胡勝生 浦 哲 王繼鋒

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 (上海 200062)上海壓力管道智能檢測(cè)工程技術(shù)研究中心 （上海 200062）

管道運(yùn)輸已成為石油和天然氣傳輸?shù)氖走x方式，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。但是，管道長(zhǎng)期受內(nèi)部介質(zhì)和外部空氣等因素影響，非常容易發(fā)生腐蝕，甚至產(chǎn)生穿孔，發(fā)生介質(zhì)泄漏、管道爆炸等事故，嚴(yán)重威脅國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)安全[2-4]。

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸油氣管道的主要檢測(cè)工具。實(shí)踐證明，對(duì)管道開(kāi)展在線檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)管理和維護(hù)，會(huì)收到顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。管道漏磁檢測(cè)器在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和推廣保障了管道的安全運(yùn)營(yíng)，在管道運(yùn)輸中起到非常重要的作用，給業(yè)主帶來(lái)的便利也非常明顯。

管道漏磁檢測(cè)器的檢測(cè)原理是：其磁缸通過(guò)鋼刷與管道內(nèi)壁接觸，管道壁周向上形成一個(gè)縱向磁力場(chǎng)。漏磁檢測(cè)器在管道內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)管道完好沒(méi)有缺陷時(shí)，管壁上磁力線的分布均勻且穩(wěn)定，而當(dāng)管道內(nèi)、外壁存在缺陷時(shí)，缺陷部分的磁力線就會(huì)穿透管壁，磁力線的漏出導(dǎo)致磁場(chǎng)發(fā)生改變。位于N，S兩極間的檢測(cè)探頭檢測(cè)到變化磁場(chǎng)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和模擬、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，把檢測(cè)數(shù)據(jù)貯存在SMC盒上，再利用計(jì)算機(jī)專(zhuān)用分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以知道全部檢測(cè)管道的管壁缺陷情況。

國(guó)外的管道漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，技術(shù)比較成熟，如：美國(guó)的圖博維高公司（Tuboscope）、通用電氣公司 （GE）、逖帝威廉森公司（TDW），英國(guó)天然氣公司（British GAS），德國(guó)羅恩集團(tuán)（Rosen）等公司的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列化，可向用戶提供檢測(cè)服務(wù)。但是目前，上述公司對(duì)國(guó)內(nèi)只賣(mài)服務(wù)、不賣(mài)產(chǎn)品，檢測(cè)費(fèi)非常昂貴。如果購(gòu)買(mǎi)其服務(wù)除了要考慮他們?cè)O(shè)備的檔期（檢驗(yàn)時(shí)間不便）之外，還需要國(guó)內(nèi)用戶提供輔助（如清管、管線情況的英文介紹），給實(shí)際檢測(cè)帶來(lái)很大困難。國(guó)內(nèi)的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)90年代末才開(kāi)始內(nèi)檢測(cè)器的研究。中國(guó)石油管道局有限公司、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)是國(guó)內(nèi)管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展最快的兩家單位，目前已研制出幾種常規(guī)口徑的內(nèi)檢測(cè)器；但國(guó)內(nèi)設(shè)備的可靠性及檢測(cè)精度與國(guó)外設(shè)備仍存在較大差距，關(guān)鍵技術(shù)仍然有待于進(jìn)一步的發(fā)展。一套完整的管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器包括驅(qū)動(dòng)部分、磁路部分、支承部分、探頭部分、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)部分、速率控制部分及里程輪等，涉及磁、電、機(jī)械、軟件等多個(gè)專(zhuān)業(yè)，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。因此，發(fā)展我國(guó)管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)需要國(guó)內(nèi)研究人員堅(jiān)持不懈的努力。

目前管道漏磁檢測(cè)器開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確識(shí)別管道缺陷，因此需要一種專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)中模擬多種試驗(yàn)工況，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)速率、磁場(chǎng)強(qiáng)度和探頭位置等技術(shù)參數(shù)的組合，評(píng)價(jià)管道漏磁檢測(cè)性能，并完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)。在此背景下，上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院研發(fā)出了滿足上述要求的裝置。

1 裝置原理與組成

1.1 裝置結(jié)構(gòu)與組成

裝置包括機(jī)架、行車(chē)、行走機(jī)構(gòu)和操控顯示臺(tái)。行車(chē)上安裝有漏磁檢測(cè)器、伺服電機(jī)、升降機(jī)構(gòu)、直線導(dǎo)向器及滑塊等，具體如圖1，圖2所示。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)組成圖

圖2 行車(chē)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)架上端前后兩側(cè)分別設(shè)有直線導(dǎo)軌，行車(chē)設(shè)置在機(jī)架上端、直線導(dǎo)軌上，行車(chē)上設(shè)有行走機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)行車(chē)在直線導(dǎo)軌上滑動(dòng)；行車(chē)上還設(shè)有升降機(jī)構(gòu)（升降機(jī)構(gòu)下端設(shè)有漏磁檢測(cè)器），用于驅(qū)動(dòng)漏磁檢測(cè)器上下移動(dòng)；機(jī)架位于行車(chē)運(yùn)動(dòng)區(qū)域下方具有待測(cè)半管的放置空間，機(jī)架內(nèi)側(cè)下端設(shè)有可調(diào)整支架，用于支撐待測(cè)半管、調(diào)節(jié)待測(cè)半管相對(duì)于漏磁檢測(cè)器的水平；機(jī)架側(cè)面設(shè)有操控顯示臺(tái)，用于操控、顯示行車(chē)和升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

機(jī)架左右兩端分別設(shè)有緩沖器，直線導(dǎo)軌外側(cè)、機(jī)架上設(shè)有限位傳感器，用于保護(hù)行車(chē)的安全；行車(chē)上設(shè)有速率傳感器，用于精確檢測(cè)行車(chē)運(yùn)行速率；機(jī)架的一端設(shè)置有L型不銹鋼支架，以方便漏磁檢測(cè)器的裝卸與探頭的替換。

行車(chē)下端前后兩側(cè)分別設(shè)有與直線導(dǎo)軌配合的滑塊。

行走機(jī)構(gòu)包括交流伺服電機(jī)、齒輪和齒條。齒條設(shè)置在機(jī)架內(nèi)側(cè)上端；交流伺服電機(jī)安裝在行車(chē)上端；齒輪安裝在行車(chē)下端，與齒條相對(duì)應(yīng)、與交流伺服電機(jī)連接。通過(guò)交流伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪沿著齒條轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)行車(chē)沿著直線導(dǎo)軌滑動(dòng)。

升降機(jī)構(gòu)包括直線導(dǎo)向器、升降機(jī)和不銹鋼安裝板。升降機(jī)和直線導(dǎo)向器安裝在行車(chē)上端，升降機(jī)與直線導(dǎo)向器連接，用于控制直線導(dǎo)向器的導(dǎo)向桿升降；不銹鋼安裝板安裝在行車(chē)下端，與直線導(dǎo)向器下端的導(dǎo)向桿連接，用于安裝漏磁檢測(cè)器。4個(gè)直線導(dǎo)向器呈正方形對(duì)稱(chēng)安裝在行車(chē)上。圖3為裝置的實(shí)物圖。

圖3 裝置實(shí)景圖

1.2 裝置設(shè)計(jì)原理

裝置原理為：固定在行車(chē)上的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)行車(chē)上的齒輪與機(jī)架上的齒條嚙合滾動(dòng)，使得行車(chē)沿著機(jī)架上的導(dǎo)軌運(yùn)行，同時(shí)安裝在行車(chē)下部的漏磁檢測(cè)器的探頭緊貼待測(cè)半管內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程為：行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)行車(chē)沿軌道運(yùn)行（此時(shí)需要克服小車(chē)自重和磁力引起的車(chē)輪與軌道間的摩擦力，以及鋼刷與管道內(nèi)壁的摩擦力），當(dāng)運(yùn)行到待測(cè)半管入口時(shí)停止。與此同時(shí)，行車(chē)上的升降機(jī)構(gòu)啟動(dòng)安裝在行車(chē)下部的漏磁檢測(cè)器下降，直到漏磁檢測(cè)器的中心線與待測(cè)半管的中心線一致。行走機(jī)構(gòu)再次啟動(dòng)，行車(chē)按設(shè)置速率運(yùn)行，同時(shí)檢測(cè)器探頭緊貼待測(cè)半管內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)，行車(chē)運(yùn)行到既定位置減速、停止。升降機(jī)構(gòu)將檢測(cè)器上升至初始位置，行車(chē)返回到原點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)束。

2 電機(jī)計(jì)算與選型

裝置通過(guò)行車(chē)上的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此電機(jī)是整個(gè)裝置的關(guān)鍵部件，其選型對(duì)裝置的設(shè)計(jì)非常重要?？紤]到行車(chē)運(yùn)行速率及位置精度要求較高，選擇交流伺服電機(jī)。

選用電機(jī)額定功率為11 kW，減速機(jī)減速比為1∶5，齒輪嚙合基準(zhǔn)圓半徑為120 mm，摩擦系數(shù)為0.15，小車(chē)質(zhì)量為 300 kg，磁力為200 kg，電機(jī)額定扭矩為70 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，鋼刷與待測(cè)半管摩擦力為4250 N，行車(chē)設(shè)計(jì)速率為1.5 m/s。計(jì)算過(guò)程如下：

式中：f1為滑塊與導(dǎo)軌的摩擦力，N；mg為小車(chē)自重與磁力的總和，N；f2為鋼刷與待測(cè)半管間的摩擦力，N；f總為行車(chē)的總摩檫力，N；F 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，N；T為電機(jī)扭矩，N·m；n 為額定轉(zhuǎn)速，r/min；r為基準(zhǔn)圓半徑，m；i為減速比；η為摩擦系數(shù)；v額為行車(chē)的額定速率，m/s；v設(shè)為行車(chē)的設(shè)計(jì)速率，m/s；F為行車(chē)的驅(qū)動(dòng)力，N；a為行車(chē)的加速度，m/s2；m車(chē)為行車(chē)的質(zhì)量，kg；t設(shè)為行車(chē)達(dá)到設(shè)計(jì)速率所需時(shí)間，s；S設(shè)為行車(chē)達(dá)到設(shè)計(jì)速率所走路程，m。

從以上公式推導(dǎo)可以知，v額＞v設(shè)，滿足要求。

小車(chē)加速到設(shè)計(jì)速率1.5 m/s，用時(shí)0.54 s，此時(shí)小車(chē)行走了0.4 m。

3 漏磁檢測(cè)器

漏磁檢測(cè)器作為裝置的檢測(cè)單元，起到檢測(cè)與存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)的作用。由于正常工作時(shí)受前后介質(zhì)壓力差驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，所以漏磁檢測(cè)有驅(qū)動(dòng)皮碗。而該裝置是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，為了適應(yīng)運(yùn)行條件，拆除檢測(cè)器驅(qū)動(dòng)皮碗，并設(shè)置專(zhuān)用安裝孔用于連接裝置。

漏磁檢測(cè)器主要由基體、鋼刷、檢測(cè)探頭、磁鐵及SMC盒等組成，如圖4所示。磁鐵通過(guò)鋼刷導(dǎo)磁，與基體及待測(cè)管道形成閉合磁回路，檢測(cè)探頭在閉合磁回路中，通過(guò)磁特性原理對(duì)管道缺陷進(jìn)行檢測(cè)，SMC盒則進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。檢測(cè)結(jié)束后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析與實(shí)際缺陷進(jìn)行對(duì)比，對(duì)檢測(cè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。所研發(fā)裝置可以通過(guò)更換漏磁檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和探頭位置等技術(shù)參數(shù)的組合，以及對(duì)不同探頭的檢測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖4 漏磁檢測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)，漏磁檢測(cè)器朝著高精度、高可靠性方向發(fā)展，所以同時(shí)要求配套高性能的實(shí)驗(yàn)輔助裝置。所研發(fā)管道漏磁檢測(cè)性能評(píng)價(jià)裝置能有效模擬多種試驗(yàn)工況，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)速率、磁場(chǎng)強(qiáng)度和探頭位置等技術(shù)參數(shù)的組合。該裝置配有專(zhuān)用操控顯示臺(tái)，方便操控設(shè)備，并顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；能有效評(píng)價(jià)漏磁檢測(cè)器的探頭檢測(cè)性能，通過(guò)漏磁檢測(cè)器對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，輔助漏磁檢測(cè)器的開(kāi)發(fā)與使用。