蘇志毅，黃松嶺，趙 偉，王 珅，奉華成

（清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

管道運(yùn)輸是以管道作為運(yùn)輸工具的一種長(zhǎng)距離輸送液體和氣體物資的運(yùn)輸方式，目前主要用于專門由生產(chǎn)地向市場(chǎng)輸送石油、煤和化學(xué)產(chǎn)品，是我國(guó)運(yùn)輸網(wǎng)中干線運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)特殊而重要的組成部分。隨著我國(guó)油氣進(jìn)口量的不斷增加和石油天然氣開(kāi)發(fā)利用水平的提高，管道運(yùn)輸業(yè)已成為與鐵路、公路、水運(yùn)、航空運(yùn)輸并列的五大運(yùn)輸方式之一?！笆晃濉逼陂g，中國(guó)的油氣管線里程以每年約5000km的速度增長(zhǎng)，從“十五”末的4萬(wàn)多km發(fā)展到2011年的6.8萬(wàn)km［1］。

油氣管道的蓬勃發(fā)展和管線里程的飛速增長(zhǎng)對(duì)管道檢測(cè)提出了嚴(yán)格的要求。管道在長(zhǎng)期的使用中，會(huì)因?yàn)楦g、機(jī)械外力或者內(nèi)力等原因在管道壁上產(chǎn)生缺陷，可能導(dǎo)致管道泄漏甚至爆炸事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。目前國(guó)內(nèi)外的眾多專家學(xué)者已經(jīng)在埋地管道的缺陷檢測(cè)方面做了大量的研究工作，提出了不少行之有效的檢測(cè)方法，如現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、X射線透射、電磁超聲、渦流／磁化渦流檢測(cè)法等［2］。其中，漏磁檢測(cè)（Magnetic Flux Leakage，MFL）是油氣管道檢測(cè)最常用的方法并且有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［3－4］。

一般，漏磁檢測(cè)系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成，即管內(nèi)檢測(cè)、管外定位和數(shù)據(jù)分析。油氣管道的長(zhǎng)輸管線一般長(zhǎng)度在二三百公里以上，發(fā)生泄漏之后很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)并查出泄漏地點(diǎn)，因此管道缺陷檢測(cè)，尤其是對(duì)缺陷的準(zhǔn)確定位，對(duì)于減少管道事故的發(fā)生以及避免不必要的管道停工和挖掘具有十分重要的意義。而地面標(biāo)記器正是管外定位系統(tǒng)的核心組成部分，它通過(guò)記錄內(nèi)檢測(cè)器從管道中經(jīng)過(guò)其正下方的時(shí)間來(lái)精確定位缺陷。

根據(jù)其采用的原理，應(yīng)用于管道內(nèi)檢測(cè)器的地面標(biāo)記技術(shù)一般分為渦流、電磁波［5］、弱磁場(chǎng)檢測(cè)和聲振動(dòng)檢測(cè)［6］四類。筆者采用了基于弱磁檢測(cè)的設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，成本較低，利用了內(nèi)檢測(cè)器上原有的永磁體激發(fā)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，缺點(diǎn)是信號(hào)處理比較復(fù)雜。

1 地面標(biāo)記器的工作原理

漏磁檢測(cè)內(nèi)檢測(cè)器通常又被稱為PIG，因?yàn)樗诠艿乐羞\(yùn)行時(shí)發(fā)出像豬叫一樣的聲音。其在管道中由于受到前后載體（天然氣或者石油等）的壓力不同而被推動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)裝設(shè)在檢測(cè)器上的里程輪會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄檢測(cè)器前進(jìn)的距離。理論上，里程輪可以記錄缺陷的位置，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于里程輪本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差、里程輪磨損導(dǎo)致的直徑變化以及PIG在行進(jìn)過(guò)程中的翻轉(zhuǎn)、里程輪打滑失效等原因，可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行距離與記錄的里程數(shù)不一致的情況，致使缺陷無(wú)法精確定位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，依靠里程輪記錄的PIG平均每運(yùn)行1km會(huì)產(chǎn)生1 m的誤差［7］，對(duì)于現(xiàn)代的長(zhǎng)輸管線而言，該誤差會(huì)累積至一個(gè)無(wú)法容忍的程度并導(dǎo)致檢測(cè)的失敗。

地面標(biāo)記系統(tǒng)正是為了修正PIG里程數(shù)誤差的累積而設(shè)計(jì)的，它的主要任務(wù)是標(biāo)記內(nèi)檢測(cè)器從其正下方經(jīng)過(guò)的準(zhǔn)確時(shí)間。

通常一個(gè)地面標(biāo)記系統(tǒng)會(huì)沿著管線在管道的正上方每隔1～2km放置一個(gè)地面標(biāo)記器，如圖1所示。所有標(biāo)記器上都有計(jì)時(shí)器，它們互相之間以及與檢測(cè)器上的計(jì)時(shí)器都是同步的。在一次完整的檢測(cè)中，每個(gè)標(biāo)記器都會(huì)記錄下PIG經(jīng)過(guò)的時(shí)間。記第i個(gè)地面標(biāo)記器的位置（以它距離檢測(cè)起點(diǎn)的距離表示）是Li，檢測(cè)器經(jīng)過(guò)它正下方的時(shí)間是ti（可以從標(biāo)記器的記錄中讀出），那么缺陷的真實(shí)定位就可以按以下公式修正。L＝Li＋（t－ti）ΔL （1）式中t表示PIG檢測(cè)到一個(gè)缺陷的時(shí)間；ΔL表示在兩個(gè)最小的時(shí)間計(jì)數(shù)間隔中PIG運(yùn)動(dòng)的距離。由此，真實(shí)的缺陷位置和里程輪的記錄之間的誤差就可以被限制到1～2m的范圍內(nèi)。

圖1 地面標(biāo)記系統(tǒng)工作原理示意圖

2 地面標(biāo)記器的設(shè)計(jì)

2.1 地面標(biāo)記器的硬件設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［8］總結(jié)了近年來(lái)地面標(biāo)記器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案?？偟恼f(shuō)來(lái)，由于地面標(biāo)記器需要在野外沒(méi)有電力供應(yīng)的條件下保證一段長(zhǎng)時(shí)間（一次完整的檢測(cè)可能持續(xù)幾十個(gè)小時(shí)）的可靠運(yùn)行，它的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：① 具有高精度、抗干擾能力強(qiáng)的穩(wěn)定時(shí)鐘源。② 具有高靈敏度的磁探測(cè)能力。③ 低功耗，帶獨(dú)立電源。④ 低成本。

傳統(tǒng)的弱磁場(chǎng)檢測(cè)的地面標(biāo)記器［9］體積龐大且功耗較大，由于地面標(biāo)記器和基準(zhǔn)時(shí)鐘源一一對(duì)應(yīng)，所以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)操作不便，耗時(shí)較長(zhǎng)。筆者對(duì)此做了如下的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

地面標(biāo)記器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。從霍爾傳感器得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大電路，進(jìn)入主控芯片MCU的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行采樣，形成數(shù)字序列。如果數(shù)字序列反映出有內(nèi)檢測(cè)器經(jīng)過(guò)而引起磁場(chǎng)變動(dòng)的信號(hào)特征，這段數(shù)字序列和對(duì)應(yīng)的時(shí)間計(jì)數(shù)值就會(huì)被寫入MCU的FLASH閃存中。為解決功耗大的問(wèn)題，MCU在工作中大部分時(shí)間處于“休眠模式”，僅激活計(jì)時(shí)功能；當(dāng)漏磁信號(hào)提示內(nèi)檢測(cè)器即將經(jīng)過(guò)時(shí)喚醒MCU，實(shí)現(xiàn)采集和記錄漏磁信號(hào)的功能。

圖2 地面標(biāo)記器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用霍爾元件作為檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器是因?yàn)樗鼘?duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度有很高的靈敏度［10］，而且其輸出信號(hào)的幅值和極性可以方便地通過(guò)計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同項(xiàng)目的需要和簡(jiǎn)化信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。由于目標(biāo)信號(hào)是一個(gè)非周期信號(hào)，而環(huán)境磁場(chǎng)的干擾可以看作一個(gè)高頻噪聲，所以信號(hào)調(diào)理的主要作用是低通濾波以及放大信號(hào)到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的量。

設(shè)計(jì)中采用了鉛酸電池系統(tǒng)供電。鉛酸電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，自放電率低，但它的質(zhì)量／體積比能量相對(duì)較小。其實(shí)考慮到它主要用于野外的工程實(shí)際，一定的重量反而能增加它在惡劣的氣候和自然環(huán)境下的物理穩(wěn)定性。而且，鉛酸電池技術(shù)在近代有了重大變革，性能有了極大飛躍，主要標(biāo)志是20世紀(jì)70年代發(fā)展的閥控密封鉛酸電池（VRLA）。此種鉛酸電池具有能量高、壽命最長(zhǎng)（平均10年）、容量更大（是普通鉛酸電池的兩倍）、不漏液、安全、無(wú)污染、可回收、免維護(hù)、使用方便等特點(diǎn)，而且保留了成本最低的優(yōu)勢(shì)（相較于鋰離子電池、鎳鎘電池和鎳氫電池而言）。

考慮到在一次完整的管道檢測(cè)中需要利用到大量的地面標(biāo)記器，但每個(gè)標(biāo)記器只需要記錄并且傳輸少量的信息（只有時(shí)間計(jì)數(shù)值以及一小段的波形數(shù)據(jù)），所以每個(gè)標(biāo)記器通過(guò)一個(gè)無(wú)線接口和上位機(jī)相連，以簡(jiǎn)化操作和提高效率。它也通過(guò)該無(wú)線接口和檢測(cè)器同步時(shí)間計(jì)數(shù)。

2.2 地面標(biāo)記器的軟件設(shè)計(jì)

地面標(biāo)記器配套的軟件程序主要有4個(gè)方面的內(nèi)容：計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)獲取、干擾排除和通訊。

根據(jù)對(duì)霍爾軟件的編程設(shè)置（單極性輸出），當(dāng)內(nèi)檢測(cè)器經(jīng)過(guò)標(biāo)記器下方時(shí)，激發(fā)的磁信號(hào)應(yīng)該是一個(gè)類似半正弦形狀的波形，信號(hào)到達(dá)波形頂點(diǎn)的時(shí)間就是檢測(cè)器經(jīng)過(guò)標(biāo)記器的垂直軸和管道的交點(diǎn)的時(shí)刻。干擾的消除主要基于干擾的信號(hào)幅值和形狀與目標(biāo)信號(hào)的不同，因此，判斷一個(gè)信號(hào)波形是否有效，除了觀察信號(hào)的大小和長(zhǎng)度是否達(dá)到閾值外，還要判斷信號(hào)開(kāi)始時(shí)是否保持穩(wěn)定的上升趨勢(shì)。程序的流程圖如圖3所示。

圖3 地面標(biāo)記器程序流程圖

通訊程序作為中斷子程序來(lái)處理，當(dāng)?shù)孛鏄?biāo)記器接收到來(lái)自檢測(cè)器的時(shí)間信息時(shí)，標(biāo)記器根據(jù)此時(shí)間信息重新設(shè)置自己的時(shí)間計(jì)數(shù)。當(dāng)標(biāo)記器接收到上位機(jī)的回收數(shù)據(jù)的請(qǐng)求時(shí)，各個(gè)標(biāo)記器按編號(hào)順序?qū)⒂涗浀臅r(shí)間值逐一發(fā)送回去。

3 試驗(yàn)及結(jié)果

有限元分析的結(jié)果顯示，當(dāng)有檢測(cè)器經(jīng)過(guò)時(shí)，在管道以上3m處的土地中的磁場(chǎng)強(qiáng)度是高斯級(jí)的。在驗(yàn)證試驗(yàn)中，利用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生1Gs的磁場(chǎng)，并使地面標(biāo)記器在其中沿線圈軸線運(yùn)動(dòng)以模擬內(nèi)檢測(cè)器在管道中移動(dòng)的情況。將采樣頻率設(shè)置為10kHz，移動(dòng)速度為5m／s，大約記錄了100個(gè)數(shù)據(jù)組成波形，如圖4所示。結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠有效識(shí)別并且捕捉由于檢測(cè)器經(jīng)過(guò)而引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化激發(fā)的信號(hào)。

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)和波形

4 結(jié)論

基于對(duì)地面標(biāo)記系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)要求的詳細(xì)分析，研制了一套高精度的油氣管道缺陷漏磁檢測(cè)地面標(biāo)記器，同時(shí)編寫了相應(yīng)的軟件程序。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到一個(gè)管內(nèi)檢測(cè)器在標(biāo)記器以下3m的管道中經(jīng)過(guò)時(shí)引起的磁場(chǎng)變化信號(hào)。為了簡(jiǎn)化操作和提高效率，地面標(biāo)記器和檢測(cè)器以及上位機(jī)之間通過(guò)無(wú)線模塊連接。

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