基于應(yīng)力波反演的石油輸送管道內(nèi)部焊縫檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)

肖敏 張曉民 孫穎

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)輸管道焊縫的自動(dòng)檢測(cè)，從不同環(huán)節(jié)對(duì)焊接產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行防范與及時(shí)補(bǔ)救。本文研究得出基于應(yīng)力波反演的石油輸送管道內(nèi)部焊縫檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。首先，將應(yīng)力波分為軸對(duì)稱(chēng)與非軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)，分析其傳播規(guī)律，將連續(xù)性和協(xié)調(diào)性作為傳播條件;其次，探究應(yīng)力波在焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用原理，通過(guò)頻譜分析法確定管道存在的缺陷;最后，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為硬件與軟件兩部分，硬件組成包括爬行器、驅(qū)動(dòng)電源與控制卡等結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)時(shí)性要求選取關(guān)鍵元器件，并從系統(tǒng)初始化、掃查設(shè)置以及插補(bǔ)運(yùn)算方面完成軟件模塊設(shè)置。仿真結(jié)果表明，此系統(tǒng)功能強(qiáng)大，靈敏度高，檢測(cè)誤差尺寸較小，可以有效實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部焊縫的自動(dòng)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力波反演;石油輸送管道;內(nèi)部焊縫檢測(cè);自動(dòng)控制系統(tǒng);頻譜分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP346

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）12-0113-05

0 引言

管道作為五大運(yùn)輸方法之一，是一種高效、便捷、安全的能源輸送方式，在石油化工與天然氣等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而管道在傳輸過(guò)程中，受到老化、腐朽與外力破壞等因素影響，容易產(chǎn)生泄漏事故，在造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)還破壞了自然環(huán)境。我國(guó)每年對(duì)油汽管道的維修支出較大，并且呈現(xiàn)逐步增加趨勢(shì)。因?yàn)闄z測(cè)手段的有限性，管道損傷情況不確定，通常導(dǎo)致盲目開(kāi)挖，浪費(fèi)大量人力、物力。管道內(nèi)部的焊接結(jié)構(gòu)受到不同因素的影響，具有不同類(lèi)型的缺陷。因此，應(yīng)該對(duì)石油輸送管道進(jìn)行定期檢測(cè)，設(shè)計(jì)相應(yīng)檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，采取對(duì)應(yīng)措施，保證石油安全傳輸。

針對(duì)焊縫檢測(cè)問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者提出如下方法。文獻(xiàn)[1]提出基于雙頻數(shù)據(jù)融合的焊接缺陷檢測(cè)。將矩形激勵(lì)線圈與GMR器件結(jié)合，對(duì)檢測(cè)探頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，并分析該探頭的磁感強(qiáng)度分布情況，選取混頻激勵(lì)方式，將兩個(gè)頻率檢測(cè)到的數(shù)據(jù)融合處理;以FPGA作為核心，根據(jù)X-Y控制平臺(tái)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，該方法可以成功檢測(cè)到缺陷部位。文獻(xiàn)[2]將視覺(jué)傳感技術(shù)應(yīng)用在焊縫的寬度特征提出中。焊縫寬度能夠表現(xiàn)出焊接穩(wěn)定性，因此，紅外熱成像方法可用來(lái)評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量。通過(guò)跟蹤系統(tǒng)分析焊縫寬度變化情況，并利用近紅外高速傳感相機(jī)收集目標(biāo)圖像，根據(jù)形態(tài)學(xué)圖像算法對(duì)圖像進(jìn)行處理同時(shí)檢測(cè)焊縫寬度。實(shí)驗(yàn)證明該方法可以反映焊接過(guò)程的狀態(tài)變化，能實(shí)現(xiàn)焊縫的跟蹤分析。

隨著自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的日益增多，上述兩種檢測(cè)方式逐漸顯現(xiàn)出設(shè)備投資大、維護(hù)費(fèi)用較高的不足?；诖?，本文利用應(yīng)力波[3]反演方法設(shè)計(jì)一種石油輸送管道內(nèi)部焊縫檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。應(yīng)力波屬于應(yīng)力通過(guò)一種特定的速度從介質(zhì)一端向另一端傳遞的可鑒別信號(hào)，其在傳播過(guò)程中，若遇到孔洞與裂紋界面，會(huì)產(chǎn)生反射、折射與散射現(xiàn)象。因此應(yīng)力波信號(hào)對(duì)焊縫缺陷具有較高靈敏性。首先對(duì)其不同模態(tài)與傳播規(guī)律進(jìn)行分析;其次根據(jù)檢測(cè)原理設(shè)置系統(tǒng)的軟件硬件模塊;最后仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法提高缺陷定位的精準(zhǔn)度，降低維護(hù)費(fèi)用，推動(dòng)焊縫檢測(cè)自動(dòng)化進(jìn)程。

1 應(yīng)力波反演的傳播規(guī)律與檢測(cè)原理

1.1 應(yīng)力波的模態(tài)性

本文將應(yīng)力波分為軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)L（0，m）（m=1，2，3…）與非軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)F=（n，m）（n，m=1，2，3）。m在不同模態(tài)中屬于計(jì)數(shù)變量，可以體現(xiàn)出管壁的振動(dòng)形態(tài)[4]。

導(dǎo)波在石油輸送管道中的頻散表達(dá)式為：

式中， C1與C2分別代表縱向與扭轉(zhuǎn)模態(tài)的函數(shù)矩陣，在縱向模態(tài)中位移偏振矢量缺少分量，而扭轉(zhuǎn)模態(tài)中只存在位移分量，因此分別計(jì)算C1=0與C2=0的解，即可獲得不同模態(tài)對(duì)應(yīng)的材質(zhì)與內(nèi)徑頻散曲線[5]。應(yīng)力波在傳播過(guò)程中，頻散是導(dǎo)致導(dǎo)波衰減的關(guān)鍵因素。

2）非軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)：在非軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)F（n，m）（n，m=1，2，3）中，如果n=0，管道中的質(zhì)點(diǎn)會(huì)與管壁厚度產(chǎn)生垂直現(xiàn)象，這時(shí)質(zhì)點(diǎn)屬于軸對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)，即L（0，m）模態(tài)導(dǎo)波;如果n=1，2，…時(shí)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)屬于非軸對(duì)稱(chēng)的彎曲模態(tài)，也就是F模態(tài)。

1.2 傳播規(guī)律分析

應(yīng)力波在輸油管道傳播時(shí)，通過(guò)波阻抗Z1與Z2 Z1≠Z2的分界面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，此波稱(chēng)為反射波。假設(shè)分界面的坐標(biāo)為x=0，則應(yīng)力入射波起伏函數(shù)表示為：

1.3 應(yīng)力波反演檢測(cè)原理探究

應(yīng)力波反演的基本檢測(cè)原理是在輸油管道一側(cè)通過(guò)激勵(lì)產(chǎn)生應(yīng)力波，同側(cè)接受反射波，經(jīng)過(guò)對(duì)回波時(shí)間差的檢測(cè)，反演確定管道焊縫存在的缺陷。

應(yīng)力波的產(chǎn)生和傳播會(huì)受到頻率、激勵(lì)角度與輸油管道壁厚度等因素制約。在檢測(cè)過(guò)程中，通常使用縱波入射法對(duì)導(dǎo)波進(jìn)行激勵(lì)[7]。本文的應(yīng)力波反演方法是在反射波回波原理基礎(chǔ)上提出的，通過(guò)導(dǎo)波技術(shù)定位與識(shí)別焊縫的損傷部位。檢測(cè)方法如下圖所示，在利用同側(cè)激勵(lì)同側(cè)接收方法時(shí)，傳感器收到的直達(dá)波時(shí)間為t1，反射回波時(shí)間表示為t2，△t為產(chǎn)生的時(shí)間差，因此，缺陷距離和傳感器距離x的計(jì)算公式為：

x=v.△At/2

（17）

從上述公式可得出，焊縫損傷定位和應(yīng)力波的傳播速度相關(guān)，在應(yīng)力波速度固定時(shí)，能夠通過(guò)檢測(cè)得到回波時(shí)間差。

結(jié)合應(yīng)力波原理，因?yàn)槭洼斔凸艿浪貌牧系牟ㄗ杩垢哂诳諝獾牟ㄗ杩?，所以Z1》Z2，反射系數(shù)β→1，在焊縫損傷處，應(yīng)力波可以全部反射，該過(guò)程中能量損耗忽略不計(jì)。

通過(guò)上述分析可以得出：應(yīng)力波到達(dá)時(shí)間與焊縫缺陷大小無(wú)關(guān)，與缺陷位置有關(guān);損傷程度則與裂紋面積以及軸向?qū)挾认嚓P(guān)。通過(guò)反射系數(shù)、裂紋周向長(zhǎng)度、面積即可計(jì)算出損傷程度。

2 焊縫檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊縫檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括爬行器、驅(qū)動(dòng)器、采集卡等。軟件部分則由實(shí)時(shí)操控、數(shù)據(jù)采集和處理模塊構(gòu)成。

檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理可描述為：首先，確定探傷條件，規(guī)劃最佳掃描方法與路徑;其次，對(duì)檢測(cè)程序進(jìn)行編輯;最后將插補(bǔ)輸出脈沖當(dāng)做觸發(fā)信號(hào)，將脈沖傳輸?shù)脚c控制電路對(duì)應(yīng)的端口，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，檢測(cè)裝置將會(huì)帶動(dòng)探頭對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。與此同時(shí)，采集回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)量化后，通過(guò)編制好的判傷軟件對(duì)缺陷做自動(dòng)識(shí)別與判斷，并保存相關(guān)數(shù)據(jù)，以圖像形式對(duì)其顯示。在檢測(cè)完成后，自動(dòng)形成檢測(cè)報(bào)告。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 爬行器

結(jié)合對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的要求與石油輸送管道檢測(cè)現(xiàn)狀，對(duì)爬行器進(jìn)行設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)原則需要滿足裝卸快捷且存在很好的適應(yīng)性。

2.1.2 控制卡

利用控制卡可實(shí)現(xiàn)對(duì)爬行器的控制，通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)的表面數(shù)據(jù)與檢測(cè)條件，根據(jù)固定的掃描方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)目標(biāo)掃描。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器的好壞，一定程度上決定系統(tǒng)性能，它可以確保系統(tǒng)的高效率，低能耗平穩(wěn)運(yùn)行。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不僅體現(xiàn)在邏輯與獲得的結(jié)果上，還在于計(jì)算結(jié)果所需的時(shí)間，若不符合限定時(shí)間，則說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)崩潰[9]?！皩?shí)時(shí)”并不僅僅是速度快，通常代表能夠接受的延時(shí)之內(nèi)。應(yīng)立波反演檢測(cè)系統(tǒng)要求在條件允許與確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，最大程度提高掃描速度，減少檢測(cè)時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)性要求較高。

為滿足實(shí)時(shí)性要求，選擇重要部分所需元件：脈沖電路由兩個(gè)計(jì)數(shù)器芯片8253為核心構(gòu)成，任意一組計(jì)數(shù)器內(nèi)部設(shè)置6種不同工作方式;步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有的脈沖選用CMOS集成電路，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

綜上所述，在硬件選取過(guò)程中應(yīng)該注意系統(tǒng)總操作時(shí)序，盡量減少元件使用，不但能縮小系統(tǒng)體積，還能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高處理效率，確保正確時(shí)序關(guān)系。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

軟件的主要作用是操控步進(jìn)電機(jī)，以此帶動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)裝置完成焊縫檢測(cè)，且對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行路線與方位進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

在編程過(guò)程中，首先設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，對(duì)于不同的檢測(cè)目標(biāo)與掃描路徑，利用插補(bǔ)軟件對(duì)其做粗插補(bǔ)，所有插補(bǔ)段通過(guò)軟件時(shí)鐘控制達(dá)到精插補(bǔ)的目的。

1）系統(tǒng)初始化模塊：在每次檢測(cè)之前，需要對(duì)控制卡的計(jì)數(shù)器做初始化處理，設(shè)置所有計(jì)數(shù)器的工作方式，對(duì)其賦值并禁止計(jì)數(shù)。

2）掃描設(shè)置模塊：設(shè)置掃描初始條件，例如速度、初始位置點(diǎn)、范圍與路徑等。

3）插補(bǔ)計(jì)算模塊：插補(bǔ)計(jì)算種類(lèi)較多，為方便實(shí)時(shí)控制，本文選取數(shù)字積分法對(duì)掃描路徑進(jìn)行插補(bǔ)。其基本思想是通過(guò)微小增量累計(jì)求和，達(dá)到對(duì)直線或曲線插補(bǔ)的目的，具有計(jì)算效率高、脈沖分配均勻等目的。

通過(guò)對(duì)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的焊縫檢測(cè)，該系統(tǒng)界面友好，性能強(qiáng)大。

3 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與研究

為驗(yàn)證本系統(tǒng)性能，仿真實(shí)驗(yàn)利用傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試方法，通過(guò)加速度傳感器對(duì)輸油管道內(nèi)某處焊縫的振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量，獲得應(yīng)力波信號(hào)。選取加速度傳感器當(dāng)作元件的原因是它的靈敏度較高、響應(yīng)程度好、受外界環(huán)境干擾差，可在不同環(huán)境下操作。

本次實(shí)驗(yàn)裝置為：無(wú)縫鋼管長(zhǎng)度為5m，管內(nèi)直徑是50mm，外徑為70mm，彈性模量表示為E= 206GPa ， 松柏比是V= 0.35 ， 密度約P= 78000kg/m3。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集箱與工控機(jī)各一臺(tái)。

為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可比性，進(jìn)一步體現(xiàn)本系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，將文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將檢測(cè)靈敏度[10]、尺寸檢測(cè)誤差、檢測(cè)效率、覆蓋率與可靠性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，選取靈敏度與可靠性?xún)蓚€(gè)具有代表性的對(duì)比結(jié)果進(jìn)行展示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示：

從上述圖3、圖4可知，本文系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加而提高，明顯高于其它對(duì)比方法;在可靠性方面3種方法均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是本文系統(tǒng)始終保持在80%以上，下將程度不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

為改善傳統(tǒng)焊縫檢測(cè)技術(shù)精準(zhǔn)度低、實(shí)時(shí)性差的缺陷，文章利用應(yīng)力波反演技術(shù)對(duì)石油輸送管道內(nèi)部焊縫檢測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。分析應(yīng)力波的模態(tài)類(lèi)型、傳播規(guī)律以及傳播條件，探究檢測(cè)原理，描述對(duì)管道內(nèi)焊縫缺陷部位的檢測(cè)方法，并完成系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件模塊設(shè)置。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)檢測(cè)人員技術(shù)要求較低、檢測(cè)精準(zhǔn)度高，提高檢測(cè)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比，符合對(duì)焊縫檢測(cè)設(shè)備的要求。

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