一种在线评测FSM电极焊接的方法

谈云骏 郝 敏 廖俊必

(四川大学测控系，四川 成都 610065)

0 引言

FSM(Field Signature Method)即电指纹法，是一种以欧姆定律为理论基础，敏感非介入式的，通过感应电流来监测金属腐蚀的方法。最初被开发用以监测沿海钢套焊接区裂纹的发展并取得了重要资料：FSM亦可被用在监测设备内部腐蚀上，且容易实施[1]。和传统的腐蚀监测法相比，FSM有以下优点：没有监测元件暴露在外；没有将杂质引入管道；腐蚀速度的监测直接而有效；装配和维护时没有泄漏的危险；敏感性和灵活性较好。

FSM监测管道腐蚀原理如图1所示：两电流激励点输出恒流电，在待测管道壁形成电场，任何管道壁上发生的金属损失、溃裂和凹陷都会对被测位置的电场产生影响。通过被测位置上附着的电极，可以采集到电场变化的数据，然后使用软件分析，从而对各种腐蚀以及它们的扩展情况进行高精度监测。由此可见，测量电极在整个FSM腐蚀监测系统中的重要意义，只有保证测量电极焊接有效，才能保证整个测量的结果有效。

图1 FSM原理简图

1 FSM电极焊接

1.1 FSM电极焊接方法

根据FSM系统的应用要求，测量电极矩阵的布置面积需要较大，且采集的电压数据准确，故而电极宜选择截面积较小的螺钉，且具有良好导电性。同时考虑到电极材料的可焊接性以及稳固性，最后选择了201不锈钢螺钉作为FSM测量电极。

如图2所示，我们使用电弧螺柱焊机对FSM测量电极进行焊接，其原理是在待焊螺柱与板件表面(或管道壁)间引燃电弧，当螺柱与板件表面被加热到合适温度时，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头。

图2 FSM电极焊接

图3 弯曲检验法

1.2 现有焊接评价法及其不足

现有的FSM电极焊接评价方法主要包括两种：弯曲检验法和低电阻测试法。

弯曲检验法是指当电极焊接完毕后使用榔头敲击螺柱，如图3所示，当螺柱有一定的角度形变后，检查其与板件表面的焊接处：若出现螺柱颈部裂纹且管道壁被撕裂的情况，则证明螺柱焊接达到了使用强度，反之，当螺柱颈部裂纹但管道壁未被撕裂时，则证明焊接未达到要求[2]。

低电阻测试法是指采用直流低电阻测量仪检测相邻螺柱电极之间的电阻，通过电阻的高低判断是否出现虚焊的情况。由于焊接所采用的螺柱导电性良好，引入的电阻较小，则所测得的电阻应较小；当测量得到的电阻较大时，可认为焊接出现问题。

虽然采用这两种方法能很好地对焊接情况进行评价，但是它们在实际使用过程中仍显得不足：弯曲检验法通过敲击的方式检验焊接情况，虽然直观有效，但是可能对管道壁产生破坏性；而低电阻测试法虽然不会对管道壁产生影响，但是当管道壁上布置的测量电极较多时，测量过程会显得很麻烦；并且这两种方法都只能在管道未被埋入时才能使用，无法做到在线测量。

2 相关性评价法

2.1 原理分析

FSM的本质是监测管道由于腐蚀而产生的电阻变化，当测量电极之间发生腐蚀时，两电极之间的电阻将会增大。因此可以将管道抽象为一个如图4的环形电阻网络，每对测量电极之间为一电阻，一电阻对应一测量区域，当管道足够长时，可认为电流是均匀的[3]。

图4 管道环形电阻网络

图5 电阻网络子单元格

如图5所示，抽出电阻网络的一子单元格进行分析。假定流经R1和R2的电流分别为I1和I2，一般情况下，在较短的时间内，管道壁腐蚀量可以忽略，则电阻网络中电流不会发生变化，即R1、R2和I1、I2均不会发生变化。根据欧姆定律，可知(U1-U4)/(U2-U1)=R1I1/R2I2，其中R1I1/R2I2为常数，则U1-U4和U2-U1之间存在线性相关，同理可知，U1-U4和U4-U3、U4-U3和U3-U2、U3-U2与U2-U1之间均存在线性相关。推而广之，在整个环形电阻网络中，电极对测量电压之间均是线性相关的。

如图6所示，随机选择6对焊接可靠的电极，绘制它们所测得的500个电压数据的观测曲线。从观测曲线上可以清晰地看出，测得电压数据之间存在着很高的相关性，这侧面印证了前文的推导。

而在焊接过程中，不达标的焊接可能导致接触不良或引入噪声源，从而影响电极对测量数据之间的相关性。据此，可通过测量电压相关分析的方法，对电极焊接的情况进行评价。

图6 观测电压数据曲线

2.2 相关分析

相关分析(correlation analysis)是研究现象之间是否存在某种依存关系，并对具体有依存关系的现象探讨其相关方向以及相关程度，是研究随机变量之间的相关关系的一种统计方法。两变量样本集X、Y之间的线性相关程度可以用相关系数R表示，其计算公式为：

其中，-10时，表示X、Y之间正相关，R越大，相关性越强；当R<0时，表示X、Y之间负相关，R越小，相关性越强。通过上文所述，测量电压之间应该存在相关性很强的正相关。

选取实验中布置好的电极矩阵，并确保螺柱焊接可靠。将测得数据导入Excel实验数据库中，如图7所示，其中行表示第几次的测量数据，列表示第几对电极的测量数据。选取测量得到的1000组电压数据，求取其相关系数，得表1。

表1中，“1&2”表示测量数据给定行的第1列与第2列之间的相关系数，依此类推；“6&1”表示给定行的第6列与下一行的第1列之间的相关系数；因最后一行最后一列后无数据，故求其与第一行第一列的相关系数。

从表1中可以看出，各测量数据列之间的相关系数均在0.8以上，证明其存在着很高的相关性，在电路正常的情况下，可以推断螺柱的焊接是有效的。

为了验证相关分析的有效性，在测量矩阵的最后一行最后一列螺钉后再加入一颗焊接不合理的螺钉，测量得到的数据与其前一数据求取相关系数，得0.139，接近与0，说明几乎不相关，证明该螺钉的焊接是不可靠的。通过低电阻测试法测量该螺钉与其相邻螺钉之间的电阻，发现其电阻值在10mΩ左右，而且波动很大，而其余的螺柱之间电阻均在0.50mΩ以下，进一步说明相关性评测法的有效。

表1 相关系数表

图7 Excel实验数据库

2.3 查询不可靠螺钉位置

由上述分析可知，通过相关系数表可以查看螺钉焊接的情况，但是表的数据较多，通过直观分辨的方法难免出现偏差，故而需要定量地去分析。将整个相关系数表视为一个测量列，而出现螺钉焊接不可靠的位置为一个粗大误差，只需要通过剔除粗差的方法，即可寻找到该位置。

目前，剔除粗差的方法主要包括莱以特准则、格罗布斯准则、罗曼诺夫斯基准则、狄克逊准则。这四种方法，其中莱以特准则适合测量次数较多的测量列且无需查表，但在测量次数较少的情况下可靠性不高。对于测量次数较少的测量列，宜采用后三种方法，其中以格罗布斯准则的可靠性最高，通常次数在20至100之间判别效果最佳[4]。鉴于此，可采用格罗布斯准则查询不可靠螺钉位置。图8为格罗布斯准则matlab查询程序。

输入一组相关系数验证数据测试程序有效性，输出得到index=[42 43]，则表示在输入数据的P8-1处的出现问题，而事实上输入的验证数据在P8-1采集数据列与前后的相关系数为0.124和0.137，证明了程序是有效的。

当然，不排除极端情况，即所有的或者大部分的焊接都存在问题。这种情况下时，相关系数矩阵中较大的项会很少，采用以上程序未必有效。但此时，相关系数大部分较小，可以直观地判断出来问题。这种情况多数是由于设备问题造成的。

3 结论

FSM测量电极的焊接是FSM腐蚀测量中很重要的一个环节，焊接的好坏直接关系到所采集数据的优劣。

本文通过FSM的基本原理推导出了电极测量数据之间在无腐蚀情况下的相关特性，采用相关分析的方法对电极焊接情况进行评价，并使用格罗布斯准则查询焊接不可靠处的位置。在实际使用过程中，由于腐蚀速度相对缓慢，我们可以视短期内为无腐蚀，采用短期内多次采样的方法，求取相关系数验证螺钉焊接情况，同时也可以查明螺钉或线路在使用过程中是否发生故障。该方法便捷有效，可以较为方便地通过编程实现，适合于在线评测，弥补了弯曲检测法和低电阻测试法的局限性，这对深入研究FSM腐蚀监测有较高的应用意义。

图8 格罗布斯准则matlab查询程序

[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]张昆, 赵永瑞等. FSM电极焊接方法与评价[J]. 全面腐蚀控制,2012, 26(2):11-13.

[3]甘芳吉, 万正军等. 基于场指纹法的金属管道小腐蚀坑的监测方法[J].仪器仪表学报, 2013, 34(9):2087-2094.

[4]费业泰. 误差理论与数据处理(第4版)[M]. 北京: 机械工程出版社, 2000:48-52.