。推而廣之，在整個(gè)環(huán)形電阻網(wǎng)絡(luò)中，電極對(duì)測(cè)量電壓之間均是線性相關(guān)的。

如圖6所示，隨機(jī)選擇6對(duì)焊接可靠的電極，繪制它們所測(cè)得的500個(gè)電壓數(shù)據(jù)的觀測(cè)曲線。從觀測(cè)曲線上可以清晰地看出，測(cè)得電壓數(shù)據(jù)之間存在著很高的相關(guān)性，這側(cè)面印證了前文的推導(dǎo)。

而在焊接過(guò)程中，不達(dá)標(biāo)的焊接可能導(dǎo)致接觸不良或引入噪聲源，從而影響電極對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。據(jù)此，可通過(guò)測(cè)量電壓相關(guān)分析的方法，對(duì)電極焊接的情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖6 觀測(cè)電壓數(shù)據(jù)曲線

2.2 相關(guān)分析

相關(guān)分析(correlation analysis)是研究現(xiàn)象之間是否存在某種依存關(guān)系，并對(duì)具體有依存關(guān)系的現(xiàn)象探討其相關(guān)方向以及相關(guān)程度，是研究隨機(jī)變量之間的相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)方法。兩變量樣本集X、Y之間的線性相關(guān)程度可以用相關(guān)系數(shù)R表示，其計(jì)算公式為：

其中，-10時(shí)，表示X、Y之間正相關(guān)，R越大，相關(guān)性越強(qiáng)；當(dāng)R<0時(shí)，表示X、Y之間負(fù)相關(guān)，R越小，相關(guān)性越強(qiáng)。通過(guò)上文所述，測(cè)量電壓之間應(yīng)該存在相關(guān)性很強(qiáng)的正相關(guān)。

選取實(shí)驗(yàn)中布置好的電極矩陣，并確保螺柱焊接可靠。將測(cè)得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，如圖7所示，其中行表示第幾次的測(cè)量數(shù)據(jù)，列表示第幾對(duì)電極的測(cè)量數(shù)據(jù)。選取測(cè)量得到的1000組電壓數(shù)據(jù)，求取其相關(guān)系數(shù)，得表1。

表1中，“1&2”表示測(cè)量數(shù)據(jù)給定行的第1列與第2列之間的相關(guān)系數(shù)，依此類推；“6&1”表示給定行的第6列與下一行的第1列之間的相關(guān)系數(shù)；因最后一行最后一列后無(wú)數(shù)據(jù)，故求其與第一行第一列的相關(guān)系數(shù)。

從表1中可以看出，各測(cè)量數(shù)據(jù)列之間的相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，證明其存在著很高的相關(guān)性，在電路正常的情況下，可以推斷螺柱的焊接是有效的。

為了驗(yàn)證相關(guān)分析的有效性，在測(cè)量矩陣的最后一行最后一列螺釘后再加入一顆焊接不合理的螺釘，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與其前一數(shù)據(jù)求取相關(guān)系數(shù)，得0.139，接近與0，說(shuō)明幾乎不相關(guān)，證明該螺釘?shù)暮附邮遣豢煽康?。通過(guò)低電阻測(cè)試法測(cè)量該螺釘與其相鄰螺釘之間的電阻，發(fā)現(xiàn)其電阻值在10m?左右，而且波動(dòng)很大，而其余的螺柱之間電阻均在0.50m?以下，進(jìn)一步說(shuō)明相關(guān)性評(píng)測(cè)法的有效。

表1 相關(guān)系數(shù)表

圖7 Excel實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)

2.3 查詢不可靠螺釘位置

由上述分析可知，通過(guò)相關(guān)系數(shù)表可以查看螺釘焊接的情況，但是表的數(shù)據(jù)較多，通過(guò)直觀分辨的方法難免出現(xiàn)偏差，故而需要定量地去分析。將整個(gè)相關(guān)系數(shù)表視為一個(gè)測(cè)量列，而出現(xiàn)螺釘焊接不可靠的位置為一個(gè)粗大誤差，只需要通過(guò)剔除粗差的方法，即可尋找到該位置。

目前，剔除粗差的方法主要包括萊以特準(zhǔn)則、格羅布斯準(zhǔn)則、羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則、狄克遜準(zhǔn)則。這四種方法，其中萊以特準(zhǔn)則適合測(cè)量次數(shù)較多的測(cè)量列且無(wú)需查表，但在測(cè)量次數(shù)較少的情況下可靠性不高。對(duì)于測(cè)量次數(shù)較少的測(cè)量列，宜采用后三種方法，其中以格羅布斯準(zhǔn)則的可靠性最高，通常次數(shù)在20至100之間判別效果最佳[4]。鑒于此，可采用格羅布斯準(zhǔn)則查詢不可靠螺釘位置。圖8為格羅布斯準(zhǔn)則matlab查詢程序。

輸入一組相關(guān)系數(shù)驗(yàn)證數(shù)據(jù)測(cè)試程序有效性，輸出得到index=[42 43]，則表示在輸入數(shù)據(jù)的P8-1處的出現(xiàn)問(wèn)題，而事實(shí)上輸入的驗(yàn)證數(shù)據(jù)在P8-1采集數(shù)據(jù)列與前后的相關(guān)系數(shù)為0.124和0.137，證明了程序是有效的。

當(dāng)然，不排除極端情況，即所有的或者大部分的焊接都存在問(wèn)題。這種情況下時(shí)，相關(guān)系數(shù)矩陣中較大的項(xiàng)會(huì)很少，采用以上程序未必有效。但此時(shí)，相關(guān)系數(shù)大部分較小，可以直觀地判斷出來(lái)問(wèn)題。這種情況多數(shù)是由于設(shè)備問(wèn)題造成的。

3 結(jié)論

FSM測(cè)量電極的焊接是FSM腐蝕測(cè)量中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，焊接的好壞直接關(guān)系到所采集數(shù)據(jù)的優(yōu)劣。

本文通過(guò)FSM的基本原理推導(dǎo)出了電極測(cè)量數(shù)據(jù)之間在無(wú)腐蝕情況下的相關(guān)特性，采用相關(guān)分析的方法對(duì)電極焊接情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并使用格羅布斯準(zhǔn)則查詢焊接不可靠處的位置。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于腐蝕速度相對(duì)緩慢，我們可以視短期內(nèi)為無(wú)腐蝕，采用短期內(nèi)多次采樣的方法，求取相關(guān)系數(shù)驗(yàn)證螺釘焊接情況，同時(shí)也可以查明螺釘或線路在使用過(guò)程中是否發(fā)生故障。該方法便捷有效，可以較為方便地通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，適合于在線評(píng)測(cè)，彌補(bǔ)了彎曲檢測(cè)法和低電阻測(cè)試法的局限性，這對(duì)深入研究FSM腐蝕監(jiān)測(cè)有較高的應(yīng)用意義。

圖8 格羅布斯準(zhǔn)則matlab查詢程序

[1]Roe D.Strommen H,Horn K R.A unique method for monitoring corrosion of steel piping and vessels[J].Material Performance,1993, 32(3):50-55.

[2]張昆, 趙永瑞等. FSM電極焊接方法與評(píng)價(jià)[J]. 全面腐蝕控制,2012, 26(2):11-13.

[3]甘芳吉, 萬(wàn)正軍等. 基于場(chǎng)指紋法的金屬管道小腐蝕坑的監(jiān)測(cè)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2013, 34(9):2087-2094.

[4]費(fèi)業(yè)泰. 誤差理論與數(shù)據(jù)處理(第4版)[M]. 北京: 機(jī)械工程出版社, 2000:48-52.