孫 崢，李永虔，楊金旭，翟國富

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所，黑龍江 哈爾濱 150001）

管道內(nèi)檢測電磁超聲在線測厚裝置

孫 崢，李永虔，楊金旭，翟國富

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所，黑龍江 哈爾濱 150001）

為檢測管道減薄程度并解決國內(nèi)管道厚度數(shù)據(jù)缺失問題，研制一種用于管道內(nèi)檢測的電磁超聲在線測厚裝置。針對(duì)管道檢測器振動(dòng)、EMAT提離增大帶來的誤差問題，裝置利用三通道電磁超聲換能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）分時(shí)工作，輪流觸發(fā)測厚后進(jìn)行平均；為實(shí)現(xiàn)檢測器行進(jìn)中的精確測厚及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，裝置通過提高回波信噪比并采用檢測首個(gè)回波周波的測厚算法提高測量精度，同時(shí)采用ARM、FPGA與AD協(xié)同工作的方式完成數(shù)據(jù)快速采集、存儲(chǔ)。為便于進(jìn)行算法調(diào)試及管道減薄分析，裝置可由上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行波形回放。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試，該裝置可實(shí)現(xiàn)8~35mm范圍內(nèi)在役管道厚度的內(nèi)檢測。

電磁超聲；內(nèi)檢測；在線測厚；厚壁管道；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

0 引 言

長輸油氣管道廣泛應(yīng)用于資源運(yùn)輸作業(yè)。對(duì)在役油氣管道內(nèi)檢測，不僅可以避免泄漏事故，同時(shí)可以解決國內(nèi)管道厚度數(shù)據(jù)缺失問題，提高管道運(yùn)營安全性、降低維護(hù)成本[1-2]。內(nèi)檢測主要包含管道缺陷檢測及厚度測量。目前管道內(nèi)檢測主要采用壓電超聲、脈沖渦流、漏磁及電磁超聲等方法。壓電超聲方法可測厚管壁厚，但依賴耦合劑[3]；脈沖渦流方法可分析豐富的頻譜內(nèi)容，但不能測量厚管壁厚[4]；漏磁方法可對(duì)缺陷、位置進(jìn)行測量，但需預(yù)先標(biāo)定、測厚過程繁瑣[5]。相比上述方法，電磁超聲兼具無需耦合劑、可檢測厚壁管道及測量快速等優(yōu)點(diǎn)[6]，因而受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

國外電磁超聲管道內(nèi)檢測技術(shù)，在缺陷檢測及測厚方面均相對(duì)領(lǐng)先。德國AG公司研制了一款結(jié)合電磁超聲與渦流技術(shù)的檢測系統(tǒng)，對(duì)管道裂紋缺陷及厚度進(jìn)行內(nèi)檢測[7]。美國GE公司研制的電磁超聲腐蝕檢測裝置可對(duì)管道厚度及應(yīng)力腐蝕開裂進(jìn)行內(nèi)檢測[8]。而國內(nèi)管道內(nèi)檢測領(lǐng)域中，電磁超聲技術(shù)的應(yīng)用鮮有報(bào)道。與管道定點(diǎn)檢測、監(jiān)測不同，內(nèi)檢測的管道檢測器裝備復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)速控制等要求較高[9]；且在檢測器行進(jìn)中，要求裝置測厚速度較快；同時(shí)，檢測器振動(dòng)易增大電磁超聲換能器（EMAT）提離，影響測厚精度。因此，實(shí)現(xiàn)電磁超聲管道內(nèi)檢測具有一定難度。目前電磁超聲內(nèi)檢測設(shè)備主要依賴進(jìn)口，較高的成本也阻礙了管道內(nèi)檢測工作推廣[10-11]。綜上所述，研制一種用于管道內(nèi)檢測的電磁超聲在線測厚裝置，具有重要的價(jià)值。

1 EMAT測厚原理

EMAT由線圈、永磁體及被測試件3部分組成，通過不同線圈與永磁體組合可激發(fā)出不同種類的超聲波。對(duì)管道在線測厚時(shí)，通常使用超聲體波，其激發(fā)機(jī)理主要為洛倫茲力。在EMAT線圈內(nèi)通以高頻交變電流，使金屬表面感生出交變磁場，進(jìn)而在試件表面產(chǎn)生同頻渦流。交變渦流在永磁體磁場作用下產(chǎn)生洛倫茲力，使試件內(nèi)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生周期性振動(dòng)。這種振動(dòng)在試件內(nèi)傳播開來，最終形成超聲體波[12]。EMAT工作機(jī)理如圖1所示。

圖1 EMAT工作機(jī)理

采用脈沖反射法進(jìn)行測厚，通過測量回波的反射時(shí)間t計(jì)算管道壁厚d，計(jì)算公式為

式中c為管道內(nèi)超聲波速，可通過預(yù)先校核得到。

2 裝置總體結(jié)構(gòu)及三通道EMAT設(shè)計(jì)

裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由三通道EMAT、發(fā)射接收電路以及數(shù)據(jù)采集處理電路3部分組成。

檢測器振動(dòng)主要通過增大EMAT提離而影響測厚精度[13]，為減小檢測器振動(dòng)、EMAT提離增大帶來的誤差，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)覆蓋測厚，將三通道EMAT周向排布在管道內(nèi)壁并輪流觸發(fā)測厚，EMAT重復(fù)頻率為100Hz。EMAT與檢測器通過彈簧機(jī)械連接支撐，以保證EMAT緊壓管壁，減小了檢測器振動(dòng)對(duì)EMAT提離造成的影響；同時(shí)由于彈簧機(jī)械支撐，各EMAT相對(duì)位置幾乎不變，若檢測器振動(dòng)導(dǎo)致一個(gè)EMAT提離增大，另兩個(gè)EMAT則壓緊管壁，從而保證另兩個(gè)EMAT測厚精度不受影響。三通道輪流測厚后進(jìn)行平均，可從一定程度上減小誤差。裝置通過大功率發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)EMAT，在管道內(nèi)壁激發(fā)超聲體波。反射回波由EMAT接收，通過多級(jí)放大和濾波電路組成的低噪聲回波接收電路，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大濾波。采用ARM、FPGA與AD協(xié)同工作的方式，控制體波的發(fā)射接收并采集回波信號(hào)，從而進(jìn)行厚度計(jì)算，最后將回波數(shù)據(jù)存入SD卡存儲(chǔ)單元。

三通道均采用相同EMAT。設(shè)計(jì)EMAT時(shí)，除需減小檢測器振動(dòng)引起提離造成的誤差，還需考慮EMAT對(duì)提離變化的敏感性。提高線圈頻率可使聲波能量更集中、一定程度上提高測厚精度，但也會(huì)使EMAT換能效果對(duì)提離變化更敏感，即提離增大時(shí)換能效果明顯變差[14]。兼顧EMAT對(duì)提離變化的敏感性及線圈頻率對(duì)測厚精度的影響，裝置采用2MHz螺旋線圈，與釹鐵硼永磁體配合設(shè)計(jì)EMAT。

3 電路及測厚算法設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路及回波接收電路設(shè)計(jì)

為保證體波激發(fā)強(qiáng)度，首先保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率。發(fā)射電路為D類功放電路，由脈沖驅(qū)動(dòng)電路與升壓電路組成，如圖3所示。發(fā)射電路產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過匹配阻抗作用于EMAT，從而產(chǎn)生交變信號(hào)。雖然增加脈沖數(shù)可提高信號(hào)幅值，但也會(huì)增長振蕩時(shí)間，限制可測厚度范圍。因此，驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用單脈沖觸發(fā)，升壓電路電壓達(dá)600V。

圖3 發(fā)射電路原理框圖

EMAT自身接收回波信號(hào)較弱且伴有一定噪聲，需要接收電路放大濾波，提高信噪比。接收電路中加入多級(jí)放大及帶通濾波電路，對(duì)不同頻率噪聲濾波，提高回波幅值，裝置的接收電路增益為70dB。

將發(fā)射接收電路在19.5mm鋼板上進(jìn)行體波激發(fā)接收，回波信號(hào)如圖4所示?；夭ǚ颠_(dá)1.5V，具有較高信噪比，可用于管道內(nèi)檢測。

圖4 在19.5mm鋼板中接收的2MHz回波波形

3.2 控制采集電路及測厚方法設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)快速測厚及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，控制采集電路采用ARM、FPGA與AD協(xié)同工作的方式：FPGA用于發(fā)射接收電路的通道選通，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理；ARM對(duì)FPGA進(jìn)行使能控制，并完成回波數(shù)據(jù)讀取、厚度計(jì)算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，ARM主頻為72 MHz。外置AD由FPGA提供控制時(shí)序，其采樣速率40MHz，采樣精度為12bit。由前述，EMAT重復(fù)頻率為100Hz，即兩次測厚時(shí)間間隔為10ms。每次測厚時(shí)，AD采集2048點(diǎn)，總數(shù)據(jù)量為4KB，采集時(shí)間約50 μs；采集的4KB數(shù)據(jù)通過SDIO協(xié)議寫入SD卡，存儲(chǔ)用時(shí)約1 ms。綜上，數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)時(shí)間小于測厚時(shí)間間隔。故該設(shè)計(jì)可滿足管道檢測中高速采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需求。

本文通過改進(jìn)測厚算法以提高測量精度。由于回波信噪比較低，傳統(tǒng)反射方法通過測量回波峰值間隔來測厚[15]。而管壁內(nèi)聲波波形往往不規(guī)律、峰值出現(xiàn)時(shí)刻不固定，因此管道測厚誤差較大。

針對(duì)上述問題，為了避免回波衰減較快造成的峰值時(shí)刻不固定的情況，裝置通過測量峰值時(shí)刻較為固定的首個(gè)周波返回時(shí)間以提高精度[16]。雖然首波峰值時(shí)刻較固定，但幅值較微弱，易受噪聲影響。為準(zhǔn)確檢測首波，除提高接收電路信噪比外，采用半波整形算法，對(duì)同周期正負(fù)半波取絕對(duì)值相乘、濾掉隨機(jī)噪聲。檢測首波后，即可計(jì)算厚度。

本裝置可實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，經(jīng)半波整形的回放波形如圖5所示。數(shù)據(jù)由上位機(jī)讀取并進(jìn)行波形回放，便于算法調(diào)試及管道減薄情況分析。

圖5 波形回放界面

式中c為超聲傳播速度，F(xiàn)s為AD采樣速率，由此可得本裝置分辨力約0.04mm。

實(shí)際測厚精度也會(huì)受到提離、噪聲等因素影響，根據(jù)三通道EMAT輪流測厚后取平均、降低線圈對(duì)提離變化的敏感性、電路降噪及改進(jìn)算法等方法，在測厚分辨力為0.04 mm情況下，預(yù)估實(shí)際管道測厚時(shí)誤差可保持在±0.1mm內(nèi)。以上為對(duì)誤差的預(yù)估，實(shí)際最大誤差將通過實(shí)驗(yàn)測得。

裝置理論測厚精度由分辨力R決定，可表示為

4 實(shí)驗(yàn)測試

為了評(píng)判本文裝置測厚性能，分別用游標(biāo)卡尺與本文裝置對(duì)鋼板測厚，聲速3240m/s。由于鋼板各點(diǎn)厚度存在差異，故采用測量鋼板平均厚度的方式：利用游標(biāo)卡尺對(duì)每種鋼板任取10點(diǎn)測厚后取平均，所測厚度為鋼板的平均厚度；使用測厚裝置對(duì)鋼板平均厚度進(jìn)行測量，每種鋼板任取10點(diǎn)，每點(diǎn)任取10組測厚結(jié)果取平均。對(duì)比結(jié)果如表1所示。經(jīng)測試，本文裝置測厚范圍可覆蓋8~35mm，絕對(duì)誤差不超過±0.05mm。

表1 鋼板測厚數(shù)據(jù)

利用裝置到實(shí)驗(yàn)場測試，如圖6所示。管道材質(zhì)為鋼，總長為100m，最大牽拉速度5m/s。體波聲速c約3240m/s，管道壁厚d=35mm；根據(jù)公式d=ct/2，可得聲波往返時(shí)間約22μs。因此，5m/s行進(jìn)速度下，體波往返中檢測器行進(jìn)約0.11mm。行進(jìn)距離相對(duì)換能器尺寸較小，故檢測器行進(jìn)不影響體波接收。

圖6 在現(xiàn)場管道內(nèi)進(jìn)行牽拉實(shí)驗(yàn)測試

經(jīng)測試，電磁超聲管道內(nèi)檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)管道測厚功能，最大絕對(duì)誤差不超過±0.1 mm，無需耦合劑，不需對(duì)探頭繁雜標(biāo)定，測厚精確快速。

5 結(jié)束語

本文采用三通道EMAT輪流觸發(fā)、分時(shí)檢測后取平均的方法，研制了一種用于管道內(nèi)檢測的電磁超聲在線測厚裝置。裝置可實(shí)現(xiàn)厚度計(jì)算、回波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及管道數(shù)據(jù)分析等功能。經(jīng)現(xiàn)場測試，最大絕對(duì)誤差在±0.1mm內(nèi)，管道測厚范圍達(dá)8~35mm。本裝置測厚精確快速，可用于無法持續(xù)涂抹耦合劑的燃?xì)夤艿兰拜斢凸艿纼?nèi)檢測，對(duì)提升管道運(yùn)營安全性及降低管道網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本，具有實(shí)際意義。

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（編輯：莫婕）

Thickness gauging equipment for ILI of pipelines using EMATs

SUN Zheng，LI Yongqian，YANG Jinxu，ZHAI Guofu
（Military Apparatus Research Institute，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

In order to solve the thickness data missing problem，a thickness gauging equipment for ILI （in-line inspection） of pipelines using EMATs（electromagnetic acoustic transducer） was developed.This equipment was also designed for detection of remaining thickness of pipe wall.In order to avoid errors caused by shaking of pipe detectors and increasing of lift-off，three-channel EMATs take turn to work，deriving the mean cumulative result as the thickness.By improving the signal-noise ratio and adopting the fist cycle，accurate thickness gauging and data storage was achieved on the move of the pipe detector.ARM，F(xiàn)PGA and AD cooperated to achieve high-speed data acquisition and storage.In order to debug the algorithm and detect the remaining thickness，the equipment also contains functions of data storage and wave form playback.Experimental results indicate that the equipment can gauge pipes whose wall thickness ranges from 8mm to 35mm.

EMAT；ILI；in-line thickness gauging；thick-wall pipe；data storage

A

：1674-5124（2017）02-0069-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.014

2016-07-20；

：2016-08-29

孫 崢（1993-），男，河北獻(xiàn)縣人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡姶懦曈蜌夤艿涝诰€檢測。