油氣管道漏磁檢測(cè)缺陷區(qū)域的分段識(shí)別方法

陳俊杰

（電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

油氣管道漏磁檢測(cè)缺陷區(qū)域的分段識(shí)別方法

陳俊杰

（電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

為解決油氣管道漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)量巨大所帶來的處理難題，研究一種從漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)中快速識(shí)別出待求解目標(biāo)缺陷區(qū)域的檢測(cè)方法?；谟邢拊抡嬗?jì)算，對(duì)油氣管道三維漏磁檢測(cè)信號(hào)的特性進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段閾值截取處理，并提出一種管道待求解缺陷區(qū)域的分段識(shí)別方法，可快速且準(zhǔn)確地處理油氣管道漏磁檢測(cè)海量數(shù)據(jù)?；趯?shí)際油氣管道的漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)所提出的分段識(shí)別方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的方法可準(zhǔn)確識(shí)別出管道上的缺陷區(qū)域，既完整地包含缺陷及其附近區(qū)域，也不存在過量的無關(guān)區(qū)域，可有效地控制后續(xù)處理過程的數(shù)據(jù)量。

漏磁檢測(cè)；缺陷識(shí)別；分段處理；閾值截??；油氣管道

0 引 言

油氣輸送管道極易在介質(zhì)腐蝕、地基變化、地質(zhì)災(zāi)害等因素的作用下產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷。在眾多的油氣管道缺陷檢測(cè)方法中，漏磁（magnetic flux leakage，MFL）檢測(cè)對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求不高，且能同時(shí)檢測(cè)管道的內(nèi)壁與外壁缺陷，因而獲得了廣泛應(yīng)用[1-5]。

由MFL檢測(cè)信號(hào)評(píng)估缺陷的位置與形狀參數(shù)，是MFL檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵[6-7]?，F(xiàn)代化的油氣管道檢測(cè)與維護(hù)，要求精確地確定缺陷的形狀輪廓，以便分析缺陷的發(fā)展趨勢(shì)以及其對(duì)管道安全運(yùn)行的影響，進(jìn)而精確地指導(dǎo)油氣管道的檢測(cè)與維護(hù)[8]。然而，現(xiàn)階段的油氣管道MFL檢測(cè)多是基于軸向或徑向分量的一維MFL檢測(cè)，獲取的檢測(cè)信息量有限，難以滿足MFL檢測(cè)的現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)要求[9]。同時(shí)，實(shí)際油氣管道漏磁檢測(cè)的數(shù)據(jù)量巨大，有必要研究如何快速?gòu)闹凶R(shí)別出待求解的目標(biāo)缺陷區(qū)域，從而為后續(xù)的缺陷輪廓反演評(píng)估打下基礎(chǔ)。

為此，本文通過建立油氣管道漏磁檢測(cè)的有限元仿真模型，對(duì)油氣管道三維MFL檢測(cè)信號(hào)的特性進(jìn)行研究。進(jìn)而提出一種管道待求解缺陷區(qū)域的分段識(shí)別方法，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 三維MFL檢測(cè)信號(hào)的特性研究

漏磁檢測(cè)通過外加磁場(chǎng)在鐵磁性管壁內(nèi)部激發(fā)飽和磁場(chǎng)，進(jìn)而通過磁傳感器檢測(cè)由管壁缺陷造成的泄漏磁場(chǎng)，從而獲取缺陷的相關(guān)信息[10-11]。圖1為油氣管道三維MFL檢測(cè)示意圖，其磁路主要由鋼刷、永磁體、背鐵和管壁組成。在檢測(cè)器內(nèi)部，沿管道周向均勻布置有測(cè)量探頭。其中，每個(gè)測(cè)量探頭內(nèi)部有多組霍爾傳感器或線圈傳感器，用于測(cè)量由管壁缺陷造成的漏磁場(chǎng)信號(hào)，包括軸向信號(hào)Ba、徑向信號(hào)Br與周向信號(hào)Bc。

圖1 油氣管道三維MFL檢測(cè)示意圖

在對(duì)實(shí)際的油氣管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了獲得最優(yōu)的檢測(cè)效果，永磁體沿管道軸向?qū)⒐鼙诖呕溜柡突蚪柡蜖顟B(tài)。同時(shí)，磁傳感器被布置于磁路的中心，以使其與缺陷處于均勻的磁化場(chǎng)中，從而不受鋼刷附近不規(guī)則磁場(chǎng)的影響。

1.1 信號(hào)的基本特征

基于油氣管道三維MFL檢測(cè)的磁路結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件ANSYS建立的90°有限元仿真模型如圖2所示。該模型可以仿真任意缺陷產(chǎn)生的三維MFL檢測(cè)信號(hào)，其所使用的三維漏磁檢測(cè)器結(jié)構(gòu)尺寸與線性磁性材料的特性參數(shù)如表1所示。圖3為三維有限元仿真模型中的背鐵、鋼刷與管壁3種材料的磁化特性曲線。

圖2 油氣管道三維MFL檢測(cè)有限元仿真模型

表1 三維漏磁檢測(cè)器結(jié)構(gòu)尺寸與磁性材料特性參數(shù)

圖3 三維有限元仿真模型中部分材料的磁化特性曲線

圖4～圖6分別給出了一個(gè)28.6 mm×14.3 mm×7.15mm（長(zhǎng)×寬×深）矩形缺陷、一個(gè)28.6mm×7.15mm（直徑×深）弧面缺陷以及一個(gè)28.6 mm×7.15 mm（直徑×深）圓柱缺陷的仿真三維MFL信號(hào)分布圖。由圖可以得到缺陷三維漏磁檢測(cè)信號(hào)的基本特征為

1）軸向分量具有一個(gè)峰值區(qū)域、兩個(gè)谷值區(qū)域以及兩個(gè)對(duì)稱面，其輪廓主要反映了缺陷底部輪廓的拐點(diǎn)。

2）徑向分量具有一個(gè)峰值點(diǎn)和一個(gè)谷值點(diǎn)，同時(shí)具有一個(gè)對(duì)稱面與一個(gè)反對(duì)稱面，其輪廓主要反映了缺陷的開口形狀。

3）周向分量具有兩個(gè)峰值點(diǎn)、兩個(gè)谷值點(diǎn)以及兩個(gè)反對(duì)稱面，其輪廓主要反映了缺陷側(cè)面邊界的拐點(diǎn)。

圖4 28.6mm×14.3mm×7.15mm矩形缺陷的三維MFL信號(hào)

圖5 28.6mm×7.15mm弧面缺陷的三維MFL信號(hào)

圖6 28.6mm×7.15mm圓柱缺陷的三維MFL信號(hào)

同時(shí)，圖4～圖6中黑色虛線標(biāo)示了真實(shí)的缺陷開口輪廓。對(duì)比缺陷開口輪廓與三維MFL信號(hào)圖可知：

1）沿施加外部磁場(chǎng)的軸向方向，軸向分量的兩個(gè)谷值點(diǎn)分別位于缺陷開口的最后與最前邊沿處，峰值區(qū)域位于缺陷開口的中心，峰值點(diǎn)則位于缺陷開口的左右邊沿。

2）徑向分量的峰、谷值點(diǎn)分別位于缺陷開口的最后與最前邊沿處。

3）周向分量的峰值點(diǎn)位于缺陷開口的左后與右前邊沿處，谷值點(diǎn)位于缺陷開口的左前與右后邊沿處。

1.2 信號(hào)隨缺陷尺寸的變化規(guī)律

為了更詳細(xì)地研究三維MFL檢測(cè)信號(hào)隨缺陷參數(shù)改變而變化的規(guī)律，基于圖4所示的矩形缺陷三維MFL信號(hào)強(qiáng)度圖，定義了如表2所示的待研究三維MFL信號(hào)特征參數(shù)。

基于三維有限元仿真，得到一系列矩形缺陷的三維MFL檢測(cè)信號(hào)分布。其中，缺陷長(zhǎng)度變化范圍為15～105mm，缺陷寬度變化范圍為 17.5～39.5mm，缺陷深度變化范圍為1.79～10.01mm。統(tǒng)計(jì)所研究特征參數(shù)隨矩形缺陷長(zhǎng)、寬、深尺寸的變化規(guī)律，繪制結(jié)果如圖7～圖9所示。

表2 矩形缺陷三維MFL檢測(cè)信號(hào)的特征參數(shù)定義1）

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可得到不同缺陷尺寸下三維MFL信號(hào)特征參數(shù)的基本變化規(guī)律：MFL檢測(cè)信號(hào)軸向、徑向與周向分量的峰谷差值，均隨缺陷長(zhǎng)度、寬度、深度的增大而明顯改變，其中，特征參數(shù)隨缺陷長(zhǎng)度先減小后增大，與缺陷寬度、深度呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系；當(dāng)缺陷長(zhǎng)度增大時(shí)，周向分量峰谷值點(diǎn)間的周向間距不變，其余與軸向間距有關(guān)的特征參數(shù)均增大；當(dāng)缺陷寬度增大時(shí)，周向分量峰谷值點(diǎn)間的周向間距增大，其余與軸向間距有關(guān)的特征參數(shù)均不變；當(dāng)缺陷深度增大時(shí)，所有與軸向間距以及周向間距有關(guān)的特征參數(shù)均無明顯變化。

由以上變化規(guī)律可知，三維MFL檢測(cè)信號(hào)的三個(gè)分量均受缺陷外形輪廓變化的影響，也均攜帶有對(duì)應(yīng)于缺陷輪廓的有用信息。因此，為了準(zhǔn)確地反演缺陷輪廓從而獲得缺陷外形的可視化結(jié)果，應(yīng)實(shí)施油氣管道三維MFL檢測(cè)以獲取充足的檢測(cè)信息。

2 管道缺陷區(qū)域的分段識(shí)別方法

為了實(shí)現(xiàn)油氣管道缺陷形狀輪廓的反演，在對(duì)管道進(jìn)行漏磁檢測(cè)后，首先需要根據(jù)三維MFL檢測(cè)信號(hào)圖識(shí)別出待求解的目標(biāo)缺陷區(qū)域（TR）。在包含完整缺陷輪廓的前提下，應(yīng)盡可能地縮小待求解的TR區(qū)域面積，從而減少后續(xù)缺陷輪廓反演過程中需要處理的數(shù)據(jù)量。同時(shí)，由于缺陷產(chǎn)生的全部MFL信號(hào)均含有缺陷輪廓的潛在信息，為了更準(zhǔn)確地反演缺陷輪廓，原始的缺陷MFL信號(hào)均應(yīng)保留。

2.1 分段識(shí)別方法

圖7 三維MFL檢測(cè)信號(hào)特征參數(shù)隨缺陷長(zhǎng)度的變化規(guī)律

圖8 三維MFL檢測(cè)信號(hào)特征參數(shù)隨缺陷寬度的變化規(guī)律

圖9 三維MFL檢測(cè)信號(hào)特征參數(shù)隨缺陷深度的變化規(guī)律

三維MFL檢測(cè)信號(hào)軸向分量的幅值，是待求解缺陷區(qū)域的最基本判別條件。在無缺陷的管壁完好區(qū)域，軸向MFL檢測(cè)信號(hào)的幅值較小，相應(yīng)的檢測(cè)圖像比較平坦；而在管壁上的缺陷區(qū)域，軸向MFL檢測(cè)信號(hào)的幅值顯著增大，相應(yīng)的檢測(cè)圖像的變化比較明顯。鑒于此，可將油氣管道上有缺陷的區(qū)域及其鄰近的區(qū)域定義為待求解的TR區(qū)域；對(duì)應(yīng)地，將無缺陷的完好區(qū)域稱為NON-TR區(qū)域。

基于軸向MFL檢測(cè)信號(hào)的上述特性，為了劃定出管壁的TR區(qū)域和NON-TR區(qū)域，可采用如下的分段識(shí)別方法對(duì)管道軸向MFL檢測(cè)信號(hào)圖進(jìn)行檢測(cè)：

1）將獲得的管道軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)按周向進(jìn)行劃分，對(duì)每一路傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)。

2）對(duì)于每一路待檢測(cè)的軸向MFL數(shù)據(jù)，將其沿軸向分割成長(zhǎng)度為L(zhǎng)的多個(gè)數(shù)據(jù)段，查找每個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)的最大值max{X}和最小值min{X}。

3）定義閾值 TH1和 TH2，若 max{X}＞TH1成立，或者max{X}-min{X}＞TH2成立，則判定該段數(shù)據(jù)為管道TR區(qū)域內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，否則即為NON-TR區(qū)域的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

該分段識(shí)別方法的關(guān)鍵在于定義合適的數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度L、閾值TH1和TH2，而這些參數(shù)需要根據(jù)管壁磁化強(qiáng)度、檢測(cè)器采樣間隔等條件進(jìn)行合理的選擇。圖10為一段457 mm口徑、14.3 mm壁厚管道的軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中檢測(cè)信號(hào)最大值為4095，對(duì)應(yīng)于實(shí)際漏磁場(chǎng)500Gs。分析所示的軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)可知：在該段管道的無缺陷處，檢測(cè)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值約為125Gs；而在管壁缺陷處，檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值達(dá)200Gs以上?；谠摱螖?shù)據(jù)，進(jìn)行管壁TR區(qū)域的識(shí)別試驗(yàn)?？紤]到MFL檢測(cè)信號(hào)中噪聲信號(hào)的幅值一般小于2Gs，將用于判斷的閾值TH1和TH2分別設(shè)定為200Gs和20Gs。

圖10 457mm口徑、14.3mm壁厚管道軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)示例

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

令數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度L分別取5，10，20，40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到的基于軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)的TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果如圖11～圖14所示。由圖可知，在不考慮TR區(qū)域大小是否合適的情況下，管壁上所加工的人工缺陷均被檢出。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在所設(shè)定的判斷閾值下，無論數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度取5，10，20，40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，管壁上實(shí)際缺陷的檢出率均達(dá)98%以上。實(shí)際缺陷的高檢出率，表明所設(shè)定的判斷閾值完全滿足缺陷檢測(cè)的基本要求。

與此同時(shí)，TR區(qū)域大小是否合適，會(huì)受到數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度L取值的直接影響。當(dāng)L為5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，與真實(shí)缺陷MFL信號(hào)范圍相比，識(shí)別出的TR區(qū)域存在明顯的缺失；當(dāng)L為10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果有所改善，但仍存在部分缺失的不規(guī)則區(qū)域；當(dāng)L為40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果完整地包含了缺陷及其附近區(qū)域，卻同時(shí)包含了大量的無關(guān)區(qū)域，導(dǎo)致缺陷輪廓反演待求解區(qū)域過大；當(dāng)L為20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果為完整的規(guī)則區(qū)域，既完整地包含了缺陷及其附近區(qū)域，也不存在過量的無關(guān)區(qū)域，識(shí)別效果最好。

圖11 基于軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)的TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果（L為5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）

圖15和圖16分別給出了兩種缺陷在不同數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度時(shí)的TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果。由圖對(duì)比可知，20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為比較合適的數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度。由于識(shí)別出的TR區(qū)域不一定為規(guī)則的矩形區(qū)域，為了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的方便，對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行規(guī)則化處理。對(duì)于圖 15（c）與圖 16（c）所示的 TR 區(qū)域識(shí)別結(jié)果，分別沿軸向與周向取該區(qū)域的最外邊界，得到最終的矩形待求解缺陷區(qū)域識(shí)別結(jié)果如圖17所示。

圖12 基于軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)的TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果（L為10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）

圖13 基于軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)的TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果（L為20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）

圖14 基于軸向MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)的TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果（L為40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）

圖15 28.6mm×14.3mm×7.15mm矩形缺陷在不同數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度時(shí)TR識(shí)別結(jié)果

3 結(jié)束語

本文基于油氣管道MFL檢測(cè)有限元仿真模型，研究了三維MFL檢測(cè)信號(hào)的特性，進(jìn)而提出了一種油氣管道MFL檢測(cè)信號(hào)的分段識(shí)別方法。結(jié)果表明，為了準(zhǔn)確地反演缺陷輪廓，應(yīng)實(shí)施油氣管道三維MFL檢測(cè)以獲取充足的檢測(cè)信息。同時(shí)，本文方法可根據(jù)軸向MFL檢測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確地識(shí)別出管道待求解缺陷區(qū)域，既完整地包含了缺陷及其附近區(qū)域，也不存在過量的無關(guān)區(qū)域，為后續(xù)的缺陷輪廓反演打下了較好的基礎(chǔ)。后續(xù)工作中，需進(jìn)一步研究缺陷輪廓的反演方法，從而獲得缺陷外形的可視化結(jié)果，為油氣管道的檢測(cè)與維護(hù)提供直觀可靠的依據(jù)。

圖16 28.6mm×7.15mm圓柱缺陷在不同數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度時(shí)的TR區(qū)域識(shí)別結(jié)果

圖17 最終求得的矩形待求解區(qū)域

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（編輯：商丹丹）

Segmentation identification method for defect area of MFL detection of oil and gas pipelines

CHEN Junjie
（Electric Power Planningamp;Engineering Institute，Beijing 100120，China）

In order to solve the problem of the huge data of oil and gas pipelines magnetic flux leakage（MFL） detection， it is necessary to research a method to identify the target defect area to be solved from the MFL detection signals quickly.Based on the finite element simulation method，the characteristics of three-dimensional magnetic flux leakage detection signal for oil and gas pipelines are studied.Then， the detection data is processed with segmentation and threshold interception， and a segmentation method is proposed to identify the defect area quickly and properly.The experiment results based on real oil and gas pipelines demonstrate that the method can identify the pipeline defect area accurately， containing the defect and its nearby region without excess of irrelevant areas.Therefore，the proposed method can control the data quantity of the subsequent processing effectively.

MFL detection； defect identification； segmentation processing； threshold interception；oil and gas pipelines

A

1674-5124（2017）11-0001-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.001

2017-02-09；

2017-04-23

陳俊杰（1988-），男，安徽六安市人，工程師，博士，主要從事現(xiàn)代電磁檢測(cè)方法、電力系統(tǒng)相關(guān)問題研究。