郭曉婷，楊 亮，宋云鵬，諸海博，宋華東，王宇楠，徐春風(fēng)

(沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

0 引言

各種油氣管道由于長時間運行和其他各種原因會產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷，導(dǎo)致其內(nèi)部運輸介質(zhì)泄漏事故，對環(huán)境與安全造成影響。為保證油氣管道的安全運行，智能內(nèi)檢測技術(shù)是管道安全的有效手段[1-3]。

漏磁檢測技術(shù)是目前應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的一種油氣管道智能檢測技術(shù)。檢測器上裝有強磁鐵用以磁化管壁，并在管壁中產(chǎn)生磁場，安裝在智能檢測器上的漏磁傳感器可檢測到管壁內(nèi)的磁場分布及其變化信號，可檢測出管道缺陷(如管壁腐蝕、外接金屬物及焊縫等)，漏磁檢測的精度與傳感器的精度與數(shù)量有關(guān)[4-6]。本文介紹了一種油氣管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測器HB-IM-273，該檢測器主體由漏磁測量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電池艙組成。通過牽拉實驗測試該檢測器功能及可靠性，并將管道實際缺陷與測量信號進行了對比分析。

1 油氣管道漏磁內(nèi)檢測原理

1.1 漏磁檢測原理

漏磁檢測原理如圖1所示。當(dāng)鐵磁性材料在磁場中被磁化時，材料表面或近表面存在的缺陷或組織狀態(tài)變化會使導(dǎo)磁率發(fā)生變化，即磁阻增大，使磁路中的磁通量發(fā)生相應(yīng)的畸變，除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料內(nèi)部繞過缺陷以外，還有一部分磁通會離開材料表面，通過空氣繞過缺陷后再進入材料，從而在材料表面缺陷處形成漏磁場。利用磁敏探頭探查漏磁通的存在，采集漏磁信號，通過對信號的分析即可確定管道壁的受損情況，因而稱為漏磁檢測。其檢測的穿透性較強，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷有較高的靈敏度與響應(yīng)[7-9]。

圖1 漏磁檢測原理

圖2 管道漏磁內(nèi)檢測器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 油氣管道漏磁內(nèi)檢測器

油氣管道漏磁內(nèi)檢測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由測量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電源艙組成。勵磁裝置及三軸高清數(shù)字傳感器探頭安裝在測量節(jié)，用于磁化管壁與測量漏磁信號。數(shù)據(jù)采集艙內(nèi)部裝有控制及采集電路，負(fù)責(zé)控制漏磁探頭的數(shù)據(jù)采集過程以及測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲，是內(nèi)檢測的核心。電池艙為內(nèi)檢測器提供電源，保證內(nèi)檢測器在管道內(nèi)部運行過程中正常運轉(zhuǎn)[10-11]。

1.3 三軸漏磁檢測原理

管道內(nèi)三軸示意圖如圖3所示。

圖3 管道內(nèi)三軸示意圖

三軸漏磁內(nèi)檢測器工作原理與傳統(tǒng)單軸漏磁內(nèi)檢測器基本相同，其區(qū)別是三軸漏磁內(nèi)檢測器在一個傳感器內(nèi)軸向正交布置了3個霍爾傳感器，分別測量管道軸向、周向及徑向的磁通量變化情況。因此，這種多維數(shù)據(jù)綜合反應(yīng)了管道內(nèi)部缺陷的尺寸特征，提高了不同類型缺陷的探測能力和缺陷尺寸的測量精度[12]。

1.4 三軸漏磁信號

圖4為40 mm×40 mm×0.8 mm矩形缺陷的三軸漏磁信號二維曲線圖?？梢钥闯觯┐艌龅妮S向分量關(guān)于縱軸對稱；徑向分量關(guān)于原點對稱，且在靠近原點兩側(cè)各有一個大小相等、方向相反的極值。研究表明：軸向、徑向和周向信號的幅值表示缺陷的深度信息；三軸信號的跨度表示缺陷的長度信息；信號的條帶數(shù)表示缺陷的寬度信息[13-15]。

(a)軸向

(b)徑向

(c) 周向圖4 矩形缺陷的三軸漏磁信號

2 漏磁內(nèi)檢測機器人設(shè)備

2.1 機器人整機

圖5 三軸高清漏磁內(nèi)檢測機器人

273管徑三軸高清漏磁內(nèi)檢測機器人設(shè)備主要由漏磁測量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電池艙組成，如圖5所示，圖5中1 Gs=10-4T。漏磁測量節(jié)由24個漏磁探頭組成，每個探頭內(nèi)封裝有4組三軸漏磁傳感器。因此，整個圓周上每個軸向上有96個傳感器，平均3.75°分布1個漏磁傳感器。

2.2 磁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)備磁路系統(tǒng)如圖6所示，由鋼刷、磁鐵、磁軛、探頭、探頭座組成。磁鐵通過鋼刷導(dǎo)磁，以磁化管壁。探頭通過探頭座固定于磁軛上。探頭與管壁貼合，可測量管壁內(nèi)外有無缺陷情況。

圖6 磁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 復(fù)合傳感器探頭結(jié)構(gòu)框圖

漏磁復(fù)合傳感器探頭組成結(jié)構(gòu)如圖7所示。三軸漏磁傳感器經(jīng)過I2C通訊協(xié)議傳輸?shù)紸RM-STM32控制探頭系統(tǒng)。利用PCB打印渦流傳感器線圈，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工纏繞線圈，減少了線圈體積空間，增強了線圈的穩(wěn)定性及不易損性。渦流線圈經(jīng)過控制系統(tǒng)提供的激勵，檢測的信號經(jīng)過渦流線圈接收電路進行接收，通過SPI協(xié)議傳輸給ARM-STM32控制探頭系統(tǒng)。由控制系統(tǒng)進行采集和存儲后，經(jīng)過數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動器傳輸?shù)?.5 m外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.4 數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)

渦流線圈經(jīng)過激勵后，通過渦流傳感器線圈接收電路對其信號進行接收，接收電路圖如圖8所示。

線圈的兩端分別接入INA、INB信號端，電路處理過程中，由LC振蕩激勵電路為渦流傳感器線圈提供激勵電壓、激勵頻率等參數(shù)，當(dāng)渦流傳感器線圈檢測到管壁內(nèi)壁缺陷時，發(fā)生阻抗變化，由電感值測量電路檢測到電感值，經(jīng)過寄存器和邏輯處理器處理后，進行閾值比較，轉(zhuǎn)成SPI通訊協(xié)議輸出信號，從而判斷管壁的缺陷情況。圖9為數(shù)據(jù)采集存儲結(jié)構(gòu)。

圖9 數(shù)據(jù)采集存儲結(jié)構(gòu)圖

由SPI通訊協(xié)議輸出的CSB、SCLK、SDI、SDO信號經(jīng)過傳輸線傳輸?shù)絾纹瑱C采集系統(tǒng)，單片機主控選擇ARM-STM32系列芯片。其中，CLKIN表示外部時基時鐘輸入，CLDO外接一個15 nF電容從引腳連接到GND，CSB表示可以將多個通道連接在相同的SPI總線上，SCLK表示SPI通訊協(xié)議時鐘輸入，SDI表示SPI數(shù)據(jù)輸入連接到SPI主機的MOSI，SDO表示SPI數(shù)據(jù)輸出連接到SPI主機的MISO。傳感器檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過SPI協(xié)議，傳輸?shù)紸RM-STM32控制探頭系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含高精度時鐘模塊、穩(wěn)壓電源模塊、存儲模塊、總線協(xié)議模塊、FATFS文件管理模塊對傳感器數(shù)據(jù)進行采集和存儲，并通過顯示模塊顯示當(dāng)前輸出信號。

3 漏磁內(nèi)檢測機器人現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場牽拉實驗

為驗證設(shè)備可靠性與功能完整性，進行設(shè)備投產(chǎn)前牽拉實驗。該設(shè)備牽拉前后狀態(tài)如圖10所示。在不同速率下(0.5～3 m/s)，共在管道內(nèi)牽拉12次，總運行里程約1 km。實驗完成后，該設(shè)備整體結(jié)構(gòu)完好。

(a)牽拉實驗前

(b)牽拉實驗后圖10 現(xiàn)場牽拉實驗前后檢測器狀態(tài)圖

3.2 采集數(shù)據(jù)分析

圖11～圖13分別為管道焊縫、外加金屬及金屬缺失實物圖及檢測器采集到的三軸漏磁信號曲線。由

(a)管道焊縫實物圖

(b)周向管道焊縫

(c)軸向管道焊縫

(d)徑向管道焊縫圖11 管道焊縫與三軸數(shù)據(jù)分量圖

圖中可以看出，檢測器對管道焊縫、外加金屬及金屬缺失檢出效果明顯。焊縫與金屬增加曲線信號變化方向相同，而與金屬缺失信號曲線方向相反。根據(jù)曲線變化情況可分辨缺陷類型。

(a)管道外加金屬實物圖

(b)周向信號管道外加金屬

(c)軸向信號管道外加金屬

(a)管道金屬缺失實物圖

(b)周向信號金屬缺失

(c)軸向信號金屬缺失

(d)徑向信號金屬缺失圖13 管道金屬缺失與三軸數(shù)據(jù)分量圖

4 結(jié)論

本文研發(fā)的油氣管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測器HB-IM-273，主體由漏磁測量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電池艙組成。通過牽拉實驗測試該檢測器功能及可靠性，并將管道實際缺陷與測量信號進行了對比分析,得到以下結(jié)論： 經(jīng)過不同速度條件下(0.5～3m/s)牽拉實驗檢驗，設(shè)備整體可靠性較好； 三軸傳感器能夠明確分辨出各種類型管道缺陷，包括焊縫、外加金屬、金屬缺失等。