楊緒運(yùn)，梅兆池，張 魁，劉 哲，趙以振，孫 濤，王新華

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013；2.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院張家口分院，河北張家口 075000；3.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124)

0 引言

管道運(yùn)行受到自然災(zāi)害、腐蝕等影響，會(huì)造成管體損傷，給管道運(yùn)行安全造成極大隱患[1-3]。為避免管體損傷引起介質(zhì)泄漏，需對(duì)管道本體進(jìn)行損傷檢測和維護(hù)。

目前，以Pig為代表的管道內(nèi)檢測技術(shù)能夠?qū)荏w損傷進(jìn)行有效檢測，但過彎道時(shí)容易阻塞并且成本高[4-6]，在小口徑管道及站場管道等工況下難以實(shí)施。管道外檢測技術(shù)中，NoPig法[7]能夠檢測管道金屬損失、焊縫等缺陷，但檢測儀器笨重、操作復(fù)雜、效率低，限制了其在工程中的應(yīng)用和推廣；磁力層析法(MTM)[8]和地磁檢測法(GDM)[9]是基于地球磁場的被動(dòng)式弱磁管壁損傷檢測方法，其信號(hào)非常微弱，易受到外界環(huán)境干擾；渦流檢測法(ECT)[10]對(duì)工件表面要求不高、操作方便，但由于趨膚效應(yīng)限制只能檢測表面缺陷，導(dǎo)致檢測深度與靈敏度不可兼得；瞬變電磁法(TEM)[11-12]通過主動(dòng)施加激勵(lì)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)管體裂紋、腐蝕等損傷的檢測，但其信號(hào)特征存在不連續(xù)性，信號(hào)強(qiáng)度衰減嚴(yán)重且采集信號(hào)的寬度有限。此外，在實(shí)際管道檢測過程中，探頭晃動(dòng)、環(huán)境及本底噪聲等都會(huì)降低管道損傷信號(hào)的辨識(shí)度，需要采用信號(hào)處理算法進(jìn)行提取。Song利用小波變換對(duì)磁場分量進(jìn)行分解與重構(gòu)，識(shí)別出高壓管道的裂紋缺陷[13]。Huang采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)算法對(duì)鋁合金焊縫中的氣孔缺陷進(jìn)行識(shí)別[14]。常規(guī)信號(hào)處理方法是通過將信號(hào)逐層分解并剔除噪聲信號(hào)，然后再將各分量進(jìn)行融合。但是，在剔除噪聲的同時(shí)，會(huì)對(duì)原始信號(hào)造成能量損失，并且EMD方法端點(diǎn)效應(yīng)嚴(yán)重，容易引入虛假分量，干擾損傷信號(hào)的判別。

本文提出一種埋地管道損傷諧波磁場檢測方法，設(shè)計(jì)調(diào)頻載波(FMCW)聚焦陣列增強(qiáng)激勵(lì)信號(hào)的空間輻射能量和靶向性，并采用三維矢量隧道磁阻(TMR)差分傳感器陣列對(duì)磁場信號(hào)進(jìn)行采集。針對(duì)管道損傷信號(hào)的特征，采用雙穩(wěn)隨機(jī)共振(SR)算法增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度，并聯(lián)合局域均值分解(LMD)算法對(duì)損傷信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)時(shí)頻分析。實(shí)現(xiàn)了損傷信號(hào)的有效辨識(shí)及非接觸條件下管道管體損傷檢測。

1 諧波磁場檢測原理

諧波磁場檢測是一種基于FMCW原理[15]將高頻信號(hào)疊加到低頻電磁信號(hào)上，從而構(gòu)建出一種諧波激勵(lì)信號(hào)，其利用低頻信號(hào)的強(qiáng)穿透能力和高頻信號(hào)的高靈敏度檢測能力實(shí)現(xiàn)埋地鋼質(zhì)管道缺陷的可靠檢測，是一種非接觸式無損檢測方法。諧波激勵(lì)信號(hào)同時(shí)具備高頻和低頻電磁波特性，能夠有效克服金屬管壁的趨膚效應(yīng)限制，提高檢測靈敏度與分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)管道管體損傷的不開挖檢測。諧波激勵(lì)信號(hào)模型可表示為

(1)

式中：n為諧波分量合成個(gè)數(shù);Ai為幅值分量;fi為頻率分量;θi為初始相位分量。

激勵(lì)信號(hào)波形如圖1所示。鋼質(zhì)管道損傷在諧波激勵(lì)下會(huì)呈現(xiàn)局部信號(hào)異常并反射至傳感器，對(duì)XYZ三軸正交信號(hào)進(jìn)行采集并分析其矢量特征，從而對(duì)損傷位置進(jìn)行定位。由于矩形諧波載流激勵(lì)線圈結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，單個(gè)激勵(lì)線圈中心處只有Z軸方向分量，而XY軸方向矢量各自相互抵消，損失了信息維度，大幅降低檢測效果。針對(duì)此問題設(shè)計(jì)諧波磁場檢測陣列結(jié)構(gòu)，包含5個(gè)激勵(lì)線圈和4個(gè)TMR矢量傳感器，如圖2所示。檢測陣列彌補(bǔ)了信息維度的缺失，同時(shí)增強(qiáng)了空間輻射聚焦激勵(lì)的靶向性和檢測過程中的有效覆蓋面積。

圖1 諧波激勵(lì)信號(hào)

圖2 諧波磁場檢測陣列

2 目標(biāo)信號(hào)辨識(shí)算法

實(shí)際管道檢測時(shí)，諧波磁場信號(hào)以非線性、非平穩(wěn)形式存在，并且損傷目標(biāo)信號(hào)微弱，甚至?xí)蜎]在采集信號(hào)中。傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法不能滿足當(dāng)前檢測需求，須采用精度更高的信號(hào)處理算法對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行提取和辨識(shí)。

2.1 雙穩(wěn)隨機(jī)共振

引入管道損傷信號(hào)雙穩(wěn)態(tài)SR模型，利用能量轉(zhuǎn)移機(jī)制將噪聲能量自適應(yīng)地轉(zhuǎn)移至目標(biāo)信號(hào)中，增強(qiáng)微弱目標(biāo)信號(hào)能量并產(chǎn)生共振譜峰[16]。經(jīng)典非線性雙穩(wěn)Langevin模型來源于布朗粒子在周期力和噪聲共同激勵(lì)下的過阻尼運(yùn)動(dòng)，其軌跡方程可以表示為：

(2)

式中：x(t)為系統(tǒng)輸出信號(hào)；s(t)為系統(tǒng)輸入信號(hào)；n(t)為噪聲；U(x)為勢(shì)函數(shù)；a和b為調(diào)節(jié)勢(shì)阱寬度和勢(shì)壘高度的非負(fù)系統(tǒng)參數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，雙穩(wěn)SR系統(tǒng)勢(shì)阱函數(shù)如圖3所示。

圖3 雙穩(wěn)勢(shì)阱函數(shù)

通過參數(shù)調(diào)節(jié)使信號(hào)、系統(tǒng)、噪聲達(dá)到最佳協(xié)同，即粒子在2個(gè)勢(shì)阱中的運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)共振輸出。該模型的適用前提是信號(hào)必須滿足絕熱近似理論的小參數(shù)特征，而諧波磁場信號(hào)中的固有激勵(lì)頻率較高，系統(tǒng)不能形成動(dòng)態(tài)平衡。采用尺度變換的方法，對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行線性壓縮，使信號(hào)最高頻率不超過1 Hz。將變換后的小參數(shù)信號(hào)輸入雙穩(wěn)SR模型并采用四階Runge-Kutta方法進(jìn)行求解，其過程可以表示為

(3)

式中：τ為變尺度積分步長；sn為含有噪聲的實(shí)際諧波磁場檢測信號(hào)。

信號(hào)經(jīng)過SR系統(tǒng)處理后，其時(shí)域軌跡會(huì)發(fā)生畸變，而實(shí)際檢測中，管道損傷信號(hào)的辨識(shí)與定位需要準(zhǔn)確還原到時(shí)域中。為避免造成系統(tǒng)誤判，引入時(shí)域恢復(fù)模型[17]，相當(dāng)于勢(shì)函數(shù)對(duì)時(shí)間歷程求一階導(dǎo)數(shù)，可表示為

r(x)=-ax+bx3

(4)

2.2 局域均值分解

對(duì)雙穩(wěn)SR系統(tǒng)處理后的輸出信號(hào)進(jìn)行損傷目標(biāo)提取與辨識(shí)。采用自適應(yīng)時(shí)頻分析算法LMD將信號(hào)分解為一系列調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)[18]，對(duì)諧波激勵(lì)背景信號(hào)進(jìn)行分離，有效提取出損傷目標(biāo)信號(hào)。算法分解過程中加入了滑動(dòng)平均，使包絡(luò)信息更加完備，端點(diǎn)效應(yīng)也得到抑制，較傳統(tǒng)方法性能得到極大提升。對(duì)非線性、非平穩(wěn)混合時(shí)域信號(hào)x(t)，其自適應(yīng)時(shí)頻分析過程可分為如下步驟[19]：

(1)確定信號(hào)x(t)的全部局域極值點(diǎn)ni，計(jì)算相鄰2個(gè)極值點(diǎn)ni和ni+1的平均值mi以及包絡(luò)估計(jì)函數(shù)ai：

(5)

將所有平均值和包絡(luò)值分別用直線相連并進(jìn)行平滑處理，得到局域均值函數(shù)m11(t)和包絡(luò)估計(jì)函數(shù)a11(t)；

(2)將局域均值函數(shù)m11(t)從信號(hào)x(t)中分離，可得:

h11=x(t)-m11(t)

(6)

并對(duì)h11(t)進(jìn)行解調(diào)，可得:

s11=h11(t)/a11(t)

(7)

(3)理想條件下，s11(t)應(yīng)為純調(diào)頻信號(hào)，需重復(fù)迭代步驟(1)、(2)，直到其包絡(luò)估計(jì)函數(shù)滿足：

(8)

(4)將迭代過程中產(chǎn)生的所有包絡(luò)估計(jì)函數(shù)相乘可得到第1個(gè)分量的包絡(luò)信號(hào)(瞬時(shí)幅值函數(shù))為

(9)

式中k為循環(huán)迭代次數(shù)。

再將包絡(luò)信號(hào)a1(t)與純調(diào)頻信號(hào)s1n(t)相乘可得分解后的第1個(gè)分量PF1(t)，即單分量調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)為

PF1(t)=a1(t)s1n(t)

(10)

(5)將單分量PF1(t)從原始信號(hào)x(t)中分離，所得信號(hào)記為u1(t)并作為下一次循環(huán)的初始信號(hào)，重復(fù)以上步驟，直到uk(t)為單調(diào)函數(shù)為止，即為分解到最后的信號(hào)余量:

(11)

(6)此時(shí)，LMD解析完成，原始信號(hào)x(t)可表示為k個(gè)PF分量和1個(gè)信號(hào)余量u(t):

(12)

對(duì)全部PF分量的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率進(jìn)行分析，可得到原始信號(hào)x(t)完整的時(shí)頻分布特性。

2.3 仿真分析

為驗(yàn)證諧波磁場檢測管道損傷中目標(biāo)信號(hào)識(shí)別算法的有效性，建立鋼質(zhì)管道損傷諧波磁場數(shù)學(xué)模型，表示為

(13)

式中：Ai、fi、θi分別為諧波分量的幅值、頻率和初始相位；randj=1,2為2處隨機(jī)損傷源信號(hào)；n(t)為噪聲。

設(shè)置諧波激勵(lì)分量高頻為1 000 Hz、低頻為25 Hz，水平檢測長度為3 m，進(jìn)行MATLAB數(shù)值仿真。對(duì)混合信號(hào)中包含損傷源的一段數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，如圖4所示，可以看出原始信號(hào)中損傷目標(biāo)已經(jīng)被完全淹沒。

圖4 混合諧波磁場仿真信號(hào)

采用雙穩(wěn)SR算法對(duì)強(qiáng)噪聲背景下的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，同時(shí)采用LMD算法對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行提取，能夠準(zhǔn)確辨識(shí)2處管道損傷，結(jié)果如圖5所示。此外，仿真中發(fā)現(xiàn)，隨著信噪比的提高，算法對(duì)目標(biāo)信號(hào)的辨識(shí)度更加明顯。

圖5 仿真損傷目標(biāo)信號(hào)提取

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證管道損傷諧波磁場檢測方法的有效性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。選用20#鋼的無縫鋼管，外徑400 mm、壁厚10 mm、長度4 m。在管道外壁預(yù)制2處不同類型的損傷，二者相距50 cm。損傷1：周向刻槽，長×寬為70 mm×8 mm；損傷2：圓形通孔，直徑為10 mm，如圖6所示。

(a)刻槽

實(shí)際檢測時(shí)，聚焦陣列中5個(gè)線圈陣元并行輸入激勵(lì)信號(hào)，諧波電流為1.5 A，高頻成分為1 000 Hz、低頻成分為25 Hz，初始相位均為0；4個(gè)三維矢量TMR傳感器以差分形式并行采集諧波磁場信號(hào)，采樣頻率為5 000 Hz。檢測過程中，保持傳感器至管道上表面的水平提離高度為120 cm，并以0.5 m/s速度沿管道自左向右勻速前進(jìn)。為避免端點(diǎn)效應(yīng)，在檢測起始點(diǎn)和終止點(diǎn)沿管道各自向兩端延伸檢測40 cm，總檢測距離為160 cm。經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)，得到被測管段的XYZ三軸矢量諧波磁場有效檢測信號(hào)，如圖7所示，可見僅憑原始信號(hào)不能直接對(duì)損傷目標(biāo)進(jìn)行定位和辨識(shí)。

圖7 諧波磁場檢測原始信號(hào)

采用三維矢量傳感器陣列的優(yōu)勢(shì)之一在于拓寬了接收信息的維度，不同位置、不同損傷類型的諧波磁場信號(hào)對(duì)傳感器的敏感方向不同。因此，采用雙穩(wěn)SR算法分別對(duì)各傳感器單軸信號(hào)進(jìn)行處理，將原始信號(hào)中的噪聲能量轉(zhuǎn)移至目標(biāo)信號(hào)中。時(shí)域恢復(fù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，然后采用LMD算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，提取出損傷目標(biāo)。諧波磁場信號(hào)處理的算法流程如圖8所示。

圖8 算法流程圖

實(shí)際處理過程中，原始信號(hào)被自適應(yīng)分解為7個(gè)PF分量，綜合對(duì)比各傳感器時(shí)頻分析結(jié)果，在較高分解層中可以很好對(duì)損傷目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行表征，如圖9所示。

圖9 實(shí)際損傷目標(biāo)信號(hào)提取

從圖9中可以看出：分解后的信號(hào)剩余能量指數(shù)普遍較低，但在2處損傷中，刻槽信號(hào)能量指數(shù)明顯高于圓孔信號(hào)能量指數(shù)；刻槽信號(hào)能量分布較集中，圓孔信號(hào)能量分布較分散；刻槽損傷定位較準(zhǔn)確，圓孔損傷定位誤差較大。初步判定：圓孔相對(duì)于刻槽的金屬損失率更大，傳感器采集到的諧波磁場信號(hào)幅值不同，導(dǎo)致分解后刻槽能量指數(shù)高、圓孔能量指數(shù)低；刻槽自身尺寸窄于圓孔，并且圓孔邊緣處還有半個(gè)盲孔相連，導(dǎo)致刻槽能量集中、圓孔能量分散；檢測過程沒有嚴(yán)格保證探頭勻速移動(dòng)，導(dǎo)致定位出現(xiàn)誤差。

4 結(jié)論

(1)提出一種鋼質(zhì)管道損傷諧波磁場檢測方法，將諧波激勵(lì)源產(chǎn)生的陣列聚焦信號(hào)發(fā)射至待檢管道，再由三維矢量隧道磁阻差分傳感器陣列并行采集諧波磁場回波信號(hào)。提高了檢測靈敏度與信號(hào)穿透能力，增強(qiáng)了檢測過程中信號(hào)發(fā)射與接收的靶向性。

(2)根據(jù)諧波磁場信號(hào)特征，引入雙穩(wěn)隨機(jī)共振模型，利用噪聲能量增強(qiáng)了損傷目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度；采用局域均值自適應(yīng)分解算法進(jìn)行多尺度時(shí)頻分析，實(shí)現(xiàn)了管道損傷目標(biāo)信號(hào)的提取與辨識(shí)。

(3)建立諧波磁場管道損傷數(shù)值模型與室內(nèi)管道檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，準(zhǔn)確提取了管道表面的圓孔和刻槽損傷信號(hào)，驗(yàn)證了諧波磁場檢測方法的有效性。

(4)該方法操作簡單、無需檢測介質(zhì)和表面處理等，能夠在非接觸條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼質(zhì)管道管體損傷的有效檢測與辨識(shí)，能夠?yàn)槌鞘袩崃艿?、站場管道等提供一種有效的管道管體損傷檢測方法,下一步將在提升系統(tǒng)分辨率以及定量檢測方面繼續(xù)研究。