輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式儲(chǔ)罐底板漏磁檢測儀

陳 杰 田亞團(tuán) 趙昆明 武新軍 李 濤 高麗巖

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國石油化工股份有限公司天津分公司)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式儲(chǔ)罐底板漏磁檢測儀

陳 杰1田亞團(tuán)2趙昆明1武新軍1李 濤2高麗巖2

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國石油化工股份有限公司天津分公司)

作為一種高效的無損檢測方法，漏磁檢測儀被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)罐底板快速檢測。為了使漏磁檢測儀操作更加便捷，并進(jìn)一步提高檢測效率，將輪轂電機(jī)引入儲(chǔ)罐底板漏磁檢測儀的設(shè)計(jì)之中，直接采用電力驅(qū)動(dòng)避免了復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。利用輪轂電機(jī)無接觸的特性，實(shí)現(xiàn)在無供電情況下的手動(dòng)掃查功能，提高了儀表的靈活性。實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場應(yīng)用表明：輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式漏磁檢測儀操作便捷，檢測效率有所提高，更加適用于復(fù)雜環(huán)境下的儲(chǔ)罐底板現(xiàn)場檢測需求。

漏磁檢測儀 儲(chǔ)罐底板腐蝕 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng) 手動(dòng)掃查

儲(chǔ)罐是石化企業(yè)、油庫和港口存儲(chǔ)原油與其他介質(zhì)的重要裝置，在運(yùn)行過程中不可避免地存在腐蝕問題。儲(chǔ)罐底板是儲(chǔ)罐的重要組成部分，較其他部分腐蝕更加嚴(yán)重，且多為潰瘍狀的坑點(diǎn)腐蝕[1，2]。儲(chǔ)罐底板的腐蝕縮短了其正常使用壽命，一旦穿孔介質(zhì)就會(huì)泄漏，最終影響企業(yè)的正常生產(chǎn)并污染環(huán)境。

為預(yù)防儲(chǔ)罐底板漏油事故，在儲(chǔ)罐使用過程中必須做好定期檢測和維修工作。漏磁檢測儀具有檢測速度快、不受儲(chǔ)罐底板表面非導(dǎo)磁覆蓋物限制的優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)罐底板快速檢測中。

目前，儲(chǔ)罐底板漏磁檢測儀主要有兩種驅(qū)動(dòng)方式：手動(dòng)方式和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式[3～8]。手動(dòng)方式下操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測效率較低；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪子運(yùn)行的，但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要維護(hù)，在電池用磬后無法繼續(xù)工作。因此，有必要研制一種能解決上述問題的漏磁檢測儀，以進(jìn)一步提高檢測效率。

近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展、控制方法的優(yōu)化和永磁材料性能的提升，高效的輪轂電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，筆者提出將輪轂電機(jī)應(yīng)用于漏磁檢測儀的設(shè)計(jì)中。

1 輪轂電機(jī)工作原理

輪轂電機(jī)又稱車輪內(nèi)裝電機(jī)，將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置集成在輪轂內(nèi)，從而極大地簡化了應(yīng)用場合的機(jī)械設(shè)計(jì)[9]。輪轂電機(jī)內(nèi)部分為定子和轉(zhuǎn)子。定子由定子鐵心、電樞繞組(AX、BY和CZ)及軸等組成。定子鐵心由多個(gè)槽數(shù)的硅鋼片沖壓而成，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。轉(zhuǎn)子由一定極對數(shù)的永久磁鐵組成。

常用的輪轂電機(jī)主要有有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種。有刷電機(jī)設(shè)有機(jī)械換向器和電刷，致使其故障多、壽命短且換向時(shí)有電磁干擾。無刷電機(jī)采用電子換向器和功率放大器(V1、V2、V3)代替了機(jī)械換向器和電刷，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子不接觸，具備了免維護(hù)的特點(diǎn)。因此，目前的輪轂電機(jī)廣泛使用無刷電機(jī)，其工作原理如圖1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)到與定子AX繞組平齊的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置檢測元件H1檢測到轉(zhuǎn)子位置信息，功率放大器V1導(dǎo)通，供電模塊向繞組AX供電。繞組AX通電后激勵(lì)出定子磁場，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到下一個(gè)繞組平齊位置時(shí)，重復(fù)上述過程。如此反復(fù)循環(huán)，保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 輪轂無刷電機(jī)原理示意圖

要在電機(jī)中產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，應(yīng)使電樞繞組的電流隨轉(zhuǎn)子磁場位置而變化。有兩種途徑可以獲得轉(zhuǎn)子位置信息：有位置傳感器方式和無位置傳感器方式。前者利用位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極的位置信息轉(zhuǎn)換為電信號，供后續(xù)電路使用，位置傳感器廣泛采用霍爾元件集成電路。后者使用檢測電路代替位置傳感器，從硬件和軟件兩方面間接獲得轉(zhuǎn)子位置信息。其中反電勢法應(yīng)用廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。因此，本漏磁檢測儀選用無位置傳感器的直流無刷輪轂電機(jī)。

2 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式漏磁檢測儀設(shè)計(jì)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式漏磁檢測儀(圖2)由漏磁檢測傳感器、底板掃查器、運(yùn)動(dòng)控制器、信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采樣控制器和計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)組成。

圖2 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式漏磁檢測系統(tǒng)組成框圖

漏磁檢測傳感器在底板掃查器的帶動(dòng)下沿底板進(jìn)行掃查運(yùn)動(dòng)(運(yùn)動(dòng)控制器控制底板掃查器運(yùn)動(dòng))，將底板上缺陷引起的漏磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號。信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器將漏磁檢測傳感器檢測到的電信號放大、濾波，采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(采樣控制器觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，確定掃查距離并定位缺陷)，通過USB傳輸給計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)獲取并顯示缺陷信息，完成儲(chǔ)罐底板漏磁檢測。

2.1 漏磁檢測傳感器

漏磁檢測傳感器由磁化器和檢測探頭組成。在儲(chǔ)罐底板漏磁檢測中，將被測儲(chǔ)罐底板磁化至飽和或近飽和狀態(tài)是提高檢測靈敏度的重要保障[4]。磁化鋼板有交流磁化、直流磁化及永磁磁化等方式。使用釹鐵硼磁鐵的永磁磁化無需電源、體積小、重量輕。磁場敏感元件用以拾取漏磁場信號。磁場敏感元件主要有感應(yīng)線圈、磁通門傳感器、磁敏電阻、磁敏二極管及霍爾元件等?；魻栐删€性放大電路，便于后續(xù)處理，并且穩(wěn)定性和溫度特性好。因此本設(shè)計(jì)選用永磁磁化(釹鐵硼磁鐵牌號N52)作為磁化鋼板方式，并選擇霍爾元件作為檢測元件。

永磁磁化的磁化器由銜鐵和磁鐵組成。磁化器尺寸和磁鐵提離，對鋼板的磁化程度有很大影響。通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，在保證焊縫通過性的基礎(chǔ)上合理確定磁化器尺寸和提離值。

為防止碰撞和振動(dòng)影響霍爾元件的檢測效果，將5個(gè)霍爾元件間隔一定距離并排放置，并封裝于一個(gè)檢測探頭中。由于單個(gè)霍爾元件檢測覆蓋范圍有限，采用聚磁技術(shù)保證相鄰霍爾元件檢測區(qū)域重疊[10]。該漏磁檢測儀有4個(gè)檢測探頭，并排放置使單次掃查寬度達(dá)到280mm。探頭側(cè)面緊貼保證一次掃查無漏檢。使用浮動(dòng)裝置壓緊檢測探頭，使其緊貼儲(chǔ)罐底板表面，提高檢測靈敏度。遇到障礙時(shí)，浮動(dòng)裝置浮動(dòng)功能使檢測探頭抬起，并順利通過障礙。

2.2 底板掃查器和運(yùn)動(dòng)控制器

底板掃查器由4輪小車和操縱桿構(gòu)成。4輪小車攜帶漏磁檢測傳感器進(jìn)行掃查運(yùn)動(dòng)。4輪小車的動(dòng)力裝置是兩個(gè)單邊輪轂電機(jī)，輪轂電機(jī)對稱布置，保證漏磁檢測儀可以沿直線掃查。輪轂電機(jī)作為后輪，合理化漏磁檢測儀前后配重。漏磁檢測儀啟動(dòng)時(shí)，后輪作為驅(qū)動(dòng)輪抓地力增強(qiáng)，使啟動(dòng)更加平穩(wěn)。運(yùn)動(dòng)控制器直接控制輪轂電機(jī)，省去傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，維修更加容易。

作為底板掃查器的重要組成部分，操縱桿從下到上依次安裝有電池、計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器和調(diào)速轉(zhuǎn)把。其中，運(yùn)動(dòng)控制器位于操縱桿上部，如圖3所示，操縱桿設(shè)計(jì)有3個(gè)擋位，分別與水平面夾角為62°、42°和0°。前兩種擋位分別為身高不同的操作人員設(shè)計(jì)，后一種擋位是為漏磁檢測儀需要進(jìn)入盤管下方區(qū)域的情況設(shè)計(jì)。

圖3 底板掃查器操縱桿3種擋位示意圖

該漏磁檢測儀選用的電機(jī)控制方式是“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”。由于選用的是輪轂電機(jī)無位置傳感器，所以該運(yùn)動(dòng)控制器使用反電勢法間接確定轉(zhuǎn)子位置。電池向輪轂電機(jī)某兩相繞組供電后，電機(jī)轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生變換的磁場，電機(jī)沒有通電的另一相繞組切割磁力線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢。在另兩相繞組通電期間，這一相繞組的感生電動(dòng)勢的正負(fù)會(huì)發(fā)生改變，某時(shí)刻其感生電動(dòng)勢為零，即所謂的過零點(diǎn)。反電勢過零點(diǎn)和需要換向的位置之間存在偏移。

繞組電壓檢測電路監(jiān)控沒有通電的第三相繞組的電壓，當(dāng)它達(dá)到過零點(diǎn)時(shí)，記錄該兩相繞組通電到第三相出現(xiàn)過零點(diǎn)的時(shí)間間隔。等過零點(diǎn)事件出現(xiàn)后再等待相同的時(shí)間間隔，就近似認(rèn)為轉(zhuǎn)子到達(dá)需要換向的位置。通過上述方式補(bǔ)償反電勢過零點(diǎn)和需要換向位置之間的偏移。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)需要換向的位置時(shí)，控制電路根據(jù)換向位置的不同，通斷不同的功率放大器，使定子繞組產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子磁場始終保持近似90°的空間角，持續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

所需檢測速度不同時(shí)，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)操縱桿上部的調(diào)速轉(zhuǎn)把?？刂齐娐方邮盏剿俣日{(diào)節(jié)信號，通過脈寬調(diào)制方法改變作用于定子繞組的電壓，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。當(dāng)需要反向掃查儲(chǔ)罐底板時(shí)，手動(dòng)按下位于操縱桿后部的轉(zhuǎn)向開關(guān)?？刂齐娐方邮盏睫D(zhuǎn)向開關(guān)的轉(zhuǎn)向信息，改變定子繞組的通電順序，使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。保護(hù)電路則實(shí)現(xiàn)短路、過流及欠電壓等故障的保護(hù)功能。

2.3 信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和采樣控制器

漏磁檢測儀使用自主研制的信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以FPGA作為主控芯片，CY7C68013作為USB控制芯片(圖4)。在檢測過程中，信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)發(fā)出的開始采集命令，同時(shí)參考采樣控制器傳遞來的編碼器信號，綜合制定采樣策略，控制整個(gè)信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始工作。首先，預(yù)處理電路接收到漏磁檢測傳感器檢測的信號，對它進(jìn)行放大濾波等預(yù)處理，并實(shí)現(xiàn)交流分量與直流分量的分離。交流分量反映儲(chǔ)罐底板缺陷信息，直流分量反映儲(chǔ)罐底板板厚均勻變化信息。處理后的信號經(jīng)模擬多路復(fù)用器和16位A/D芯片，將8路模擬信號(4個(gè)檢測探頭的直流信號和交流信號)采樣后按一定次序排列為一路數(shù)字信號。接著，A/D芯片將轉(zhuǎn)換后的一路數(shù)字信號送入FPGA的FIFO寄存。最后FPGA將數(shù)字信號經(jīng)CY7C68013按USB通信協(xié)議發(fā)送給計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)。

圖4 漏磁檢測儀的功能模塊框圖

采樣控制器由壓緊裝置、摩擦輪、同步帶和旋轉(zhuǎn)編碼器組成。壓緊裝置使摩擦輪緊貼儲(chǔ)罐底板，摩擦輪隨檢測儀的移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶將摩擦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給旋轉(zhuǎn)編碼器，漏磁檢測儀每前進(jìn)220mm旋轉(zhuǎn)編碼器隨摩擦輪旋轉(zhuǎn)一周。旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生100個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖觸發(fā)兩次數(shù)據(jù)采集，即每隔1.1mm采集一次數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信號與檢測儀移動(dòng)距離的對應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)缺陷在檢測儀移動(dòng)路徑上的定位。

2.4 計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)主要包括工業(yè)一體機(jī)和檢測軟件。檢測軟件通過USB協(xié)議發(fā)送命令控制字，實(shí)現(xiàn)對信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣方式的控制。系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳輸來的數(shù)字信號，并復(fù)現(xiàn)為8路數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)對4個(gè)漏磁檢測傳感器檢測信號的獲取。系統(tǒng)通過繪制動(dòng)態(tài)曲線的形式實(shí)時(shí)顯示檢測信號。

檢測軟件基于自主研發(fā)的信號預(yù)處理與模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在VS2013開發(fā)環(huán)境下，使用CYAPI靜態(tài)鏈接庫，由MFC框架編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有線傳輸。軟件設(shè)置8個(gè)顯示通道，通道0～3分別對應(yīng)4個(gè)檢測探頭產(chǎn)生信號的交流分量，用來顯示缺陷信息；通道4～7分別對應(yīng)4個(gè)檢測元件產(chǎn)生信號的直流分量，用來表示壁厚均勻減薄信息。根據(jù)是否顯示直流信號，軟件可以切換8通道或4通道顯示方式。軟件左側(cè)控件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定、顯示參數(shù)調(diào)節(jié)、復(fù)現(xiàn)及數(shù)據(jù)分析等功能。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試板實(shí)驗(yàn)

試板材料Q235，厚度為6mm。在試板背面等間距分布5個(gè)φ6mm的階梯盲孔，孔深依次為板厚的10%、20%、40%、60%、80%。漏磁檢測儀從壁厚損失10%的沉孔向壁厚損失80%的沉孔依次掃查，當(dāng)漏磁檢測傳感器通過壁厚損失80%的沉孔后，再反向依次掃查一次。其中8通道檢測信號如圖5a所示，使用軟件通道切換功能顯示4通道檢測信號如圖5b所示?？梢钥闯觯簾o論是正方向還是反方向掃查，均有典型信號與5個(gè)盲孔缺陷對應(yīng)。

a. 8通道顯示 b. 4通道顯示

3.2 現(xiàn)場檢測

為了進(jìn)一步驗(yàn)證儀表的實(shí)用性和可靠性，在某石化公司進(jìn)行現(xiàn)場檢測。該公司的立式常壓圓柱儲(chǔ)罐有防腐層和襯里。儲(chǔ)罐儲(chǔ)存介質(zhì)為原油，常年服役罐底板腐蝕嚴(yán)重。使用漏磁檢測儀檢測到圖6所示的信號，在對應(yīng)位置尋找到通孔缺陷。

圖6 現(xiàn)場檢測信號

現(xiàn)場實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)：在不更換電池的情況下，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式漏磁檢測儀以約10m/min的速度持續(xù)運(yùn)行約四個(gè)小時(shí)；檢測儀做掃查運(yùn)動(dòng)時(shí)，不需要手動(dòng)施加動(dòng)力，極大地減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；電池電量用完后，利用輪轂電機(jī)的無接觸特性可繼續(xù)手動(dòng)掃查，延長了罐內(nèi)操作時(shí)間。無論是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)還是手動(dòng)拖拽，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式儲(chǔ)罐底板漏磁檢測儀均可有效識別缺陷。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有漏磁檢測儀存在的問題，研制出輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式儲(chǔ)罐底板漏磁檢測儀。試板測試表明，該漏磁檢測儀可檢出6mm厚鋼板背面直徑6mm等效壁厚損失10%的沉孔缺陷?，F(xiàn)場檢測表明，儀表的無刷輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，能更好地適應(yīng)儲(chǔ)罐底板的現(xiàn)場檢測，降低了底板檢測勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了檢測效率。

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MagneticFluxLeakageDetectorDrivenbyIn-wheelMotorforTankFloorPlate

CHEN Jie1, TIAN Ya-tuan2, ZHAO Kun-ming1, WU Xin-jun1, LI Tao2, GAO Li-yan2
(1.SchoolofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology; 2.SinopecTianjinPetrochemicalCo.,Ltd.)

As an efficient nondestructive testing method, the magnetic flux leakage detection method was widely used in tank floor plate’s inspection. In order to facilitate the operation of magnetic flux leakage detector and improve its inspection efficiency, introducing the in-wheel motor into the design of magnetic flux leakage detector was implemented and the electric drive was adopted to replace complex transmission mechanism. Through taking advantages of non-contacting characteristics of the in-wheel motor, the manual scanning was realized without battery power to improve detector’s flexibility. Both laboratory test and practical application indicates that, this detector can operate conveniently and fast along with the improved efficiency, especially in complicated environments.

magnetic flux leakage detector, corrosion in tank bottom plate, driven by in-wheel motor, manual scanning

TH89

B

1000-3932(2017)02-0166-05

2016-05-04，

2016-11-30)

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ09017502)。

陳杰(1992-)，碩士研究生，從事漏磁檢測的研究。

聯(lián)系人武新軍(1971-)，教授，從事無損檢測的研究，xinjunwu@hust.edu.cn。