焦 泉，張仕民，李曉龍，王國超，梅旭濤

高精度管道通徑檢測器研制

焦 泉1，張仕民1，李曉龍1，王國超2，梅旭濤1

（1．中國石油大學(xué)（北京），北京102200；2．中油管道維搶修公司，河北廊坊065001）

針對(duì)現(xiàn)有的管道通徑檢測設(shè)備密封可靠性差、檢測精度低等問題，結(jié)合理論分析，設(shè)計(jì)了一種帶有4排檢測臂的通徑檢測器。其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括檢測臂的排布和芯片密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；電路設(shè)計(jì)方面，選用高精度、非接觸式磁旋轉(zhuǎn)編碼芯片A S5145作為檢測元件，設(shè)計(jì)了基于C A N總線的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)。采用非接觸的角度檢測方式，使檢測器的密封可靠性得到提高。理論分析表明：該通徑檢測器能檢測的管道最小徑向變形達(dá)1．27 mm，性能高于現(xiàn)有的通徑檢測產(chǎn)品。

高精度；通徑檢測器；磁旋轉(zhuǎn)編碼器

管道運(yùn)輸是一種經(jīng)濟(jì)可靠的能源輸送方式，廣泛地應(yīng)用于石油石化行業(yè)當(dāng)中。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，截止到2010年，全國共有油氣管道7．5×104k m，預(yù)計(jì)到2015年可達(dá)15×104k m［1-2］。如此龐大數(shù)量的管道，在運(yùn)行的過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種形式的損壞［3］。為了保證油氣管道的安全，很有必要定期對(duì)在役管道進(jìn)行檢測。

油氣管道通徑檢測是指運(yùn)用相應(yīng)的設(shè)備對(duì)管道的變形情況進(jìn)行檢測，它是一種很重要的管道檢測手段［4］。對(duì)于新建管線而言，通徑檢測能夠讓管道運(yùn)營部門及時(shí)了解管道是否發(fā)生變形及相應(yīng)程度等信息，是一種重要的管線質(zhì)量測試及驗(yàn)收的手段。對(duì)于已投產(chǎn)管線而言，管道的變形會(huì)降低油氣輸送效率和增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；變形嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致通過性較差的智能管道內(nèi)檢測設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生嚴(yán)重卡死事故［5］。因此，在運(yùn)行管道智能內(nèi)檢測設(shè)備前進(jìn)行通徑檢測是十分有必要的。

早期的通徑檢測是通過在普通清管器上加裝通徑鋁盤的方式來實(shí)現(xiàn)的，通過通徑鋁盤的變形情況可以推斷出管道的變形情況［6］。這種檢測方式成本低廉，但檢測精度差且不能對(duì)變形的地點(diǎn)進(jìn)行定位，已經(jīng)逐步淘汰。目前，電子通徑檢測設(shè)備已經(jīng)基本取代了鋁盤式通徑檢測設(shè)備。這些通徑檢測設(shè)備的原理基本相同：用周向布置的多根檢測臂取代原來的檢測鋁盤，并加入里程輪和電子記錄系統(tǒng)，電子記錄系統(tǒng)可以記錄管道變形情況及相應(yīng)的位置。目前，國外有多家公司已經(jīng)生產(chǎn)出比較成熟的通徑檢測設(shè)備，而國內(nèi)的相關(guān)研究則剛起步［7］。本文設(shè)計(jì)了一種基于磁旋轉(zhuǎn)編碼技術(shù)的高精度通徑檢測設(shè)備，并對(duì)其測試精度進(jìn)行了分析。

1　通徑檢測器基本結(jié)構(gòu)及原理

通徑檢測器通常由骨架、檢測傳感器、檢測臂、皮碗、里程輪及防撞頭等部分組成（如圖1所示）。骨架一方面作為載體，用來安裝固定檢測器上的各種零部件；另一方面其內(nèi)部是密封艙體，可以安放電路板、電池等易損元件。檢測臂、定位彈簧和檢測傳感器組成變形檢測部分，共同完成對(duì)管道變形量的檢測。皮碗的外徑比管道的內(nèi)徑略大，可以隔絕通徑檢測器前后的流體，建立壓差，從而為檢測器提供前進(jìn)的動(dòng)力。里程輪可以即時(shí)測量出通徑檢測器的運(yùn)行距離，也可以用來記錄管道發(fā)生變形的具體位置。防撞頭可由橡膠等彈性材料制成，為通徑檢測器提供緩沖保護(hù)，防止其因劇烈沖擊而損壞。

圖1　通徑檢測器結(jié)構(gòu)

早期的通徑檢測設(shè)備中的核心檢測元件是通徑鋁盤，這種鋁盤比管道內(nèi)徑略小且呈齒狀（如圖2a所示）。檢測設(shè)備在管內(nèi)介質(zhì)的壓力下向前運(yùn)行，當(dāng)遇到內(nèi)壁的凸起（變形、焊縫等）時(shí)，通徑鋁盤的圓齒會(huì)因和管壁撞擊而發(fā)生永久變形。取出檢測設(shè)備后，可以通過鋁盤上圓齒的變形情況來推斷出管道的最大變形量［8］。這種通徑檢測方法檢測精度低，且無法記錄發(fā)生變形的具體位置。

為了克服這些缺點(diǎn)，當(dāng)前通徑清管設(shè)備用1圈或多圈周向布置的可動(dòng)檢測臂取代了通徑鋁盤（例如美國Precision Pigging公司的通徑檢測器，如圖2b所示），并引入里程輪和相應(yīng)的電子記錄系統(tǒng)。

圖2　2種通徑檢測元件

具體通徑檢測原理如圖3所示：在正常管段，由于彈簧拉力的作用，檢測臂的末端緊貼管道內(nèi)壁，檢測臂和骨架軸線之間的夾角θ保持不變；運(yùn)行到變形管段時(shí)，檢測臂末端仍緊貼管道內(nèi)壁，夾角θ變化成θ1，檢測傳感器可以檢測出這種變化并由電子系統(tǒng)記錄下來；當(dāng)通徑檢測器離開變形管段時(shí)，夾角θ恢復(fù)成初始大小并為進(jìn)行下次變形檢測做好準(zhǔn)備。檢測過程結(jié)束后，可以根據(jù)記錄的夾角θ及里程數(shù)據(jù)，計(jì)算出管道變形量的大小及相應(yīng)的位置，配合可視化軟件還可以將管道的變形情況形象地展示出來。

圖3　通徑檢測原理

2　高精度通徑檢測器設(shè)計(jì)

2．1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1．1 彎管通過性設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)通徑檢測器時(shí)，應(yīng)該保證其能順利通過管道中的各種結(jié)構(gòu)而不發(fā)生卡堵［9］。常見的管道結(jié)構(gòu)有直管、彎管、三通、閥門等。其中，彎管對(duì)通過性的要求最為苛刻［10-11］。本文以?325 mm管道為例，對(duì)通徑檢測器進(jìn)行了過彎性能設(shè)計(jì)。清管器過彎幾何模型如圖4所示。

圖4　通徑檢測器過彎幾何模型

該模型為檢測器在彎道發(fā)生卡堵的零界情況，在該條件下可以求解出允許的最大檢測器長度。由勾股定理可得

式中：D為管道外徑；R為彎管的曲率半徑；a為通徑檢測器的剛性骨架外徑；l為檢測器長度。

?325 mm管道的內(nèi)徑約為300 mm。根據(jù)能檢測最大20%徑向變形的要求，通徑檢測器骨架最粗的部分不超過240 mm，取a＝240 mm。在式（1）中代入技術(shù)參數(shù)D＝325 mm、R＝6D、a＝240 mm，計(jì)算得l＝1 138．9 mm。本文設(shè)計(jì)的通徑檢測器的長度不應(yīng)該超過1 138．9 mm。

2．1．2 檢測臂的排布

為了保證檢測器的檢測精度，必須在骨架上布置盡可能多的檢測臂。由于空間尺寸的限制，無法在同一圓周方向排布過多的傳感器。因此，本文采用在骨架上均勻排布多排且每一排之間錯(cuò)開一定角度的方式來布置傳感器。配合里程輪，可以通過一定的算法將每圈傳感器測到的數(shù)據(jù)最終擬合到同一個(gè)平面，可以成倍提高周向檢測精度。

傳感器沿骨架周向均勻排布，且骨架外徑最粗部分不超過240 mm。單個(gè)傳感器的底面是方形的，其尺寸為40 mm×32 mm，可以計(jì)算出在同一平面的圓周上最多只能排布16個(gè)傳感器。排布結(jié)果如圖5所示。

圖5　單排傳感器的布置情況

經(jīng)過調(diào)研，單個(gè)管道設(shè)備的長度通常不超過2D。本文設(shè)計(jì)的單排傳感器（包括環(huán)形固定架）厚度約為80 mm，在骨架上最多只能布置4排。布置的效果如圖6所示。

除了檢測臂外，在底部設(shè)計(jì)有3個(gè)里程輪，可對(duì)管道變形進(jìn)行定位；兩端各安裝2片皮碗，為通徑檢測器的運(yùn)行提供動(dòng)力。該通徑檢測器的整體長度為635 mm，遠(yuǎn)小于1 138．9 mm的極限長度，滿足過彎管的條件。

圖6　通徑檢測器三維設(shè)計(jì)

2．2 檢測單元

2．2．1 檢測芯片的選用

除了布置數(shù)量更多的傳感器外，選用高精度的角度檢測元件能夠提高每個(gè)檢測臂的檢測效果，也能提高通徑檢測器的精度。因此，選用合適的傳感器芯片十分重要。同時(shí)，由于管道中條件惡劣，需要將容易損壞的傳感器芯片密封起來，才能保證系統(tǒng)的可靠性。

本文選用奧地利A E公司的A S5145型磁旋轉(zhuǎn)編碼器作為本通徑檢測器的角度檢測元件。與其他角度檢測元件相比，磁旋轉(zhuǎn)編碼芯片具有精度高、體積小、非接觸式檢測等特點(diǎn)。非接觸式的特點(diǎn)使得檢測芯片更加容易被密封封裝。角度檢測方式如圖7所示，在磁旋轉(zhuǎn)編碼芯片的正上方一定高度放置1個(gè)徑向充磁的圓柱磁鐵。當(dāng)磁鐵繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，芯片可以檢測出相應(yīng)的轉(zhuǎn)角并將信號(hào)通過引腳輸出到電子記錄系統(tǒng)。

圖7　磁旋轉(zhuǎn)編碼器檢測方式

2．2．2 芯片的密封方式

油氣管道中介質(zhì)壓力大、環(huán)境惡劣，需要檢測芯片進(jìn)行恰當(dāng)?shù)拿芊夥庋b。磁旋轉(zhuǎn)編碼器屬于非接觸測量（如圖7所示），在磁鐵和芯片之間可以有非導(dǎo)磁材料間隔開，且不影響檢測結(jié)果。在保證芯片和磁鐵同心的幾何條件下，可以將芯片放在密封部件之內(nèi)，圓柱磁鐵作為傳感器的動(dòng)元件放在密封部件之外。

通常，將通徑檢測設(shè)備中每個(gè)傳感器單獨(dú)密封［12］，密封成本高，且由于密封的位置太多而導(dǎo)致整體密封可靠性降低。本文提出了單個(gè)傳感器密封的新思路，將每一排的傳感芯片整體密封到1個(gè)腔體中，降低了密封的成本，提高了其可靠性。芯片密封結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　芯片密封結(jié)構(gòu)

圖8中的圓柱磁鐵與磁旋轉(zhuǎn)編碼芯片對(duì)應(yīng)于圖5中的2個(gè)檢測元件。在檢測臂轉(zhuǎn)軸和芯片之間加了1對(duì)錐齒輪，改變了傳動(dòng)方向。檢測臂的旋轉(zhuǎn)軸垂直于骨架軸線，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過1對(duì)錐齒輪驅(qū)動(dòng)1個(gè)轉(zhuǎn)軸與骨架軸線平行的圓柱磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。由于1排傳感器的圓柱磁鐵轉(zhuǎn)軸都和骨架軸線平行，所以相應(yīng)的磁旋轉(zhuǎn)編碼可以被放置在同一個(gè)環(huán)形的密閉空間內(nèi)，即如圖8所示的芯片密封艙。芯片密封艙由非導(dǎo)磁材料制成，磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)情況可以被艙內(nèi)同軸的A S5145芯片檢測出來，并通過一定的線路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮优搩?nèi)的記錄系統(tǒng)中。

里程的檢測也是通過磁旋轉(zhuǎn)編碼芯片實(shí)現(xiàn)的。由于里程輪的數(shù)量少，且空間尺寸比較分散，可以采用單個(gè)傳感器封裝的形式。

磁旋轉(zhuǎn)編碼器可以記錄里程輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和當(dāng)前轉(zhuǎn)角，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后可以得到相應(yīng)的里程并存儲(chǔ)到記錄系統(tǒng)中。

2．3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)是通徑檢測器的“大腦”，主要是采集檢測傳感器和里程輪傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單處理后存儲(chǔ)起來。通徑檢測器運(yùn)行完成后，可以通過上位機(jī)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出來，并運(yùn)用一定的軟件進(jìn)行后處理，分析出通徑檢測的結(jié)果。

通徑檢測器上的檢測傳感器的數(shù)量多達(dá)64個(gè)，難以找到有這么多路A／D采集通道的電子芯片。C A N總線技術(shù)是近些年新發(fā)展起來的一種串行通信技術(shù)。該技術(shù)通信協(xié)議簡單，傳輸可靠，最大理論通信節(jié)點(diǎn)可達(dá)128個(gè)［13］，適合應(yīng)用于通徑儀的數(shù)據(jù)采集。通徑儀在運(yùn)行的過程會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性，需要運(yùn)用一種處理速度較快的芯片進(jìn)行采集，D SP芯片是一種很好的選擇。

圖9　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文以DSP2812芯片為核心，通過C A N總線技術(shù)對(duì)檢測傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。通徑檢測器上64個(gè)檢測傳感器及3個(gè)里程輪的數(shù)據(jù)通過C A N總線模塊采集到D SP2812芯片上。這些數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)到Flash芯片當(dāng)中，也可以直接通過串口輸出給上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。

3　檢測精度分析

檢測精度是通徑檢測器的重要參數(shù)，主要包括表征檢測臂在管道內(nèi)壁覆蓋程度的周向檢測精度、表征檢測管道徑向變形的徑向精度和表征檢測器沿管道運(yùn)行的里程精度。

3．1 周向檢測精度

檢測器共有4排檢測臂，每排16個(gè)，故在?325 mm管道（內(nèi)徑為300 mm）內(nèi)壁上均勻布置有64根檢測臂，周向檢測精度為300×π／64＝14．72 mm。即管道內(nèi)壁上每14．72 mm布置有1個(gè)檢測傳感器。周向檢測精度為14．72 mm遠(yuǎn)小于常見的管道變形缺陷。

3．2 徑向檢測精度

通徑檢測器的徑向檢測精度與選用檢測芯片的檢測精度和傳感器的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)建立如圖10所示的幾何模型。

圖10　檢測傳感器幾何模型

在該幾何模型中，θ為檢測臂的初始位置，h為擺臂的初始高度，擺臂的長度為r，芯片的檢測精度為Δθ。當(dāng)擺臂偏轉(zhuǎn)Δθ后，擺臂末端的高度變化Δh即為通徑檢測器的理論徑向檢測精度（不考慮檢測臂的磨損和由撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)）。設(shè)計(jì)的傳感器的幾何參數(shù)為h＝50 mm，r＝71 mm；查閱磁旋轉(zhuǎn)編碼芯片的說明書可得Δθ＝1.4°，可計(jì)算得到Δh＝1．25 mm，即徑檢測器的理論徑向檢測精度為1．25 mm。

3．3 里程精度

磁旋轉(zhuǎn)芯片直接測量里程輪轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，所以在理想情況下（不考慮打滑、里程輪脫離管壁），里程檢測精度與芯片的精度成正比，即

式中：ΔS為里程檢測精度；r為里程輪半徑；Δθ為芯片檢測精度。

將r＝30 mm、Δθ＝1．4°帶入式（2），可得里程檢測精度ΔS＝0．73 mm。由于實(shí)際運(yùn)行過程中存在振動(dòng)、打滑等問題，實(shí)際里程檢測精度要大于0．73 mm。

由于采用了高精度的磁旋轉(zhuǎn)編碼芯片，本文設(shè)計(jì)的通徑檢測器具有比同類產(chǎn)品更高的檢測精度。其能檢測到的徑向方向最小變形可達(dá)1．25 mm，遠(yuǎn)小于其他同類產(chǎn)品檢測5%管道徑向［14］變形的性能要求。多排檢測臂的結(jié)構(gòu)使檢測器的周向檢測精度能達(dá)到普通檢測設(shè)備的數(shù)倍。

4　結(jié)語

由于采用多排檢測臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用了精度較高的磁旋轉(zhuǎn)編碼器，本文設(shè)計(jì)的通徑檢測器比目前的同類產(chǎn)品的精度要高一些。該通徑檢測器不僅可以檢測管道的變形，還可以檢測一些管壁內(nèi)缺陷、焊縫以及大的裂紋，具備了部分智能管道檢測設(shè)備的功能。隨著國內(nèi)運(yùn)行管線的大量“老齡化”以及對(duì)安全生產(chǎn)要求的不斷提高，管道檢測作業(yè)將會(huì)越來越普遍，這種兼具普通通徑檢測器和部分智能檢測功能的產(chǎn)品可以提供精確的檢測數(shù)據(jù)，甚至可以在某些場合取代智能檢測設(shè)備，簡化管道檢測流程，必將具有廣闊的市場前景。

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Develop ment of High Precision Pipeline Caliper

JIAO Quan1，ZHANG Shimin1，LI Xiaolong1，WANG Guochao2，M EI Xutao1
（1.China Uniuersity of Petroleu m，Beijing102200，China；2.M aintenance Branch of China Petroleu m Pipeline Bureau，Langfang065001，China）

To solve the problem of poor sealing reliability and low inspecting precision in existing pipeline caliper，a new kind of caliper with four rows of inspection arms is developed on the basis of theoretical analysis．T he design includes mechanical structure and hard ware electrocircuit．T he mechanical structure design mainly consists of sealing structure and configuration of inspection arms．As for hardware electrocircuit design，a non-contacting high precision magnetic rotary encoder chip named A S5145 is chosen as inspecting element，data acquisition and storage system based on C A N busis also designed．Due to non-contacting inspecting of angle，the sealing reliability is higher than before．T heoretical analysis shows that inspecting resolution of radial deformation is 1．27 mm，w hich is higher than that of similar products．

high precision；caliper；magnetic rotary encoder

T E973．6

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．016

1001-3482（2015）01-0063-06

2014-07-14

焦 泉（1989-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事油氣管道智能裝備的研究，E-mail：jiaoquan820＠163．co m。