韋遠(yuǎn)根，韓贊東,2，郭大勇

(1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084；2.摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

燃?xì)庠谥腔鄢鞘械慕ㄔO(shè)中日益重要，作為燃?xì)膺\(yùn)輸?shù)妮d體，管道總里程數(shù)不斷增加[1]，管道老齡化的問(wèn)題也日益突出。城市燃?xì)夤艿蓝嗌盥竦叵拢钊刖用裆顓^(qū)，周圍環(huán)境復(fù)雜，彎頭、接口多，服務(wù)設(shè)施如地鐵、電器等分布密集，因此管道易發(fā)生腐蝕變形等缺陷，這樣的環(huán)境給管道的檢修工作帶來(lái)困難。而管道的壁厚腐蝕等缺陷若不能及時(shí)檢修，存在管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，由于燃?xì)夤艿辣椴汲鞘械叵?，一旦燃?xì)庑孤┮鸨?、火?zāi)等事故，會(huì)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究使用先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)管道壁厚缺陷，有利于評(píng)估管道生命健康狀況，對(duì)預(yù)防管道事故、維護(hù)管道安全運(yùn)行具有重大的意義。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，可用于管道壁厚缺陷檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括漏磁、超聲、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流以及電磁超聲等技術(shù)。漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用廣泛，發(fā)展成熟，其不足是漏磁檢測(cè)裝置需要攜帶足量的強(qiáng)磁鐵以保證管壁充分磁化，因此裝置龐大笨重，便攜性差，而且漏磁技術(shù)在缺陷信號(hào)識(shí)別處理等方面還存有困難，檢測(cè)精度不高，難以定量分析[2-4]。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是非接觸檢測(cè)、檢測(cè)時(shí)無(wú)需清潔等，尤其適用于大面積的管道壁厚缺損識(shí)別檢測(cè)，但遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)信噪比較低，檢測(cè)精度不高[5-7]。超聲波檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)設(shè)備小而輕，便于攜帶，檢測(cè)精度高、靈敏度好，有較大的適用范圍，其主要缺點(diǎn)是在檢測(cè)過(guò)程中需要使用耦合劑，對(duì)氣體管道包括城市燃?xì)夤艿赖冗m用性不好[8-9]。

電磁超聲技術(shù)利用電磁耦合的方式激勵(lì)和接收超聲波，根據(jù)回波信號(hào)可以評(píng)判金屬損傷情況，它具有常規(guī)超聲技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)精度高[10]，檢測(cè)設(shè)備便攜性好，適用高溫檢測(cè)[11-12]，而最突出的特性是電磁超聲檢測(cè)不需要任何耦合介質(zhì)，對(duì)被測(cè)表面不需要特殊清理，與被檢測(cè)材料不直接接觸也能測(cè)量[13]，在金屬材料厚度檢測(cè)、裂紋檢測(cè)等方面具有廣泛的應(yīng)用，而且適用于氣體管道檢測(cè)[14]。

為解決城市燃?xì)夤艿廊毕輽z測(cè)的難題，研究使用電磁超聲技術(shù)對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行壁厚檢測(cè)。根據(jù)電磁超聲提離距離的要求，研制可靈活貼合管道內(nèi)壁的檢測(cè)裝置，使用模塊化設(shè)計(jì)，利用前后管道爬行機(jī)器人攜帶檢測(cè)裝置實(shí)施檢測(cè)任務(wù)。

1 管道檢測(cè)系統(tǒng)搭建

設(shè)計(jì)的電磁超聲在線壁厚檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，控制計(jì)算機(jī)與電纜控制箱之間采用網(wǎng)線連接，電纜控制箱通過(guò)供電線與管內(nèi)的管道機(jī)器人連接。管道爬行機(jī)器人采用輪式爬行方式，帶有視頻監(jiān)控裝置和支撐裝置，機(jī)器人頂部的支撐輪內(nèi)設(shè)有用于計(jì)步的霍爾編碼器，可以精確測(cè)量管道爬行機(jī)器人的行走距離，文獻(xiàn)[15]提供了該機(jī)器人的更多細(xì)節(jié)。使用電力載波通訊技術(shù)，供電線既給機(jī)器人系統(tǒng)供電，機(jī)器人系統(tǒng)也直接通過(guò)供電線與控制計(jì)算機(jī)通訊。執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)時(shí)，下位機(jī)記錄管壁的厚度測(cè)量值和機(jī)器人的爬行距離并通過(guò)SOCKET通信定時(shí)回傳數(shù)據(jù)給控制計(jì)算機(jī)保存。

圖1 電磁超聲在線壁厚檢測(cè)系統(tǒng)

2 檢測(cè)裝置功能分析

2.1 探頭機(jī)構(gòu)要求

管道在線壁厚檢測(cè)由機(jī)器人攜帶檢測(cè)探頭自動(dòng)完成檢測(cè)，機(jī)器人在管道中的運(yùn)動(dòng)是比較復(fù)雜的，幾何位置時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)變化之中。當(dāng)檢測(cè)裝置的中心軸線與管道中心軸線不重合時(shí)，如圖2所示，有2種情況：檢測(cè)裝置中心軸線相對(duì)管道中心軸線轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θ，如圖2(a)所示；檢測(cè)裝置中心軸線相對(duì)于管道中心軸線平移一段距離，如圖2(b)所示。從圖2可以看到，如果檢測(cè)探頭固定平行于檢測(cè)裝置中心軸線，則這兩種情況下檢測(cè)探頭都不能有效貼合于管道內(nèi)壁。

檢測(cè)探頭沒有貼附在管道內(nèi)壁上，則探頭離被檢表面有一段距離，該距離在電磁超聲檢測(cè)中稱為提離距離。電磁超聲探傷雖然是非接觸測(cè)量、不需要耦合劑，但提離距離也要求較高、不能太大，否則電磁超聲檢測(cè)結(jié)果的有效性將不能保證，這是因?yàn)殡S著提離距離的增加，激勵(lì)線圈和被測(cè)金屬表面的距離變大，導(dǎo)致交變磁場(chǎng)減小，電磁感應(yīng)渦流也急劇減弱了，電流密度大幅衰減[16]。

圖2 檢測(cè)裝置和管道的中心線不重合

對(duì)于圖2(a)中的檢測(cè)情況，此時(shí)檢測(cè)探頭的提離距離d由式(1)計(jì)算：

d=L/2×sinθ

(1)

式中：L為探頭支架沿軸線方向的長(zhǎng)度，mm；θ為管道中心軸線與檢測(cè)裝置中心軸線的夾角，(°)。

2.2 EMAT提離距離要求

在實(shí)際檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，提離距離的變化對(duì)電磁超聲檢測(cè)的有效性有很大的影響。因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)管道壁厚進(jìn)行在線檢測(cè)的目標(biāo)，開展了EMAT提離距離實(shí)驗(yàn)。

首先，在檢測(cè)探頭平面與被檢表面平行時(shí)，進(jìn)行8.7 mm鋼管的測(cè)厚實(shí)驗(yàn)，提離距離分別設(shè)為0、0.51、1.02、2.03 mm，這通過(guò)在檢測(cè)探頭表面和被檢表面之間墊上不同厚度的墊板來(lái)實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。這里判斷的是能否進(jìn)行有效檢測(cè)，所以圖中使用的都是自動(dòng)增益。由圖2可以看出，隨著提離距離的增大，超聲回波逐漸減弱，噪聲漸漸變大；當(dāng)提離距離達(dá)到2.03 mm時(shí)，超聲回波混合在噪聲中已經(jīng)不易分辨，探傷儀測(cè)量的有效性已經(jīng)無(wú)法保證。

圖3 平行測(cè)量時(shí)不同提離距離的結(jié)果

其次，對(duì)于圖2(a)中的檢測(cè)情況，探頭不是平行測(cè)量，而是傾斜測(cè)量，所以在檢測(cè)探頭平面與被檢表面不平行時(shí)，也開展8.7 mm鋼管的測(cè)厚實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中探頭一側(cè)緊貼被檢表面，通過(guò)在探頭另一側(cè)和被檢表面間墊上不同高度的墊板來(lái)實(shí)現(xiàn)傾斜測(cè)量。將探頭中心離被檢表面的高度定義為中心距離，則中心距離等于墊板高度的一半。分別取中心距離為0、0.53、1.105、1.975 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。同樣，圖中使用的都是自動(dòng)增益。由圖4可以看出，傾斜測(cè)量對(duì)檢測(cè)效果的影響主要取決于中心距離的高度，中心距離越大，噪聲越大。

圖4 傾斜測(cè)量時(shí)不同中心距離的結(jié)果

通過(guò)圖3和圖4所示實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，如果把中心距離視為提離距離，則傾斜測(cè)量對(duì)檢測(cè)效果的影響很微小，檢測(cè)結(jié)果的有效性主要取決于提離距離的大小。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的EMAT探頭，其最大提離距離約為2 mm。

使用的電磁超聲探頭外直徑為34 mm，適配該探頭的滾動(dòng)支架的長(zhǎng)度L為78 mm，對(duì)于圖2(a)中的檢測(cè)情況，當(dāng)管道中心軸線與檢測(cè)裝置中心軸線的夾角為5°時(shí)，按照式(1)有

d=78 / 2×sin5°=3.4 mm

(2)

提離距離高達(dá)3.4 mm，已經(jīng)無(wú)法滿足壁厚檢測(cè)任務(wù)的需要。

3 檢測(cè)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上文可知，使用的電磁超聲探頭提離距離要求高，而機(jī)器人在管道中的運(yùn)動(dòng)也比較復(fù)雜，因此檢測(cè)裝置應(yīng)該保留有一定的靈活性以滿足自適應(yīng)貼合管道內(nèi)壁的要求。接下來(lái)介紹探頭機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 柔性探頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種靈活可替換模塊化設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置如圖5所示。檢測(cè)裝置通過(guò)掛扣與前后管道機(jī)器人相連，并設(shè)有3個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別是周向旋轉(zhuǎn)電機(jī)、軸向掃查電機(jī)和徑向頂升電機(jī)。周向旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制檢測(cè)探頭繞檢測(cè)裝置中心軸線旋轉(zhuǎn)，徑向頂升電機(jī)控制檢測(cè)探頭靠近和離開管道內(nèi)壁的運(yùn)動(dòng)，滿足管道檢測(cè)任務(wù)的需要。為適應(yīng)管道的變形和檢測(cè)裝置中心軸線偏移的情況，在探頭固定支架中增加了支撐彈簧和直線導(dǎo)軌。檢測(cè)中如果遇到管道變形的情況，或者是由于軸線偏移而引起探頭離管壁距離的變化，通過(guò)彈簧的伸縮可以適應(yīng)相應(yīng)的高度變化，而直線導(dǎo)軌則限制了檢測(cè)探頭的擺動(dòng)，保證探頭穩(wěn)定檢測(cè)的需要。

圖5 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

為滿足檢測(cè)探頭提離距離的要求，采用柔性探頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了檢測(cè)探頭沿x軸和沿y軸旋轉(zhuǎn)的自由度，如圖6所示。檢測(cè)探頭與滾動(dòng)支架固接，滾動(dòng)支架相對(duì)于活動(dòng)座可以繞y軸正反方向各旋轉(zhuǎn)10°，活動(dòng)座相對(duì)于支撐座可以繞x軸正反方向各旋轉(zhuǎn)15°。

圖6 柔性探頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 探頭自適應(yīng)貼合管壁分析

針對(duì)圖2所示的檢測(cè)裝置中心軸線與管道中心軸線不重合時(shí)的兩種情況，分析圖6的柔性探頭機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)情況。

對(duì)圖2(a)所示的檢測(cè)裝置中心軸線與管道中心軸線形成一個(gè)夾角的情況，圖6的柔性探頭機(jī)構(gòu)允許檢測(cè)探頭繞y軸正反方向各旋轉(zhuǎn)10°，所以檢測(cè)探頭可以在彈簧力作用下自適應(yīng)貼合管壁。顯然，允許的管道軸線與檢測(cè)裝置中心軸線的夾角θ最大為10°。

對(duì)圖2(b)所示的檢測(cè)裝置中心軸線相對(duì)于管道中心軸線偏移一段距離的情況，見圖8，設(shè)管道直徑為D，管道的中心軸線位于O，檢測(cè)裝置的中心軸線位于P，即檢測(cè)裝置中心軸線偏移量為OP；當(dāng)檢測(cè)探頭處于最低點(diǎn)時(shí)檢測(cè)臂長(zhǎng)PM，檢測(cè)探頭處于最高點(diǎn)時(shí)檢測(cè)臂長(zhǎng)PN；以PM為始邊，檢測(cè)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度記為γ(0≤γ≤180°)。為了讓檢測(cè)探頭能貼合管壁進(jìn)行有效測(cè)量，檢測(cè)探頭需要轉(zhuǎn)動(dòng)角度β。

圖7 軸線偏移的情況

由圖中幾何關(guān)系，易知

β=α

(3)

在三角形TOP中，由正弦定理得

OP/sinα=OT/sinγ

(4)

由圖可知OT是管道半徑

OT=D/2

(5)

則可得

β=α=arcsin(2×OP×sinγ/D)

(6)

假設(shè)檢測(cè)裝置中心軸線的偏移量OP達(dá)到管徑的10%，即

OP=10%D

(7)

則

β=arcsin(2×10%×sinγ)

(8)

當(dāng)γ取90°時(shí)，β達(dá)到最大值，按式(8)計(jì)算，約為11.5°。即檢測(cè)裝置中心軸線的偏移量OP達(dá)到管徑的10%時(shí)，檢測(cè)探頭需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度β的最大值為11.5°。

對(duì)圖2(b)的檢測(cè)工況，在β為11.5°時(shí)，電磁超聲探頭外直徑為34 mm，即便不考慮附加裝置，按式(9)計(jì)算檢測(cè)探頭的提離距離為3.4 mm，無(wú)法達(dá)到壁厚檢測(cè)任務(wù)的要求。

d=34/2×sin(11.5°)=3.4 mm

(9)

圖6實(shí)現(xiàn)的柔性探頭機(jī)構(gòu)允許探頭繞x軸正反方向各旋轉(zhuǎn)15°，則完全滿足檢測(cè)探頭轉(zhuǎn)動(dòng)角度的要求。

4 管道壁厚檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)圖5與圖6設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置，使用前后管道爬行機(jī)器人搭建了如圖8所示的三段式模塊化檢測(cè)系統(tǒng)，以開展管道壁厚在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖8 電磁超聲在線壁厚檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

在DN400實(shí)驗(yàn)管道上加工缺陷，如圖9(a)所示。該管道的正常壁厚約為7.7 mm；缺陷A從左到右剩余壁厚逐漸變小，最小處壁厚約為3.5 mm；缺陷B從下到上剩余壁厚逐漸變小，最小處壁厚約為3.8 mm，缺陷C從四周向中間剩余壁厚逐漸變小，最小處壁厚約為5.5 mm。對(duì)圖9(a)的白框區(qū)域進(jìn)行壁厚測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果如圖9(b)所示，可以看到，圖9(b)的P1、P2、P3分別表示和定位了圖9(a)的A、B、C缺陷。測(cè)量結(jié)果中，壁厚誤差不超過(guò)0.1 mm，缺陷的平均軸向定位誤差不超過(guò)2%。

在DN600實(shí)際管道上進(jìn)行厚度在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)管道如圖10(a)所示，正常壁厚約為7.2 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，軸向上從500 mm處開始檢測(cè)，一直到2 200 mm處結(jié)束檢測(cè)，掃查的軸向距離范圍約為1 700 mm；周向上測(cè)量的距離范圍約為400 mm。整體測(cè)量范圍涵蓋了螺旋焊縫A、缺陷B、缺陷C、缺陷D、缺陷E、缺陷F和螺旋焊縫G。測(cè)量結(jié)果如圖10(b)所示，可以看出，圖10(b)的P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7分別表示和定位了圖10(a)的A、B、C、D、E、F、G等缺陷特征。測(cè)量結(jié)果中，絕大部分管道正常點(diǎn)的壁厚測(cè)量誤差不超過(guò)0.1 mm，但在極少數(shù)正常壁厚測(cè)量點(diǎn)處沒有接收到測(cè)量回波，初步分析原因是受到了實(shí)際管道內(nèi)壁上存在的鐵銹、污泥及其他雜質(zhì)等的影響；而在不正常的管道壁厚處，測(cè)量中沒有收到有效的測(cè)量回波，這在螺旋管焊縫A、G，腐蝕缺陷B，補(bǔ)丁C、D、E、F邊緣及內(nèi)部等處都是如此，這些檢測(cè)位置中，因?yàn)榉瓷浔砻娌灰?guī)則，影響了測(cè)量回波的接收，所以沒有獲得有效測(cè)量值。對(duì)此，需要進(jìn)一步對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析處理并開發(fā)適應(yīng)性更好的壁厚算法。

(a)DN400人工缺陷管道

(b)壁厚測(cè)量結(jié)果圖9 DN400管道壁厚在線檢測(cè)

(a)DN600實(shí)際管道

(b)壁厚測(cè)量結(jié)果圖10 DN600管道壁厚在線檢測(cè)

5 結(jié)論

利用前后管道機(jī)器人攜帶電磁超聲檢測(cè)單元對(duì)城市燃?xì)夤艿赖氖Ｓ啾诤襁M(jìn)行在線檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，電磁超聲技術(shù)在檢測(cè)中不需要耦合介質(zhì)，適用于氣體管道檢測(cè)，但提離距離增加，換能效率降低，信號(hào)信噪比降低。優(yōu)化設(shè)計(jì)了柔性探頭機(jī)構(gòu)，以滿足復(fù)雜檢測(cè)工況下提離距離的要求，在檢測(cè)軸線偏移量達(dá)到管徑10%時(shí)依然適用。在線檢測(cè)了DN400人工缺陷管道的壁厚，結(jié)果表明檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量管道的剩余壁厚，壁厚測(cè)量誤差不超過(guò)0.1 mm，缺陷定位準(zhǔn)確。在線測(cè)量了DN600實(shí)際管道的壁厚，測(cè)量結(jié)果可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和定位缺陷，可以有效測(cè)量正常管道壁厚值。本系統(tǒng)為城市燃?xì)夤艿赖娜毕荻ㄎ缓驮诰€壁厚檢測(cè)提供了一套完善可行的新方案。

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際的檢測(cè)情況比較復(fù)雜，檢測(cè)結(jié)果存在回波丟失現(xiàn)象；另外，實(shí)際的管道腐蝕情況也和人工缺陷不同，反射表面不規(guī)則會(huì)影響測(cè)量回波的接收。對(duì)此，后續(xù)工作將從信號(hào)處理和壁厚算法著手開展更多實(shí)際管道的應(yīng)用研究。