馬義來,蘇小祥,聞亞星

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029;2.上海積塔半導(dǎo)體有限公司,上海 200123)

漏磁內(nèi)檢測是目前在長輸油氣管道領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的檢測方法之一[1-3]。隨著傳感技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展快速,漏磁內(nèi)檢測設(shè)備性能也得到了質(zhì)的提升,漏磁內(nèi)檢測器的探頭通道和采集頻率大幅提高,已從常規(guī)清晰度內(nèi)檢測技術(shù)發(fā)展到高清晰度和超高清晰度漏磁內(nèi)檢測技術(shù),而內(nèi)檢測數(shù)據(jù)量的急劇增加,為內(nèi)檢測數(shù)據(jù)快速識別和分析帶了極大的挑戰(zhàn)。為了提高數(shù)據(jù)分析的效率,減少不必要的工作量,有必要對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。因此,開發(fā)一種能夠快速識別信號的漏磁內(nèi)檢測方法具有重要意義。

筆者開發(fā)了一種基于低通濾波和差分的信號處理算法,并對漏磁內(nèi)檢測探頭的各通道檢測信號進行降噪優(yōu)化處理,確定了管體缺陷識別規(guī)則并進行檢測試驗。結(jié)果表明,該信號處理方法能夠快速準(zhǔn)確識別管體缺陷信號,識別效果較好。

1 漏磁內(nèi)檢測原理及設(shè)備

漏磁檢測技術(shù)依賴于鐵磁性管材的高磁導(dǎo)率特性,使管道的管壁可以被永磁體產(chǎn)生的磁場磁化至磁飽和[4]。在正常的管壁區(qū)域中,外加磁場的磁感線被束縛于管壁的內(nèi)部,幾乎沒有磁感線從管壁表面穿出,當(dāng)管壁中存在缺陷時,缺陷處的磁導(dǎo)率比正常區(qū)域的磁導(dǎo)率小,磁阻比正常區(qū)域的大,而導(dǎo)致缺陷處的磁感線外泄,通過霍爾傳感器即可檢測到外泄的磁通量[5],管道漏磁檢測基本原理如圖1所示。

圖1 管道漏磁檢測基本原理

漏磁檢測器一般由驅(qū)動節(jié)、勵磁節(jié)、萬向節(jié)、計算機節(jié)等組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中勵磁節(jié)主要用來磁化管壁和采集檢測數(shù)據(jù);驅(qū)動節(jié)利用密封皮碗前后介質(zhì)壓差推動檢測器在管道中運行;萬向節(jié)的作用是幫助檢測器在管道中順利通過彎頭部位,提升通過性能;計算機節(jié)用于檢測數(shù)據(jù)存儲;里程輪記錄檢測器在管道中的行進里程和缺陷位置里程,便于后期開挖定位。

圖2 漏磁檢測器結(jié)構(gòu)示意

2 漏磁信號噪聲

管道管壁上的金屬損失等缺陷所形成的漏磁場信號一般都比較微弱,需要經(jīng)過放大濾波后再進行后處理[7-9]。沿勵磁方向分布的霍爾探頭檢測到漏磁場磁感應(yīng)強度得到單向脈沖信號,典型的缺陷漏磁信號如圖3所示。脈沖信號的方向與探頭的檢測方向以及探頭的運動方向有關(guān)。當(dāng)霍爾探頭的檢測方向與探頭運動方向一致時,單向脈沖信號向上;反之,單向脈沖信號向下。同時,脈沖信號的寬度與時間有關(guān),當(dāng)檢測速度變快時,信號寬度變窄;當(dāng)檢測速度變慢時,信號寬度變寬。實際檢測時受雜散磁場以及振動的影響,漏磁場信號中會疊加大量的噪聲信號。

圖3 典型的缺陷漏磁信號

所設(shè)計的漏磁內(nèi)檢測設(shè)備采用SS 495型線性霍爾元件采集缺陷信號,其內(nèi)部集成了信號放大電路,可直接輸出與測量磁感應(yīng)強度成正比的電壓信號,具有靈敏度高、線性好、功耗低等優(yōu)點。SS 495型線性霍爾元件采集到的漏磁信號仍然存在大量的干擾噪聲信號,有必要進行降噪優(yōu)化。筆者先利用霍爾探頭采集管體缺陷信號,使用數(shù)字低通濾波器濾波后,采用差分法消除探頭提離值和溫度漂移對檢測信號基線的影響,最后利用閥值法進行缺陷信號的識別。整個處理程序代碼精簡、執(zhí)行效率高,可以快速對缺陷信號進行識別。

3 信號處理方法

3.1 數(shù)字低通濾波處理

缺陷信號相對于噪聲屬于低頻信號,可以采用低通濾波器對其進行濾波。Lab VIEW 軟件的信號處理模塊中包含了很多數(shù)字濾波器,包括貝塞爾濾波器、Butter worth濾波器、Chebyshev濾波器、等波紋濾波器、FIR加窗濾波器、中值濾波器等。這些濾波器可以分為兩種,一種是通過處理數(shù)據(jù)塊進行濾波,另一種是通過對數(shù)據(jù)進行連續(xù)的逐點處理來濾波。濾波器的數(shù)據(jù)塊處理方式缺乏實時性,需要經(jīng)過一段數(shù)據(jù)的采集后才能進行處理,且數(shù)據(jù)塊處理需要一定的時間周期;與之相比,逐點濾波器的實時性更強,數(shù)據(jù)采集和處理可同時進行。試驗對比結(jié)果表明,Butter worth低通濾波器對漏磁缺陷信號的過濾效果是最好的。因此筆者采用逐點Butter worth低通濾波器,其濾波效果示例如圖4所示。

圖4 Butter worth低通濾波器濾波效果示例

3.2 信號的差分處理方法

管壁缺陷處檢測信號較正常信號會有明顯的變化,相鄰近信號的差分值一般遠大于正常信號的差分值,因此可以用差分值來處理信號。相鄰信號的差分值可表示為

式中:X(i)為差分變量。

式(1)定義的是前一步差分值,當(dāng)向前k步差分時,差分值可表示為

差分的步數(shù)k可根據(jù)標(biāo)定樣管和現(xiàn)場檢測缺陷信號情況選擇最優(yōu)值。

漏磁檢測設(shè)備通過對差分后的數(shù)據(jù)進行閥值歸零處理,來實現(xiàn)缺陷的直接顯示。在確定判斷閾值時首先要制作人工缺陷標(biāo)定樣管,然后根據(jù)對缺陷樣管的檢測結(jié)果設(shè)定缺陷信號的判定閥值,如果檢測信號的幅值超過閥值,則判定為管壁缺陷信號,低于閥值則認為是無缺陷管壁信號。信號歸零的閥值設(shè)置應(yīng)略小于缺陷信號的判別閥值,若信號幅值小于信號歸零閥值,則信號歸零,若信號幅值大于信號歸零閥值則保留信號。檢測原始信號經(jīng)濾波、差分、歸零等技術(shù)處理后的效果如圖5所示(圖中1為緩變信號,2為振動信號,3為缺陷信號)。

圖5 檢測原始信號經(jīng)濾波、差分、歸零等技術(shù)處理后的效果

圖5中的原始信號包含有較多的噪聲信號,Butter worth低通濾波器對噪聲進行了初步消減,差分處理方法消除了緩變信號和振動信號引起的基線偏移問題,通過標(biāo)定的閥值d對差分處理后的信號進行歸零處理,最終消除了大部分噪聲,缺陷信號明顯凸出。由圖5不難看出,信號經(jīng)過濾波-差分-差分歸零處理后具有很強的實時性和高效性,缺陷信號易于識別。

4 管體特征識別

漏磁內(nèi)檢測器已基本實現(xiàn)了周向360°通道覆蓋,隨著通道數(shù)量的增加,通道顯示密度倍數(shù)增加,清晰度大幅提高。筆者將信號快速識別算法嵌入軟件后,在管道圓周范圍內(nèi)檢測各通道信號,其結(jié)果如圖6所示,經(jīng)過濾波和差分處理后信號無噪聲和雜波影響且焊縫清晰可見。

圖6 無缺陷時全通道正常信號示意

4.1 特征及缺陷類型

管道漏磁內(nèi)檢測技術(shù)可以識別出閥門、彎頭、焊縫、壁厚變化、三通、小開口、法蘭、封堵、補疤、外接金屬物、盜油(氣)孔、金屬套管、維修套筒等管體特征,也能識別出管體內(nèi)外壁腐蝕、機械劃傷、金屬損失型焊縫缺陷、夾雜、制管缺陷、開口裂紋等。工程上一般通過結(jié)合全尺寸牽拉試驗和現(xiàn)場檢測實測結(jié)果,建立缺陷量化模型,對檢出的金屬損失類型缺陷進行尺寸量化,通過信號解析及管道實際特征與信號特征比對建立特征數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)管道特征的準(zhǔn)確識別。

4.2 缺陷的識別規(guī)則

檢測數(shù)據(jù)缺陷信號特征識別是數(shù)據(jù)分析中最重要的一部分,利用筆者開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件,將沿圓周布置的陣列傳感器探頭檢測到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平面漏磁信號波形圖,當(dāng)管道上存在金屬損失或金屬增加時,該漏磁信號會發(fā)生相應(yīng)的變化。

根據(jù)識別漏磁信號波動方向與焊縫信號波動方向來區(qū)分出金屬損失或金屬增加等管道特征,這是所有特征識別的基礎(chǔ),與焊縫波動方向一致的信號為金屬增加信號,與焊縫波動方向相反的為金屬損失信號。軸向漏磁內(nèi)檢測器檢測的某管道正常直焊縫的徑向、軸向、環(huán)向信號如圖7所示,某管道金屬損失缺陷徑向、軸向、環(huán)向信號如圖8所示。

圖7 某正常管道三軸漏磁檢測焊縫信號

圖8 某金屬管道缺失三軸漏磁檢測焊縫信號

通過比較圖7(a)與圖8(a)信號不難發(fā)現(xiàn),該檢測器的焊縫徑向信號波動方向先下后上類似余弦的信號,金屬損失的徑向信號表現(xiàn)為先上后下類似正弦的信號,二者波動方向相反。圖7(b)與圖8(b)分別為焊縫和缺陷的軸向信號,焊縫軸向信號波動方向表現(xiàn)為單峰向下,金屬損失軸向信號表現(xiàn)為單峰向上,二者方向同樣相反。圖7(c)與圖8(c)分別為焊縫和缺陷的周向信號,二者的波動方向也是相反的。受漏磁內(nèi)檢測器磁化方向的影響,焊縫的徑向和軸向信號較為突出,一般主要采用徑向和軸向信號進行識別分析,周向信號作為輔助用。

管道漏磁內(nèi)檢測技術(shù)對體積型金屬損失非常敏感,檢測準(zhǔn)確率高;對閉合型裂紋缺陷不敏感,檢測準(zhǔn)確率低。通過對管道漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的綜合分析,可以識別的缺陷有腐蝕(內(nèi)腐蝕、外腐蝕)、機械損傷、制造缺陷、金屬損失型焊縫缺陷等。在內(nèi)檢測工程實踐中,可通過積累檢測數(shù)據(jù)和開挖驗證數(shù)據(jù)不斷總結(jié)經(jīng)驗,提升數(shù)據(jù)分析識別水平,對不同成因的金屬損失信號特征進行綜合判定,提高缺陷的識別概率、量化精度等。

4.3 管體特征識別規(guī)則

在進行管體特征的識別時,可通過信號波動形式對特征進行綜合分析,常規(guī)的管體特征如熱煨彎頭、閥門、法蘭、三通、盜油孔等都有特定信號特征,既可以根據(jù)信號波動的分析規(guī)則去分解分析信號,也可建立固有特征數(shù)據(jù)圖庫進行實物與信號的比對,一般建立固有特征數(shù)據(jù)庫比對較為方便,管體特征和漏磁檢測信號圖譜對比如圖9所示。

5 工程應(yīng)用

以某長度60 k m成品油管線為例進行檢測,管道規(guī)格為323.9 mm×6.3 mm(直徑×壁厚),鋼管材料為L360,完成漏磁內(nèi)檢測后共檢出缺陷1 125處。對其中3處金屬損失較嚴(yán)重缺陷進行開挖驗證。缺陷信號圖譜和現(xiàn)場開挖結(jié)果如圖10所示,通過信號圖譜可以看出,經(jīng)過降噪和差分處理過的缺陷信號清晰、無噪聲干擾易于識別;通過現(xiàn)場開挖測量可以看出檢測出的缺陷信號識別正確。3處缺陷漏磁檢測結(jié)果及現(xiàn)場開挖實測結(jié)果如表1所示,表中深度通常用百分比深度表示,如正常壁厚的29.5%,即29.5%wt。

表1 現(xiàn)場漏磁檢測結(jié)果和開挖檢測結(jié)果對比

圖10 金屬損失缺陷信號圖譜與現(xiàn)場開挖檢測結(jié)果

缺陷檢測尺寸誤差分析結(jié)果如表2所示,可以看出,噪聲濾波和差分處理對缺陷的檢測精度無影響,缺陷檢測的尺寸精度滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27699-2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》和SY/T 6597-2018《油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》的要求。

表2 現(xiàn)場缺陷檢測誤差分析結(jié)果

6 結(jié)語

(1) 開發(fā)了一種基于數(shù)字低通濾波和差分的單通道信號處理方法,并利用該方法開發(fā)了全周覆蓋的漏磁內(nèi)檢測器數(shù)據(jù)綜合分析軟件,可大幅提高數(shù)據(jù)分析效率和質(zhì)量。

(2) 總結(jié)了基于漏磁內(nèi)檢測信號缺陷和特征識別規(guī)則。

(3) 通過工程檢測和開挖檢測對比發(fā)現(xiàn),該信號處理方法和缺陷識別規(guī)則高效、可靠,缺陷信號識別量化準(zhǔn)確。