沈功田，武新軍，郭 鍇，萬 強，李 建

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；2.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；3.中特檢科技發(fā)展(北京)有限公司，北京 100029)

無線自動爬行漏磁檢測儀的開發(fā)研制

沈功田1,3，武新軍2，郭 鍇3，萬 強3，李 建1

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；2.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；3.中特檢科技發(fā)展(北京)有限公司，北京 100029)

根據(jù)壓力容器、壓力管道和大型常壓儲罐長周期運行不停機檢測的迫切需求，基于漏磁檢測原理，并采用無線遙控電機驅(qū)動、可調(diào)節(jié)可浮動傳感器、基于無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸與通訊等先進(jìn)技術(shù)，研制了無線自動爬行漏磁檢測儀。該檢測儀可對鐵磁性管狀或板狀構(gòu)件的腐蝕等缺陷進(jìn)行有效的檢測與評估。儀器主要由驅(qū)動模塊、傳感模塊、信號處理模塊、位置記錄裝置及信號采集與分析軟件組成。經(jīng)測試及現(xiàn)場應(yīng)用證明，該儀器可檢測出8 mm厚板或管試件上φ1.6 mm的通孔和φ10 mm×20%壁厚的球形孔缺陷，具有較高的檢測靈敏度。

漏磁；無線遙控；無線數(shù)據(jù)傳輸；鐵磁構(gòu)件；檢測儀

壓力容器、壓力管道和大型常壓儲罐在石油化工、冶金、制藥、食品等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。然而這些設(shè)備及裝置的安全事故卻時有發(fā)生，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染、經(jīng)濟損失,甚至危及人身安全，而腐蝕是其主要失效模式之一[1]。為了滿足我國對能源的需求和降低生產(chǎn)成本，我國大型石化裝置常處于長周期運行狀態(tài)。為了確保這些設(shè)備的安全運行，業(yè)內(nèi)對不停機檢測設(shè)備的需求變得較為迫切。

漏磁(MFL)檢測方法是一種電磁無損檢測方法，適合檢測腐蝕等體積型缺陷，其具有磁吸附特性以及無需耦合劑的特點，易于實現(xiàn)檢測的自動化，在壓力容器、壓力管道和大型常壓儲罐的不停機檢測中逐步得到了推廣與應(yīng)用。然而，現(xiàn)有漏磁檢測儀器多為手動式[2]，檢測費工費時，且易受操作人員影響，高空作業(yè)時還需搭建腳手架，不僅增加了檢測成本，還增加了安全風(fēng)險，有時不可能進(jìn)行不停機檢測。

根據(jù)壓力容器、壓力管道和大型常壓儲罐長周期運行不停機檢測的需求，同時為了提高檢測可靠性及檢測效率，降低檢測成本和規(guī)避安全風(fēng)險，筆者所在課題組在國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)項目的支持下，開發(fā)了能夠滿足現(xiàn)場工況需求的無線自動爬行漏磁檢測儀。筆者將對這臺先進(jìn)儀器的整機設(shè)計、硬件開發(fā)、軟件開發(fā)、整機和性能測試及現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

1 漏磁檢測方法概述

漏磁檢測方法的原理示意如圖1所示。當(dāng)鐵磁性構(gòu)件被外加磁化器磁化后，構(gòu)件內(nèi)可產(chǎn)生磁場，若構(gòu)件上存在腐蝕或機械損傷等缺陷，其磁導(dǎo)率將會變小、磁阻變大，從而使磁力線泄漏到構(gòu)件外部，構(gòu)件表面形成漏磁場；此時，如在磁化器中部放置—個磁場傳感器(通常采用霍爾元件或線圈等磁場傳感器)，則可探測到該漏磁場，由于漏磁場強度與缺陷深度和大小有關(guān)，因此可通過對漏磁場信號的分析來獲得構(gòu)件上缺陷的情況。圖2為測量不同漏磁場分量時的典型信號示意[3]。

圖1 漏磁檢測原理示意

圖2 典型漏磁信號示意

從圖1可知，漏磁檢測方法可對鐵磁性構(gòu)件進(jìn)行非接觸掃查檢測，但不能用于非鐵磁性構(gòu)件的檢測。在檢測鐵磁性構(gòu)件時，雖然會受到掃查速度與方向、提離值、被檢工件的幾何尺寸和電磁特性及檢測儀器的磁化能力等因素的影響[3]，但該方法具有的非接觸特性，使得通常情況下無需對被檢件表面進(jìn)行特殊處理，具有檢測速度快、成本低的優(yōu)點，既可用于制造過程中的檢測，還可用于在役和在線檢測，故研制相應(yīng)檢測儀器具有重要意義。

2 整機設(shè)計

為提高研制效率和便于調(diào)試改進(jìn)，采用模塊化的設(shè)計思想對自動爬行漏磁檢測儀進(jìn)行整體設(shè)計。該儀器應(yīng)具有掃查運動、傳感、信號采集與處理、指令與信號無線傳輸、信號存儲與分析的功能，這些功能由驅(qū)動、傳感和信號處理模塊實現(xiàn)。

圖3 漏磁檢測儀總體結(jié)構(gòu)框圖

圖3為漏磁檢測儀總體結(jié)構(gòu)框圖。其中，驅(qū)動模塊用于實現(xiàn)和控制檢測儀的掃查運動。出于安全因素的考慮，需確保運動控制指令無線傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，為此將該類指令的傳輸功能列入驅(qū)動模塊中實現(xiàn)。傳感模塊用于拾取鐵磁性構(gòu)件表面的漏磁場并將其轉(zhuǎn)換為電信號，以便后續(xù)處理。信號處理模塊用于對傳感模塊獲取的電信號進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、存儲、顯示、分析等處理，以及對檢測控制指令和檢測信號進(jìn)行無線傳輸。此外，還需電源模塊對上述3個模塊供電。

3 硬件開發(fā)

硬件開發(fā)主要包括驅(qū)動模塊、傳感模塊、信號處理模塊和電源模塊的硬件開發(fā)。

3.1 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊需實現(xiàn)和控制檢測儀的掃查運動，且應(yīng)確保運動控制指令無線傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，因而其主要由圖4所示的無線遙控器、控制電路和電機等組成。其中，無線遙控器用于發(fā)送運動指令，選用頻率為2.4 GHz的工業(yè)遙控器即可滿足現(xiàn)場遙控操作的要求[2]?？刂齐娐酚糜诮邮者\動指令，并根據(jù)運動指令控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，從而控制檢測儀的前進(jìn)、后退和停止。為保障爬行器運動的可靠性及檢測的安全性，爬行器每個輪子都配有1個24 V供電的電機。

圖4 驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)框圖

3.2 傳感模塊

傳感模塊應(yīng)具有拾取鐵磁性構(gòu)件表面的漏磁場并將其轉(zhuǎn)換為電信號的功能，因而其主要由圖5所示的磁化器和磁感裝置組成，前者用于磁化被檢測對象，后者用于拾取漏磁場并將其轉(zhuǎn)換為電信號。

圖5 漏磁檢測儀傳感模塊結(jié)構(gòu)示意

為磁化被檢測對象，同時便于漏磁場的拾取，磁化器主要由磁鐵和銜鐵組成。其中，磁鐵選用高磁能積、高矯頑力的N52磁鐵作為磁源；銜鐵選用磁導(dǎo)率高且易加工的低碳鋼制成，以便形成磁路對被檢測對象進(jìn)行磁化。

圖6 磁感裝置結(jié)構(gòu)示意

為拾取漏磁場并將其轉(zhuǎn)換為電信號，磁感裝置內(nèi)安裝有體積小、靈敏度高且性能穩(wěn)定的霍爾元件。在霍爾元件兩側(cè)，布置有高磁導(dǎo)率材料制成的聚磁片，以提高霍爾元件的有效檢測范圍并均化漏磁信號[5]。為使傳感模塊具有一定的越障能力，將霍爾元件與聚磁片安裝于傳感支架上，在彈簧和外力的作用下隨著傳感支架在磁感裝置罩內(nèi)移動，移動的最大行程由安裝在磁感裝置罩上的限位螺釘限定。為獲得較高信噪比的漏磁檢測信號，需使傳感模塊工作在提離最優(yōu)的情況下，而最優(yōu)提離與被檢對象和工況有關(guān)，因而傳感模塊的提離設(shè)計成可通過磁感裝置連接板上的螺釘位置來調(diào)節(jié)。

3.3 信號處理模塊

信號處理模塊需具有對傳感模塊獲取的電信號進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、存儲、顯示、分析等處理的功能，以及具有對檢測控制指令和檢測信號進(jìn)行無線傳輸?shù)墓δ?，?jù)此開發(fā)的漏磁信號處理模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。信號處理硬件模塊包括預(yù)處理單元(放大、濾波)、A/D轉(zhuǎn)換單元、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)以及WIFI通訊單元等。其中信號預(yù)處理單元負(fù)責(zé)漏磁模擬數(shù)據(jù)的放大、濾波與多通道選擇。對于局部急劇變化的信號，采用交流放大，消除信號中的低頻或直流分量；對于緩慢變化的信號采用直流放大[6]。A/D轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)將漏磁模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過FPGA控制A/D芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)字信號通過WIFI通訊單元傳輸至計算機[7-8]。WIFI通訊單元具有無線網(wǎng)絡(luò)通訊功能，通過TCP/IP協(xié)議與計算機進(jìn)行交互，傳遞數(shù)據(jù)、指令及信息等。

圖7 漏磁信號處理模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

此外，當(dāng)漏磁檢測傳感器在掃查時，還需根據(jù)檢測信號對缺陷進(jìn)行定位分析，因而選用旋轉(zhuǎn)編碼器記錄位置信息，在此基礎(chǔ)上設(shè)計的位置記錄裝置如圖8所示。該位置記錄裝置由編碼器、編碼器罩、輪軸、行走輪和輪架組成，其中，編碼器罩與輪架相連，編碼器的轉(zhuǎn)動軸與行走輪的輪軸相連；當(dāng)行走輪滾動時帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，檢測儀在掃查的同時，漏磁信號的位置信息也被記錄。

圖8 位置記錄裝置結(jié)構(gòu)示意

3.4 電源模塊 電源模塊用于對驅(qū)動模塊、傳感模塊及信號處理模塊供電。為減小驅(qū)動模塊對傳感模塊及信號處理模塊的影響，以及滿足連續(xù)供電6 h以上的要求，同時考慮到整機的便攜性，選用容量為5 200 mA·h，輸出電壓為24 V，尺寸(長×寬×高)為144 mm×43 mm×60 mm的鋰電池為驅(qū)動模塊的電機供電；選用容量為10 000 mA·h，輸出電壓為5 V，尺寸(長×寬×高)為91 mm×60.4 mm×22 mm的鋰電池為傳感模塊中的霍爾元件及信號處理模塊中的放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集器和位置記錄裝置供電。

4 信號采集與分析軟件開發(fā)

為便于無線自動爬行漏磁檢測儀的使用，在VC平臺下開發(fā)了配套的信號采集與分析軟件，其主界面如圖9所示。

圖9 信號采集與分析軟件主界面

信號采集與分析軟件的主界面包括信號采集功能按鈕區(qū)、信號分析功能按鈕區(qū)、信號顯示窗口、狀態(tài)信息窗口、屏幕翻頁按鈕區(qū)和通道翻頁按鈕區(qū)。信號采集功能按鈕區(qū)與信號分析功能按鈕區(qū)用于對漏磁檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集顯示、存儲、分析等操作，其主要包括檢測、顯示設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)、匯總報告等功能按鈕。點擊檢測按鈕時，彈出文件存儲對話框，操作者可將數(shù)據(jù)存儲為自定義文件格式，與此同時多通道漏磁數(shù)據(jù)以曲線形式顯示于信號顯示窗口區(qū)；點擊顯示設(shè)置按鈕可以調(diào)整顯示方式包括對數(shù)據(jù)波形的整體放大或縮小、顯示范圍及通道選擇顯示等；點擊歷史數(shù)據(jù)按鈕可對已儲存的漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示分析；點擊匯總報告按鈕，可生成檢測記錄及漏磁檢測報告[3,9]。信號顯示窗口用于將漏磁數(shù)據(jù)以波形方式顯示出來，其上面設(shè)有信號閾值線，不同閾值范圍的信號以不同的顏色顯示，便于觀察分析漏磁檢測結(jié)果。狀態(tài)信息窗口用于顯示漏磁檢測數(shù)據(jù)的文件名、時間、操作員等信息。屏幕翻頁按鈕區(qū)及通道翻頁按鈕區(qū)用于對漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行翻頁顯示，方便查找漏磁異常信號的位置。信號采集與分析軟件界面簡潔、操作方便、功能完善、易于升級，實現(xiàn)了對漏磁數(shù)據(jù)的采集顯示、存儲、顯示、分析等多種功能。

操作軟件進(jìn)行信號采集及分析的主要流程如下：點擊檢測按鈕，數(shù)據(jù)采集器將獲取的漏磁信號通過無線局域網(wǎng)(WLAN)實時傳輸至計算機，并以波形的形式動態(tài)顯示于軟件的“信號顯示窗口區(qū)”，儀器操作者可以實時觀察檢測信號；點擊停止按鈕，漏磁檢測數(shù)據(jù)將以文件的形式存儲在計算機中。點擊歷史數(shù)據(jù)按鈕可查看已經(jīng)保存的漏磁檢測數(shù)據(jù)，點擊屏幕翻頁按鈕可對檢測的所有漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行查看并查找疑似的缺陷信號。缺陷信號的波形峰值較大，且波形顏色以紅色或黃色顯示；且典型的漏磁缺陷波形信號類似為正弦波、余弦形、單峰形或單谷形等，這些特征可用于漏磁缺陷的識別。

5 整機與性能測試

5.1 整機

圖10 漏磁檢測儀整機實物圖片

研制的無線自動爬行漏磁檢測儀整機實物圖片如圖10所示。在用該儀器對被檢測對象進(jìn)行檢測時，通過遙控器控制檢測儀掃查行進(jìn)，儀器在電機驅(qū)動下對被測對象進(jìn)行掃查，同時位置記錄裝置記錄采集的漏磁數(shù)據(jù)的位置信息，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至計算機，當(dāng)探頭完成對整個對象掃查后，用計算機軟件對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、讀取、顯示、分析等處理，最終完成對被測對象腐蝕等缺陷的檢測評估。

為測試漏磁檢測儀的性能，制作了如圖11所示的鋼管及鋼板試件，試件材料為Q235和Q345鋼。其中現(xiàn)場常用的試件有尺寸(外徑×壁厚，下同)為φ219 mm×8 mm，φ219 mm×10 mm，φ273 mm×10 mm的管道及尺寸(長×寬×厚，下同)為1 400 mm×600 mm×8 mm的試板。

圖11 漏磁檢測試件實物圖

5.2 性能測試

利用研制的漏磁檢測儀對上述常用試件進(jìn)行信號測試試驗，操作遙控器控制檢測儀分別在鋼管與鋼板上往復(fù)多次掃查，漏磁數(shù)據(jù)通過無線路由器傳輸至計算機，在軟件上實時顯示并分析數(shù)據(jù)，得到測試結(jié)果如下。

5.2.1φ1.6 mm通孔缺陷檢測

圖12 漏磁檢測儀對φ1.6 mm通孔缺陷的測試信號

在φ219 mm×8 mm鋼管與1 400 mm×600 mm×8 mm鋼板上分別對研制的漏磁檢測儀進(jìn)行缺陷信號測試試驗，其中鋼管與鋼板上設(shè)有φ1.6 mm通孔[10]缺陷，得到的檢測結(jié)果如圖12所示。由圖12可見，對于鋼管與鋼板均可檢測出φ1.6 mm通孔缺陷，且缺陷定位準(zhǔn)確，檢出率在95%以上。

5.2.2 刻槽缺陷檢測

在φ219 mm×10 mm鋼管與1 400 mm×600 mm×8 mm鋼板上分別對研制的漏磁檢測儀進(jìn)行缺陷信號測試試驗，其中鋼管與鋼板上分別刻有占壁厚20%,40%,60%,80%的矩形刻槽缺陷，得到的檢測結(jié)果如圖13所示。由圖13可見，對于管道與試板，該儀器均可檢測出20%,40%,60%,80%壁厚損失的矩形刻槽缺陷，且缺陷定位準(zhǔn)確。其中由于儀器運動空間受限，在管道上檢測到20%,40%，60%壁厚損失的矩形刻槽缺陷。

圖13 漏磁檢測儀對刻槽缺陷的測試信號

5.2.3 球孔缺陷檢測

在φ273 mm×10 mm鋼管與1 400 mm×600 mm×8 mm鋼板上分別對研制的漏磁檢測儀進(jìn)行缺陷信號測試試驗，其中鋼管與試板上設(shè)有20%,40%,60%,80%壁厚損失的球形盲孔缺陷，得到檢測結(jié)果如圖14所示。由圖14可見，對于鋼管與鋼板,40%,60%,80%壁厚損失的球形盲孔缺陷信號明顯清晰，且缺陷定位準(zhǔn)確;而20%壁厚損失缺陷顯示不太清晰。

圖14 漏磁檢測儀對球形盲孔缺陷的測試信號

6 現(xiàn)場檢測應(yīng)用

為驗證該漏磁檢測儀的可靠性及現(xiàn)場檢測能力，對廣州某天然氣站的天然氣輸送管道和消防水管道進(jìn)行現(xiàn)場檢測應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)消防水管道中存在嚴(yán)重腐蝕缺陷。

利用漏磁檢測儀對消防水管道進(jìn)行遙控掃查，得到檢測信號如圖15所示，可見某部位出現(xiàn)了大量疑似缺陷信號，該部位信號雜亂且檢測波形變化明顯，出現(xiàn)了大量峰值較大的信號。對缺陷信號最強的部位進(jìn)行超聲波復(fù)驗，出現(xiàn)壁厚明顯減小的結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)該位置有穿孔缺陷出現(xiàn)，實際缺陷位置與信號缺陷位置對應(yīng)。圖16所示為缺陷管段實物圖。同時，對缺陷信號其他峰值較大的部位也進(jìn)行了超聲波復(fù)檢，同樣發(fā)現(xiàn)管道壁厚明顯減小，證實該消防水管道在該管段存在一段腐蝕區(qū)域，腐蝕最嚴(yán)重的部位出現(xiàn)了穿孔。由于消防水使用的是河水，管道確實容易受到腐蝕。

圖15 廣州某天然氣站現(xiàn)場檢測漏磁信號

圖16 缺陷管段實物圖

7 結(jié)論

根據(jù)漏磁檢測原理，以局部磁化技術(shù)為基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計思想，利用無線遙控和無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，研制了一套無線自動爬行漏磁檢測儀。通過試驗測試和現(xiàn)場應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

(1) 儀器的傳感模塊提離值靈活可調(diào)節(jié)且具有越障能力；具有無線遙控電機驅(qū)動，避免了腳手架搭建等輔助工作；具有自動化程度高及檢測效率高等特點。

(2) 儀器具有無線數(shù)據(jù)采集及無線數(shù)據(jù)傳輸功能，避免了現(xiàn)場工況線纜纏繞等干擾；其軟件兼容性較高，操作便捷，易于升級。

(3) 儀器可檢測出8 mm厚試件上φ1.6 mm通孔缺陷、20%壁厚損失刻槽缺陷、40%壁厚損失球形孔缺陷，具有較高的檢測靈敏度。

(4) 儀器適用于外徑大于200 mm，壁厚4～22 mm的管狀或板狀鐵磁性構(gòu)件腐蝕等缺陷的檢測與評估；在儲罐外壁板、管道、起重機橫梁等構(gòu)件上進(jìn)行了測試試驗及現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[10] GB/T 12606-1999 鋼管漏磁探傷方法[S].

Development of Wireless and Automatic Crawling Instrument Based on Magnetic Flux Leakage Technique

SHEN Gongtian1,3, WU Xinjun2, GUO Kai3, WAN Qiang3, LI Jian1

(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China；2.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;3.Zhongtejian Technology & Development (Beijing) Co., Ltd., Beijing 100029, China)

Due to the urgent need of long-periodic safe running and in-service testing for pressure vessel, pressure piping and large-scale atmospheric tank, the wireless and automatic crawling instrument has been developed based on the principle of magnetic flux leakage testing technique. Some advanced technology such as wireless remote control, adjustable and floating sensor, and wireless local area network (WLAN) data transmission and communication have been utilized in this instrument. The equipment is mainly composed of drive module, sensor module, signal processing module, device of recording signal positions and signal acquisition and analysis software. It can make effective detection and assessment about corrosion defects for ferromagnetic specimens. The instrument has a high detection sensitivity through testing and field application. It can detect man-made defects ofφ1.6 mm hole andφ10 mm×20% thickness spherical pit for pipes and plate specimens with 8mm thickness.

magnetic flux leakage; wireless remote control; WLAN data transmission; ferromagnetic specimens; testing instrument

2017-06-14

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項基金資助項目(2012YQ090175)

沈功田(1963-)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為聲發(fā)射、紅外和電磁等無損檢測新技術(shù)

沈功田， shengongtian@csei.org.cn

10.11973/wsjc201708001

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0001-06