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(1.沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司，沈陽(yáng) 110043;2.中國(guó)石油管道分公司沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心，沈陽(yáng) 110031)

1 背景介紹

在石油和天然氣行業(yè)，對(duì)于原油與精煉產(chǎn)品來(lái)說(shuō),管道無(wú)疑是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的運(yùn)輸方式，特別是在遠(yuǎn)距離輸送的情況下。然而，管道本身容易受到外界損害，例如：天氣、環(huán)境的威脅，退化因素和老化問(wèn)題等，同時(shí)初始建設(shè)時(shí)也可能存在缺陷。除了造成重大經(jīng)濟(jì)損失外，石油天然氣管道發(fā)生破損也會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，因此必須通過(guò)有效的管道完整性管理系統(tǒng)來(lái)預(yù)防破損的發(fā)生。這些措施包括對(duì)管道進(jìn)行合理維護(hù)和清潔來(lái)避免管道堵塞，并通過(guò)周期性的無(wú)損檢測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)內(nèi)外管道狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)可能的缺陷[1]。

管道檢測(cè)儀器(通稱(chēng)檢測(cè)器)對(duì)管道既能進(jìn)行清理又能實(shí)施檢測(cè)，在管道基礎(chǔ)設(shè)施管理中起著關(guān)鍵作用。當(dāng)今的管道檢測(cè)領(lǐng)域，清管和檢測(cè)分別由兩種完全不同的儀器完成，即清管器和管道內(nèi)檢測(cè)器[2]。前者用于清除管道內(nèi)的碎屑和蠟的積聚；后者用于通過(guò)數(shù)據(jù)記錄來(lái)檢測(cè)管道的狀態(tài)，其中一個(gè)或多個(gè)特定特征可通過(guò)不同種類(lèi)的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。

測(cè)徑器是眾多智能清管器的一種，被專(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)量管道內(nèi)徑的變化[4]。傳統(tǒng)意義上的智能清管器比普通清管器成本更高：更脆弱，需要更嚴(yán)格的操作條件，有較高的卡堵風(fēng)險(xiǎn)[5]。筆者提出了一種新型低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、有檢測(cè)功能的泡沫測(cè)徑器。該測(cè)徑器通過(guò)安裝特殊的壓力傳感器能夠檢測(cè)、定位管道內(nèi)徑和粗糙度的變化。與傳統(tǒng)意義上的機(jī)械式智能檢測(cè)器相比，該檢測(cè)器能夠提供更多關(guān)于管道結(jié)構(gòu)的信息，表現(xiàn)出更好的靈敏度和附加功能。

2 結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的新型智能泡沫測(cè)徑器，主要用普通泡沫清管器作為載體，并搭載新型傳感器和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能模塊。泡沫測(cè)徑器由于其具有的靈活性和伸縮性，常用于簡(jiǎn)單廉價(jià)的清潔工作。為了充分利用泡沫清管器的靈活性，增加的智能系統(tǒng)的尺寸必須小于泡沫清管器最大縮徑時(shí)內(nèi)腔的尺寸。系統(tǒng)的不同功能(數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、傳感器、能量供給等)已經(jīng)被設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，以提供高適應(yīng)性。設(shè)計(jì)的模塊可以很容易地組裝和拆卸，既可以降低成本，又可以輕松更換損壞的部件，安裝在不同類(lèi)型的清管器上。

該新型智能泡沫測(cè)徑器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其在泡沫載體的后側(cè)放置了一個(gè)金屬爪，爪上附有傳感器能夠檢測(cè)管道內(nèi)徑的大小及位置，并且還可以評(píng)估和記錄管道內(nèi)部的表面粗糙度，有助于發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷。

圖1 用于測(cè)試的智能泡沫測(cè)徑器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

在12 in.(1 in.=25.4 mm)的中密度聚氨酯泡沫載體中，澆注有4 mm厚鋁質(zhì)固定盤(pán)，其通過(guò)螺栓與金屬連接法蘭相連接。數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊，是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的多層印刷電路板(PCB)，被封裝在一個(gè)密封區(qū)域中，該設(shè)計(jì)盡可能最大化提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)徑感應(yīng)系統(tǒng)是一個(gè)埋在聚合物中的不銹鋼結(jié)構(gòu)(通常比測(cè)量直徑大5%)，變形量達(dá)到40%。檢測(cè)時(shí)，使用夾在臂內(nèi)的金屬箔應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)傳感器支臂的彎曲程度。這種類(lèi)型的應(yīng)變片可以放置在彈性的聚酰亞胺薄片上，提供高精度的測(cè)量，并能夠在高達(dá)180 ℃的溫度下工作。在允許的變形范圍內(nèi)，可以用線性函數(shù)近似計(jì)算臂的彎曲和應(yīng)變片響應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)靈敏度系數(shù)k(基于臂的幾何形狀、材料彈性、應(yīng)變計(jì)靈敏度和信號(hào)放大器增益等綜合參數(shù))，與采集回的彎曲信號(hào)相乘得到管徑的變化。圖2是測(cè)徑傳感系統(tǒng)和應(yīng)變片的外觀圖片。

圖2 測(cè)徑傳感臂及其內(nèi)部應(yīng)變片外觀

圖3 在線電子系統(tǒng)

在線電子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電源供應(yīng)、初始信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。而更多復(fù)雜的分析軟件則在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)。采集的信號(hào)包括安裝在測(cè)徑臂上的6個(gè)壓力傳感器和集成在PCB板上的一個(gè)三軸加速度計(jì)，該加速度計(jì)可用來(lái)判斷泡沫測(cè)徑器在管道中的位置。數(shù)據(jù)的下載、后續(xù)處理及電池充電通過(guò)一個(gè)USB接口與電腦連接。圖3是電子系統(tǒng)的實(shí)物圖，每個(gè)壓力傳感器都帶一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍的平衡電橋、加速度計(jì)(ADXL330)、一個(gè)2G的SD存儲(chǔ)卡、一個(gè)用于測(cè)量與系統(tǒng)管理的主控單元、一個(gè)用于USB通信的控制單元、一個(gè)計(jì)時(shí)器和電池充電電路(兩塊不同的電池分別被用在數(shù)字和模擬電路上，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性)。主控制單元是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，在達(dá)到最大采樣頻率的同時(shí)兼顧低耗能要求?？紤]到普通清管器運(yùn)行時(shí)流速在0.2～3 m·s-1，電池充一次電可以連續(xù)運(yùn)行20 h，檢測(cè)里程在20～100 km。

系統(tǒng)有兩種切換模式，一種為正常模式，所有輸入信號(hào)的采樣頻率為1 kHz;一種為快速模式，僅一組對(duì)稱(chēng)的測(cè)徑臂的采樣頻率為16 kHz，其他的測(cè)徑臂不工作。在一個(gè)周期內(nèi)，99%的時(shí)間在正常模式，1%的時(shí)間處于快速模式。這種設(shè)計(jì)主要是為了在進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)的能耗仍然能達(dá)到最低水平。高精度測(cè)量的采樣精度達(dá)到每10 mm采集1個(gè)點(diǎn)，可以滿足一般的管道內(nèi)大型缺陷和粗糙度的檢測(cè)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

基于上述原理，開(kāi)發(fā)了兩臺(tái)幾何測(cè)徑器樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下評(píng)估其功能及可靠性。樣機(jī)最后的總裝配體和分開(kāi)的功能體外觀如圖4所示。

圖4 幾何測(cè)徑器樣機(jī)外觀

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示，疲勞測(cè)試及功能穩(wěn)定性測(cè)試在疲勞試驗(yàn)機(jī)上同時(shí)進(jìn)行，疲勞試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為Bose Electro Force 3200，以步進(jìn)方式輸出225 N的預(yù)載力。測(cè)徑器模型被緊固到試驗(yàn)機(jī)卡盤(pán)中，當(dāng)卡盤(pán)上下移動(dòng)時(shí)，測(cè)徑器臂被上下壓縮,臂上傳感器輸出相應(yīng)信號(hào)。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

疲勞試驗(yàn)機(jī)上下移動(dòng)范圍為0.04～12 mm，對(duì)應(yīng)目標(biāo)管道表面粗糙度(±20 μm)和管道最大縮徑(±20%管道內(nèi)徑)。為了評(píng)估模型在不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，實(shí)際信號(hào)頻率在1～187 Hz內(nèi)變化，對(duì)應(yīng)每個(gè)周期5到1 000個(gè)采樣點(diǎn)。下文對(duì)在不同條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)，測(cè)徑模型測(cè)得的位移信號(hào)(藍(lán)色線)與疲勞試驗(yàn)機(jī)的位移(綠色線)和力信號(hào)(紅色線)進(jìn)行比較。由于試驗(yàn)中預(yù)載力一致，為使信號(hào)具有可比性，對(duì)三種信號(hào)的受力進(jìn)行了線性歸一化處理。

圖6 試驗(yàn)機(jī)位移±6 mm/頻率5 Hz時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

圖7 試驗(yàn)機(jī)位移±1 mm/頻率100 Hz時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

圖6,7為在不同頻率(分別為5，100 Hz)、不同位移范圍(分別為±6 mm及±1 mm)下加載正弦位移時(shí)，模型測(cè)得的位移變化與時(shí)間的關(guān)系。在兩次測(cè)試中，測(cè)徑器模型測(cè)得的結(jié)果與疲勞試驗(yàn)機(jī)加載結(jié)果有很好的一致性。在低頻域，最大信號(hào)偏離不超過(guò)1%，這個(gè)誤差在允許范圍內(nèi)。在高頻域，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型仍能在主頻上體現(xiàn)出與疲勞試驗(yàn)機(jī)加載特性的一致性。

圖8 試驗(yàn)機(jī)位移±20 μm/頻率100 Hz時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

模擬管道內(nèi)表面粗糙度對(duì)測(cè)徑器的影響，得到如圖8所示結(jié)果?？梢?jiàn)，在100 Hz頻率下，±20 μm位移范圍內(nèi)上下波動(dòng)，獲取信號(hào)(藍(lán)線)已經(jīng)非常接近最小可偵測(cè)信號(hào)，但通過(guò)采樣信號(hào)均值化處理(綠線)后測(cè)得的正弦信號(hào)趨勢(shì)仍然能很好地體現(xiàn)加載信號(hào)的特征。

為了模擬測(cè)徑模型的線性度，向測(cè)徑臂上加載三角形波動(dòng)(10 s周期內(nèi)位移的峰峰值為12 mm)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，得到相對(duì)穩(wěn)定的斜率特征，表明被測(cè)系統(tǒng)具有很好的線性度。

圖9 試驗(yàn)機(jī)位移±6 mm/三角形波/10 s周期時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

最后，為了驗(yàn)證測(cè)徑器的魯棒性，將一個(gè)測(cè)徑臂固定在疲勞試驗(yàn)機(jī)上，以20 Hz頻率循環(huán)加載峰峰值為±3 mm的位移，進(jìn)行10個(gè)循環(huán)為一個(gè)周期的破壞性試驗(yàn)，連續(xù)加載80 min。圖10是在不同測(cè)試階段的數(shù)據(jù)比較。

圖10 試驗(yàn)機(jī)位移±3 mm/頻率20 Hz/80 min時(shí)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果(每個(gè)部分由虛線隔開(kāi))

第一和第四部分對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的開(kāi)始和結(jié)束階段，第二和第三部分對(duì)應(yīng)試驗(yàn)開(kāi)始的20 min和60 min。測(cè)得的位移數(shù)據(jù)沒(méi)有漂移和減弱，表明整個(gè)系統(tǒng)有良好的均一性和魯棒性。實(shí)際上，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，信號(hào)均沒(méi)有明顯的波動(dòng)，驗(yàn)證了該檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的管道參數(shù)如下：管道直徑為12 in.；管道長(zhǎng)度為8.165 km；介質(zhì)為液態(tài)水；測(cè)試工作壓力約為2 kg；平均速度為1.1 m·s-1；運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約為2 h。

在相同的操作條件下，連續(xù)兩天在兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)試中啟動(dòng)了兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的12 in.泡沫測(cè)徑器，以進(jìn)行機(jī)械穩(wěn)定性、測(cè)量的重復(fù)性和正確操作的雙重試驗(yàn)驗(yàn)證。

在對(duì)管道進(jìn)行初步驗(yàn)證后，投放一個(gè)普通清管器對(duì)管道進(jìn)行初步清潔，然后再投放第一個(gè)12 in.泡沫測(cè)徑器樣機(jī)，圖11所示為在介質(zhì)推進(jìn)之前第一個(gè)樣機(jī)發(fā)射的兩個(gè)階段。

圖11 智能泡沫檢測(cè)器投放前和運(yùn)行中的圖片

圖12所示為發(fā)射后大約2 h，收取到的測(cè)徑器，可見(jiàn)除了泡沫載體和鋼螺母探針外表面上的自然磨損(消耗大約一半的高度)，樣機(jī)的所有機(jī)械部件都沒(méi)有損壞，所有密封單元在測(cè)試條件下都工作可靠，電子部分工作正常，最后通過(guò)集成在印刷電路板(PCB)上的磁性傳感器關(guān)斷電源。

圖12 收取的智能泡沫檢測(cè)器

第二臺(tái)樣機(jī)在與第一臺(tái)樣機(jī)在相同的工作環(huán)境下發(fā)射。收取第二臺(tái)樣機(jī)后，與第一次樣機(jī)測(cè)試相同，第二臺(tái)樣機(jī)的所有部件及功能都無(wú)損壞。在相同條件下進(jìn)行的雙重測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了樣機(jī)整體設(shè)計(jì)的可靠性。

同一天，管道運(yùn)營(yíng)方用一個(gè)傳統(tǒng)意義上的機(jī)械式智能測(cè)徑器(見(jiàn)圖13)對(duì)該管道進(jìn)行了檢測(cè)，得到的數(shù)據(jù)與上述兩個(gè)泡沫測(cè)徑器樣機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，并進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證。挖開(kāi)后，對(duì)管道元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果與泡沫測(cè)徑器測(cè)得的數(shù)據(jù)基本一致。

圖13 機(jī)械式單通道幾何測(cè)徑器

圖14 軟件的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析示例

5 分析軟件

針對(duì)該泡沫測(cè)徑器的管道數(shù)據(jù)分析軟件已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)。在管道檢測(cè)器運(yùn)行過(guò)程中，獲取的原始數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在固態(tài)存儲(chǔ)器上并可以通過(guò)USB連接下載到上位機(jī)上進(jìn)行分析。軟件能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曲線，以便進(jìn)一步后處理及缺陷識(shí)別。圖14(a)描述的是一個(gè)形變數(shù)據(jù)如何在用戶的軟件接口中變?yōu)榭梢暬睦樱瑘D中每一條軌跡對(duì)應(yīng)于泡沫測(cè)徑器每個(gè)支臂上嵌入的壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)。圖14(b)中綠色的線對(duì)應(yīng)綠點(diǎn)所指示的支臂，在泡沫測(cè)徑器經(jīng)過(guò)位于管道入口處的缺陷時(shí)，圖中可以清晰顯現(xiàn)出一個(gè)明顯的形變量(增大量)。

圖15 軟件窗口界面

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，軟件也可以檢測(cè)到兩段連續(xù)管道連接處的焊縫。另反映泡沫測(cè)徑器周向旋轉(zhuǎn)及檢測(cè)器垂直與水平方向的擺角的數(shù)據(jù)，獲得的處理信號(hào)是由一個(gè)嵌入在PCB板上的三軸加速度計(jì)檢測(cè)到的，這對(duì)于定位來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。圖15為軟件的完整界面，包含了對(duì)應(yīng)于被檢測(cè)管道連接處的垂直標(biāo)記，三軸加速度計(jì)信號(hào)(圖上方的紅，白，藍(lán)軌跡)顯示的是檢測(cè)器滾動(dòng)和傾斜的兩幅視圖，以及支臂瞬時(shí)變形的放大顯示。

基于數(shù)據(jù)并通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，可辨識(shí)管道特征,包括：① 水平和垂直曲線；② 閥門(mén)，T型接頭，焊縫以及坑陷；③ 障礙和顛簸；④ 裂紋和凹坑；⑤ 橢圓度和縮徑；⑥ 通過(guò)系統(tǒng)的加速度計(jì)數(shù)據(jù)得出管線走向。

6 數(shù)據(jù)分析與討論

在本節(jié)中，討論現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果。兩個(gè)原理樣機(jī)在兩次測(cè)試中獲得數(shù)據(jù)的一致性，證明了測(cè)量的可重復(fù)性，并排除了檢測(cè)錯(cuò)誤的可能性。對(duì)傳統(tǒng)意義上的機(jī)械式測(cè)徑器收集的數(shù)據(jù)與文章用樣機(jī)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以評(píng)估其有效性。表1列出了按類(lèi)型分組檢測(cè)到的元素信息。

表1 機(jī)械式測(cè)徑器與泡沫測(cè)徑器檢測(cè)到的元素?cái)?shù)統(tǒng)計(jì) 個(gè)

由表1可得出，文章所述檢測(cè)器檢測(cè)到的元素總數(shù)(焊縫除外)是44個(gè)，與傳統(tǒng)機(jī)械式單通道幾何檢測(cè)器識(shí)別的27個(gè)相比，有著較高的靈敏度。在焊縫識(shí)別方面，傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)徑器識(shí)別焊縫的能力較弱，基本不能識(shí)別出管道的焊縫，而泡沫檢測(cè)器能夠檢測(cè)出管道上所有接頭的焊縫，這些焊縫能夠輔助變形點(diǎn)的定位。最后，通過(guò)“快速采集模式”獲取的數(shù)據(jù)，可對(duì)內(nèi)部表面的粗糙程度進(jìn)行分析，從而檢測(cè)出管道的部分缺陷。

7 結(jié)論

介紹了一種低成本、低風(fēng)險(xiǎn)泡沫測(cè)徑器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)測(cè)試。該測(cè)徑器通過(guò)安裝的特殊壓力傳感器能夠探測(cè)管道內(nèi)徑和粗糙度的變化并對(duì)其進(jìn)行定位。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)能力強(qiáng)，可最大限度地防止操作過(guò)程的卡堵；且成本較低，可頻繁使用，易損件容易更換，價(jià)格便宜。

在一條8 km長(zhǎng)的管道中，對(duì)兩次投放原理樣機(jī)采得的數(shù)據(jù)采用自主開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)意義上的機(jī)械式智能檢測(cè)器數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的檢測(cè)器能夠提供更多關(guān)于管道結(jié)構(gòu)的信息，表現(xiàn)出更好的靈敏度和附加功能。

該測(cè)徑器的不足之處在于壓力傳感器的通道較少，只能測(cè)出管內(nèi)局部粗糙度，不能檢測(cè)管道完整的周向粗糙度，也只能檢測(cè)潛在的表面腐蝕，且測(cè)徑臂的最大變徑量?jī)H為管徑的40%。當(dāng)然，如果需要增加其檢測(cè)能力勢(shì)必將增加系統(tǒng)的復(fù)雜度、耗能與成本。

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