胡建東 王彥臣

摘 要：在油氣輸送管道失效事故中，機(jī)械損傷是其中一個(gè)最為重要的因素，在線檢測管道機(jī)械損傷對避免發(fā)生管道斷裂或者泄漏事故極具重要意義。文章主要分析與探討在線檢測管道機(jī)械損傷的方法及效果。

關(guān)鍵詞：在線檢測；管道；機(jī)械損傷；效果

中圖分類號：TE973.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）03-0060-02

本研究基于管道機(jī)械損傷缺陷特征與形成因素，提出以磁致彈性效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種非線性諧波檢測措施，并制作一種機(jī)械損傷檢測傳感器，以此對管道機(jī)械損傷實(shí)施在線檢測。

1 非線性諧波檢測原理

1.1 管道機(jī)械損傷形成因素

可將機(jī)械損傷因素劃分為人為因素與自然因素兩種，其中自然因素就是洪水、地震、地殼下沉及大面積山崩等，而人為因素則是建筑施工、道路修筑、偷油盜氣以及土地耕種等。一般自然因素所導(dǎo)致的管道機(jī)械損傷極為緩慢，但是事故一旦出現(xiàn)，就會造成極為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞。人為因素所導(dǎo)致的管道機(jī)械損傷往往無邏輯可循，很可能會出現(xiàn)在管道運(yùn)行期間，一般位于局部之處。因此，對人為因素所導(dǎo)致機(jī)械損傷的檢測更為困難。一般可將管道機(jī)械損傷分為凹陷、金屬損失以及鑿痕三種類型，在檢測管道機(jī)械損傷時(shí)，大多表現(xiàn)為鑿痕、凹陷或者混合損傷。

1.2 非線性諧波檢測原理

依照磁致彈性效應(yīng)，外力作用下，鐵磁材料會出現(xiàn)變形，隨之逐漸降低其磁化強(qiáng)度，使得鐵磁材料出現(xiàn)各向異性，改變應(yīng)變狀態(tài)與應(yīng)力導(dǎo)致鐵磁材料磁阻或者磁導(dǎo)率的改變。所以，塑性變形與磁性受應(yīng)力對鐵磁性材料磁性有著直接影響。對材料磁性變化進(jìn)行測量，能夠?qū)⒐艿罊C(jī)械損傷塑性變形與應(yīng)力反映出來。研究結(jié)果顯示，張應(yīng)力導(dǎo)致磁導(dǎo)率的增加，壓應(yīng)力則導(dǎo)致磁導(dǎo)率的減小。將正弦振蕩磁場施加于鐵磁性工件中，因?yàn)殍F磁性材料本身所具有的非線性，使得工件感應(yīng)磁場既包括正弦曲線，而且還包括高次諧波成分。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，三次諧波相位與幅值中包括材料應(yīng)力相關(guān)信息。

2 設(shè)計(jì)非線性諧波傳感器

通常由信號發(fā)生器、傳感探頭及同步檢波電路共同組成非線性諧波傳感器。

2.1 信號發(fā)生器

在非線性諧波傳感器中，信號發(fā)生器通常會產(chǎn)生30 kHz、20 kHz同步檢波信號與10 kHz正弦激勵(lì)信號，通過DDS（數(shù)字頻率合成技術(shù)），采用D/A變換器與數(shù)字電路出現(xiàn)要求的相關(guān)模擬信號，依照抽樣定理，在通過大于最大模擬信號頻率2倍的速率采樣該模擬信號時(shí)，就能夠恢復(fù)原模擬信號，具體實(shí)驗(yàn)中，每周期對正弦波信號進(jìn)行100個(gè)點(diǎn)的采樣，有助于恢復(fù)原正弦信號，通過D/A轉(zhuǎn)換完成后，能夠在示波器中對最佳波形進(jìn)行觀察。此外，信號發(fā)生器對FPCA芯片予以選用，該芯片具有58 KRAM嵌入存儲器與2 910個(gè)邏輯單元，將正弦查找表創(chuàng)建于FPGA芯片中，各查找表都與正弦波中的相位點(diǎn)相對應(yīng)，查找表可以將所輸?shù)刂沸畔⑥D(zhuǎn)化為正弦波幅值。并將其轉(zhuǎn)至DAC輸入端，通過驅(qū)動放大、DAC轉(zhuǎn)換以及平滑濾波，最終得出最佳正弦信號，通過差動輸出使激勵(lì)線圈實(shí)現(xiàn)功放，從而降低失真率，將MAX 4167芯片應(yīng)用于功放電路中，該芯片的特點(diǎn)主要包括：具有較高輸出驅(qū)動能力，直流性能好，滿擺幅輸入輸出，低功耗，供電電源為5 V，可實(shí)現(xiàn)4.4 VP-P輸出，在輸入電流為1.2 mA電源推動下，輸出電流得到80 mA的最小值。

2.2 傳感探頭

傳感探頭主要由包含高導(dǎo)磁率鐵氧體材料的一個(gè)C型鐵芯變壓器制作而成。而且激勵(lì)信號直接影響著信號輸出，所以，依照材料磁特性對激勵(lì)信號進(jìn)行選擇時(shí)順利完成檢測的重要保證。通過分析50 kHz、20 kHz、18 kHz、10 kHz、5 kHz、2 kHz及1 kHz幾種激勵(lì)頻率發(fā)現(xiàn)，在50 kHz、20 kHz、18 kHz三種激勵(lì)頻率下具有最大的幅值。因此，正弦激勵(lì)信號頻率選為10 kHz，鐵芯置于鐵磁性材料表面時(shí)，該材料就會成為變壓器磁路重要組成部門，輸出變壓器可以將測試工件磁性改變情況直接反映出來。傳感器探頭前端電路示意圖如圖1所示。通過激勵(lì)線圈磁化工件，感應(yīng)線圈主要對磁感應(yīng)信號進(jìn)行接收，采用功率放大與信號發(fā)生電路所出現(xiàn)的正弦電流信號激勵(lì)頻率為10 kHz，在激勵(lì)線圈中施加該正弦電流信號。放大傳感器輸出信號后，通過濾波電路，三次諧波具有濾波功能，再將其傳輸給鎖相放大器，最終得出其幅值與相位。

2.3 同步檢波電路

信號在接收線圈中主要分為三種頻率，即：20 kHz、10 kHz、30 kHz，檢測時(shí)，主要檢測信號為30 kHz，而10 kHz信號對提離傳感器比較敏感，主要用于補(bǔ)償與決定提離情況；而20kHz則對材料剩磁較為敏感，由于30 kHz與20 kHz信號幅值比較小，如果直接放大接收信號來提取，就會有出現(xiàn)飽和失真的可能性，導(dǎo)致30 kHz與20 kHz信號被淹沒。因此，應(yīng)該先通過多階濾波，再慢慢放大信號，最后通過同步檢測技術(shù)能夠?qū)⒃盘栒鎸?shí)提取出來。從平衡調(diào)幅波中對原調(diào)制信號進(jìn)行檢取是同步檢波技術(shù)的主要作用，該實(shí)驗(yàn)以乘法器同步檢波工藝為基礎(chǔ)，將調(diào)幅信號和與之具有相同載波與頻率的信號相乘后，完成低通濾波后，獲得原調(diào)制信號。同步檢波原理示意圖如圖2所示。

經(jīng)低噪聲、低失真差動放大器，接收信號緩沖輸入信號、抑制接收電纜所存在的噪聲干擾，以對4個(gè)檢測環(huán)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動，通過AD637直流轉(zhuǎn)換芯片精密全波整流信號，經(jīng)無源低通濾波器后，輸出信號能夠獲得10 kHz信號幅值。AD637芯片本身屬于高精度的一種直流轉(zhuǎn)換器，具有比較小的測量誤差，可以計(jì)算所有復(fù)雜波形平均值、真有效值、絕對值以及均方值。

通過六階高通濾波器進(jìn)行濾波，由此所得10 kHz信號僅僅是比較弱的一小部分，需要將其放大約100倍，確保30 kHz信號幅值能夠達(dá)到可檢測出的一個(gè)幅值，再通過同步檢測的方式將30 kHz信號的正交與同相信號提取出來。同樣道理，對于20 kHz信號幅值，應(yīng)該以帶通濾波器將30 kHz信號去掉，再將其放大，最后輸送至同步檢波電路中。

3 研究結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)研究是在和輸送管道材料特性相同的鋼板上展開，鋼板上的機(jī)械損傷缺陷是人造鑿痕與人造凹陷，各缺陷均有深度與長度不同的四處損傷，本實(shí)驗(yàn)檢測一組深度在5%左右、長度在5 cm左右、凹陷直徑在6 cm左右的機(jī)械損傷處實(shí)施檢測，獲得檢測信號波形，如圖3所示，觀察圖3中所呈現(xiàn)的信號波形發(fā)現(xiàn)，鑿痕與凹陷的非線性諧波信號特征具有一定差異性：鑿痕位置的信號幅值急劇降低兩次，以此形成一個(gè)波峰，兩個(gè)波谷，其中兩個(gè)波谷主要是在橫穿鑿痕邊沿的過程中降低信號幅值所導(dǎo)致；凹陷處的信號幅值出現(xiàn)降低，導(dǎo)致一個(gè)波谷形成。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對于同類缺陷，如果深度、長度以及寬度存在差異性，那么非線性諧波信號跨度與幅值大小就有所不同，非線性諧波信號強(qiáng)度與尤其管道內(nèi)表面應(yīng)力存在很大聯(lián)系，應(yīng)采用有限元分析創(chuàng)建兩參數(shù)的聯(lián)系分別如圖3（a）、（b）所示。

4 結(jié) 語

通過檢測兩種機(jī)械損傷缺陷可知，非線性諧波檢測是切實(shí)可行的一種檢測方案，而且非線性諧波傳感探頭能夠做到低噪聲、小型化以及低功耗的效果，有利于在線檢測管道機(jī)械損傷。

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