一種用于管道檢測的低成本智能泡沫測徑器

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(1.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，沈陽 110043;2.中國石油管道分公司沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110031)

1 背景介紹

在石油和天然氣行業(yè)，對于原油與精煉產(chǎn)品來說,管道無疑是經(jīng)濟實惠的運輸方式，特別是在遠距離輸送的情況下。然而，管道本身容易受到外界損害，例如：天氣、環(huán)境的威脅，退化因素和老化問題等，同時初始建設(shè)時也可能存在缺陷。除了造成重大經(jīng)濟損失外，石油天然氣管道發(fā)生破損也會對環(huán)境造成危害，因此必須通過有效的管道完整性管理系統(tǒng)來預(yù)防破損的發(fā)生。這些措施包括對管道進行合理維護和清潔來避免管道堵塞，并通過周期性的無損檢測來評價內(nèi)外管道狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)可能的缺陷[1]。

管道檢測儀器(通稱檢測器)對管道既能進行清理又能實施檢測，在管道基礎(chǔ)設(shè)施管理中起著關(guān)鍵作用。當今的管道檢測領(lǐng)域，清管和檢測分別由兩種完全不同的儀器完成，即清管器和管道內(nèi)檢測器[2]。前者用于清除管道內(nèi)的碎屑和蠟的積聚；后者用于通過數(shù)據(jù)記錄來檢測管道的狀態(tài)，其中一個或多個特定特征可通過不同種類的傳感器進行監(jiān)測[3]。

測徑器是眾多智能清管器的一種，被專門用來測量管道內(nèi)徑的變化[4]。傳統(tǒng)意義上的智能清管器比普通清管器成本更高：更脆弱，需要更嚴格的操作條件，有較高的卡堵風(fēng)險[5]。筆者提出了一種新型低成本、低風(fēng)險、有檢測功能的泡沫測徑器。該測徑器通過安裝特殊的壓力傳感器能夠檢測、定位管道內(nèi)徑和粗糙度的變化。與傳統(tǒng)意義上的機械式智能檢測器相比，該檢測器能夠提供更多關(guān)于管道結(jié)構(gòu)的信息，表現(xiàn)出更好的靈敏度和附加功能。

2 結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計

筆者設(shè)計的新型智能泡沫測徑器，主要用普通泡沫清管器作為載體，并搭載新型傳感器和數(shù)據(jù)儲存功能模塊。泡沫測徑器由于其具有的靈活性和伸縮性，常用于簡單廉價的清潔工作。為了充分利用泡沫清管器的靈活性，增加的智能系統(tǒng)的尺寸必須小于泡沫清管器最大縮徑時內(nèi)腔的尺寸。系統(tǒng)的不同功能(數(shù)據(jù)采集和存儲、傳感器、能量供給等)已經(jīng)被設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)，以提供高適應(yīng)性。設(shè)計的模塊可以很容易地組裝和拆卸，既可以降低成本，又可以輕松更換損壞的部件，安裝在不同類型的清管器上。

該新型智能泡沫測徑器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其在泡沫載體的后側(cè)放置了一個金屬爪，爪上附有傳感器能夠檢測管道內(nèi)徑的大小及位置，并且還可以評估和記錄管道內(nèi)部的表面粗糙度，有助于發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷。

圖1 用于測試的智能泡沫測徑器機械結(jié)構(gòu)示意

在12 in.(1 in.=25.4 mm)的中密度聚氨酯泡沫載體中，澆注有4 mm厚鋁質(zhì)固定盤，其通過螺栓與金屬連接法蘭相連接。數(shù)據(jù)采集和存儲模塊，是一個點對點開發(fā)的多層印刷電路板(PCB)，被封裝在一個密封區(qū)域中，該設(shè)計盡可能最大化提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。測徑感應(yīng)系統(tǒng)是一個埋在聚合物中的不銹鋼結(jié)構(gòu)(通常比測量直徑大5%)，變形量達到40%。檢測時，使用夾在臂內(nèi)的金屬箔應(yīng)變片來檢測傳感器支臂的彎曲程度。這種類型的應(yīng)變片可以放置在彈性的聚酰亞胺薄片上，提供高精度的測量，并能夠在高達180 ℃的溫度下工作。在允許的變形范圍內(nèi)，可以用線性函數(shù)近似計算臂的彎曲和應(yīng)變片響應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系。通過靈敏度系數(shù)k(基于臂的幾何形狀、材料彈性、應(yīng)變計靈敏度和信號放大器增益等綜合參數(shù))，與采集回的彎曲信號相乘得到管徑的變化。圖2是測徑傳感系統(tǒng)和應(yīng)變片的外觀圖片。

圖2 測徑傳感臂及其內(nèi)部應(yīng)變片外觀

圖3 在線電子系統(tǒng)

在線電子系統(tǒng)主要實現(xiàn)電源供應(yīng)、初始信號處理、A/D轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)存儲等功能。而更多復(fù)雜的分析軟件則在上位機上實現(xiàn)。采集的信號包括安裝在測徑臂上的6個壓力傳感器和集成在PCB板上的一個三軸加速度計，該加速度計可用來判斷泡沫測徑器在管道中的位置。數(shù)據(jù)的下載、后續(xù)處理及電池充電通過一個USB接口與電腦連接。圖3是電子系統(tǒng)的實物圖，每個壓力傳感器都帶一個寬動態(tài)范圍的平衡電橋、加速度計(ADXL330)、一個2G的SD存儲卡、一個用于測量與系統(tǒng)管理的主控單元、一個用于USB通信的控制單元、一個計時器和電池充電電路(兩塊不同的電池分別被用在數(shù)字和模擬電路上，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性)。主控制單元是專門設(shè)計的，在達到最大采樣頻率的同時兼顧低耗能要求。考慮到普通清管器運行時流速在0.2～3 m·s-1，電池充一次電可以連續(xù)運行20 h，檢測里程在20～100 km。

系統(tǒng)有兩種切換模式，一種為正常模式，所有輸入信號的采樣頻率為1 kHz;一種為快速模式，僅一組對稱的測徑臂的采樣頻率為16 kHz，其他的測徑臂不工作。在一個周期內(nèi)，99%的時間在正常模式，1%的時間處于快速模式。這種設(shè)計主要是為了在進行高精度測量時，系統(tǒng)的能耗仍然能達到最低水平。高精度測量的采樣精度達到每10 mm采集1個點，可以滿足一般的管道內(nèi)大型缺陷和粗糙度的檢測。

3 試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

基于上述原理，開發(fā)了兩臺幾何測徑器樣機，在實驗室環(huán)境下評估其功能及可靠性。樣機最后的總裝配體和分開的功能體外觀如圖4所示。

圖4 幾何測徑器樣機外觀

試驗現(xiàn)場如圖5所示，疲勞測試及功能穩(wěn)定性測試在疲勞試驗機上同時進行，疲勞試驗機型號為Bose Electro Force 3200，以步進方式輸出225 N的預(yù)載力。測徑器模型被緊固到試驗機卡盤中，當卡盤上下移動時，測徑器臂被上下壓縮,臂上傳感器輸出相應(yīng)信號。

圖5 試驗現(xiàn)場圖片

疲勞試驗機上下移動范圍為0.04～12 mm，對應(yīng)目標管道表面粗糙度(±20 μm)和管道最大縮徑(±20%管道內(nèi)徑)。為了評估模型在不同工況下的動態(tài)響應(yīng)過程，實際信號頻率在1～187 Hz內(nèi)變化，對應(yīng)每個周期5到1 000個采樣點。下文對在不同條件下測得的數(shù)據(jù)，測徑模型測得的位移信號(藍色線)與疲勞試驗機的位移(綠色線)和力信號(紅色線)進行比較。由于試驗中預(yù)載力一致，為使信號具有可比性，對三種信號的受力進行了線性歸一化處理。

圖6 試驗機位移±6 mm/頻率5 Hz時的試驗結(jié)果

圖7 試驗機位移±1 mm/頻率100 Hz時的試驗結(jié)果

圖6,7為在不同頻率(分別為5，100 Hz)、不同位移范圍(分別為±6 mm及±1 mm)下加載正弦位移時，模型測得的位移變化與時間的關(guān)系。在兩次測試中，測徑器模型測得的結(jié)果與疲勞試驗機加載結(jié)果有很好的一致性。在低頻域，最大信號偏離不超過1%，這個誤差在允許范圍內(nèi)。在高頻域，系統(tǒng)動態(tài)模型仍能在主頻上體現(xiàn)出與疲勞試驗機加載特性的一致性。

圖8 試驗機位移±20 μm/頻率100 Hz時的試驗結(jié)果

模擬管道內(nèi)表面粗糙度對測徑器的影響，得到如圖8所示結(jié)果?？梢姡?00 Hz頻率下，±20 μm位移范圍內(nèi)上下波動，獲取信號(藍線)已經(jīng)非常接近最小可偵測信號，但通過采樣信號均值化處理(綠線)后測得的正弦信號趨勢仍然能很好地體現(xiàn)加載信號的特征。

為了模擬測徑模型的線性度，向測徑臂上加載三角形波動(10 s周期內(nèi)位移的峰峰值為12 mm)，試驗結(jié)果如圖9所示，得到相對穩(wěn)定的斜率特征，表明被測系統(tǒng)具有很好的線性度。

圖9 試驗機位移±6 mm/三角形波/10 s周期時的試驗結(jié)果

最后，為了驗證測徑器的魯棒性，將一個測徑臂固定在疲勞試驗機上，以20 Hz頻率循環(huán)加載峰峰值為±3 mm的位移，進行10個循環(huán)為一個周期的破壞性試驗，連續(xù)加載80 min。圖10是在不同測試階段的數(shù)據(jù)比較。

圖10 試驗機位移±3 mm/頻率20 Hz/80 min時的疲勞試驗結(jié)果(每個部分由虛線隔開)

第一和第四部分對應(yīng)試驗的開始和結(jié)束階段，第二和第三部分對應(yīng)試驗開始的20 min和60 min。測得的位移數(shù)據(jù)沒有漂移和減弱，表明整個系統(tǒng)有良好的均一性和魯棒性。實際上，在整個測試過程中，信號均沒有明顯的波動，驗證了該檢測系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

4 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場測試的管道參數(shù)如下：管道直徑為12 in.；管道長度為8.165 km；介質(zhì)為液態(tài)水；測試工作壓力約為2 kg；平均速度為1.1 m·s-1；運行時長約為2 h。

在相同的操作條件下，連續(xù)兩天在兩個獨立的測試中啟動了兩個結(jié)構(gòu)相同的12 in.泡沫測徑器，以進行機械穩(wěn)定性、測量的重復(fù)性和正確操作的雙重試驗驗證。

在對管道進行初步驗證后，投放一個普通清管器對管道進行初步清潔，然后再投放第一個12 in.泡沫測徑器樣機，圖11所示為在介質(zhì)推進之前第一個樣機發(fā)射的兩個階段。

圖11 智能泡沫檢測器投放前和運行中的圖片

圖12所示為發(fā)射后大約2 h，收取到的測徑器，可見除了泡沫載體和鋼螺母探針外表面上的自然磨損(消耗大約一半的高度)，樣機的所有機械部件都沒有損壞，所有密封單元在測試條件下都工作可靠，電子部分工作正常，最后通過集成在印刷電路板(PCB)上的磁性傳感器關(guān)斷電源。

圖12 收取的智能泡沫檢測器

第二臺樣機在與第一臺樣機在相同的工作環(huán)境下發(fā)射。收取第二臺樣機后，與第一次樣機測試相同，第二臺樣機的所有部件及功能都無損壞。在相同條件下進行的雙重測試結(jié)果，驗證了樣機整體設(shè)計的可靠性。

同一天，管道運營方用一個傳統(tǒng)意義上的機械式智能測徑器(見圖13)對該管道進行了檢測，得到的數(shù)據(jù)與上述兩個泡沫測徑器樣機的數(shù)據(jù)進行了比對，并進行了開挖驗證。挖開后，對管道元素進行統(tǒng)計，結(jié)果與泡沫測徑器測得的數(shù)據(jù)基本一致。

圖13 機械式單通道幾何測徑器

圖14 軟件的檢測數(shù)據(jù)分析示例

5 分析軟件

針對該泡沫測徑器的管道數(shù)據(jù)分析軟件已經(jīng)開發(fā)出來。在管道檢測器運行過程中，獲取的原始數(shù)據(jù)可以存儲在固態(tài)存儲器上并可以通過USB連接下載到上位機上進行分析。軟件能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曲線，以便進一步后處理及缺陷識別。圖14(a)描述的是一個形變數(shù)據(jù)如何在用戶的軟件接口中變?yōu)榭梢暬睦?，圖中每一條軌跡對應(yīng)于泡沫測徑器每個支臂上嵌入的壓力傳感器檢測到的信號。圖14(b)中綠色的線對應(yīng)綠點所指示的支臂，在泡沫測徑器經(jīng)過位于管道入口處的缺陷時，圖中可以清晰顯現(xiàn)出一個明顯的形變量(增大量)。

圖15 軟件窗口界面

通過數(shù)據(jù)分析，軟件也可以檢測到兩段連續(xù)管道連接處的焊縫。另反映泡沫測徑器周向旋轉(zhuǎn)及檢測器垂直與水平方向的擺角的數(shù)據(jù)，獲得的處理信號是由一個嵌入在PCB板上的三軸加速度計檢測到的，這對于定位來說至關(guān)重要。圖15為軟件的完整界面，包含了對應(yīng)于被檢測管道連接處的垂直標記，三軸加速度計信號(圖上方的紅，白，藍軌跡)顯示的是檢測器滾動和傾斜的兩幅視圖，以及支臂瞬時變形的放大顯示。

基于數(shù)據(jù)并通過簡單的數(shù)據(jù)處理，可辨識管道特征,包括：① 水平和垂直曲線；② 閥門，T型接頭，焊縫以及坑陷；③ 障礙和顛簸；④ 裂紋和凹坑；⑤ 橢圓度和縮徑；⑥ 通過系統(tǒng)的加速度計數(shù)據(jù)得出管線走向。

6 數(shù)據(jù)分析與討論

在本節(jié)中，討論現(xiàn)場測試的結(jié)果。兩個原理樣機在兩次測試中獲得數(shù)據(jù)的一致性，證明了測量的可重復(fù)性，并排除了檢測錯誤的可能性。對傳統(tǒng)意義上的機械式測徑器收集的數(shù)據(jù)與文章用樣機的檢測數(shù)據(jù)進行比較，以評估其有效性。表1列出了按類型分組檢測到的元素信息。

表1 機械式測徑器與泡沫測徑器檢測到的元素數(shù)統(tǒng)計 個

由表1可得出，文章所述檢測器檢測到的元素總數(shù)(焊縫除外)是44個，與傳統(tǒng)機械式單通道幾何檢測器識別的27個相比，有著較高的靈敏度。在焊縫識別方面，傳統(tǒng)的機械式測徑器識別焊縫的能力較弱，基本不能識別出管道的焊縫，而泡沫檢測器能夠檢測出管道上所有接頭的焊縫，這些焊縫能夠輔助變形點的定位。最后，通過“快速采集模式”獲取的數(shù)據(jù)，可對內(nèi)部表面的粗糙程度進行分析，從而檢測出管道的部分缺陷。

7 結(jié)論

介紹了一種低成本、低風(fēng)險泡沫測徑器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及其試驗測試。該測徑器通過安裝的特殊壓力傳感器能夠探測管道內(nèi)徑和粗糙度的變化并對其進行定位。其結(jié)構(gòu)簡單，通過能力強，可最大限度地防止操作過程的卡堵；且成本較低，可頻繁使用，易損件容易更換，價格便宜。

在一條8 km長的管道中，對兩次投放原理樣機采得的數(shù)據(jù)采用自主開發(fā)的軟件進行分析，并與傳統(tǒng)意義上的機械式智能檢測器數(shù)據(jù)進行了比對，結(jié)果表明，設(shè)計的檢測器能夠提供更多關(guān)于管道結(jié)構(gòu)的信息，表現(xiàn)出更好的靈敏度和附加功能。

該測徑器的不足之處在于壓力傳感器的通道較少，只能測出管內(nèi)局部粗糙度，不能檢測管道完整的周向粗糙度，也只能檢測潛在的表面腐蝕，且測徑臂的最大變徑量僅為管徑的40%。當然，如果需要增加其檢測能力勢必將增加系統(tǒng)的復(fù)雜度、耗能與成本。

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