油氣管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)驗(yàn)證

郭曉婷，楊 亮，宋云鵬，諸海博，宋華東，王宇楠，徐春風(fēng)

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110043)

0 引言

各種油氣管道由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和其他各種原因會(huì)產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷，導(dǎo)致其內(nèi)部運(yùn)輸介質(zhì)泄漏事故，對(duì)環(huán)境與安全造成影響。為保證油氣管道的安全運(yùn)行，智能內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是管道安全的有效手段[1-3]。

漏磁檢測(cè)技術(shù)是目前應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的一種油氣管道智能檢測(cè)技術(shù)。檢測(cè)器上裝有強(qiáng)磁鐵用以磁化管壁，并在管壁中產(chǎn)生磁場(chǎng)，安裝在智能檢測(cè)器上的漏磁傳感器可檢測(cè)到管壁內(nèi)的磁場(chǎng)分布及其變化信號(hào)，可檢測(cè)出管道缺陷(如管壁腐蝕、外接金屬物及焊縫等)，漏磁檢測(cè)的精度與傳感器的精度與數(shù)量有關(guān)[4-6]。本文介紹了一種油氣管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)器HB-IM-273，該檢測(cè)器主體由漏磁測(cè)量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電池艙組成。通過(guò)牽拉實(shí)驗(yàn)測(cè)試該檢測(cè)器功能及可靠性，并將管道實(shí)際缺陷與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 油氣管道漏磁內(nèi)檢測(cè)原理

1.1 漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。當(dāng)鐵磁性材料在磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，材料表面或近表面存在的缺陷或組織狀態(tài)變化會(huì)使導(dǎo)磁率發(fā)生變化，即磁阻增大，使磁路中的磁通量發(fā)生相應(yīng)的畸變，除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料內(nèi)部繞過(guò)缺陷以外，還有一部分磁通會(huì)離開(kāi)材料表面，通過(guò)空氣繞過(guò)缺陷后再進(jìn)入材料，從而在材料表面缺陷處形成漏磁場(chǎng)。利用磁敏探頭探查漏磁通的存在，采集漏磁信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析即可確定管道壁的受損情況，因而稱(chēng)為漏磁檢測(cè)。其檢測(cè)的穿透性較強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷有較高的靈敏度與響應(yīng)[7-9]。

圖1 漏磁檢測(cè)原理

圖2 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 油氣管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器

油氣管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由測(cè)量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電源艙組成。勵(lì)磁裝置及三軸高清數(shù)字傳感器探頭安裝在測(cè)量節(jié)，用于磁化管壁與測(cè)量漏磁信號(hào)。數(shù)據(jù)采集艙內(nèi)部裝有控制及采集電路，負(fù)責(zé)控制漏磁探頭的數(shù)據(jù)采集過(guò)程以及測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲(chǔ)，是內(nèi)檢測(cè)的核心。電池艙為內(nèi)檢測(cè)器提供電源，保證內(nèi)檢測(cè)器在管道內(nèi)部運(yùn)行過(guò)程中正常運(yùn)轉(zhuǎn)[10-11]。

1.3 三軸漏磁檢測(cè)原理

管道內(nèi)三軸示意圖如圖3所示。

圖3 管道內(nèi)三軸示意圖

三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器工作原理與傳統(tǒng)單軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器基本相同，其區(qū)別是三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器在一個(gè)傳感器內(nèi)軸向正交布置了3個(gè)霍爾傳感器，分別測(cè)量管道軸向、周向及徑向的磁通量變化情況。因此，這種多維數(shù)據(jù)綜合反應(yīng)了管道內(nèi)部缺陷的尺寸特征，提高了不同類(lèi)型缺陷的探測(cè)能力和缺陷尺寸的測(cè)量精度[12]。

1.4 三軸漏磁信號(hào)

圖4為40 mm×40 mm×0.8 mm矩形缺陷的三軸漏磁信號(hào)二維曲線(xiàn)圖?？梢钥闯?，漏磁場(chǎng)的軸向分量關(guān)于縱軸對(duì)稱(chēng)；徑向分量關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，且在靠近原點(diǎn)兩側(cè)各有一個(gè)大小相等、方向相反的極值。研究表明：軸向、徑向和周向信號(hào)的幅值表示缺陷的深度信息；三軸信號(hào)的跨度表示缺陷的長(zhǎng)度信息；信號(hào)的條帶數(shù)表示缺陷的寬度信息[13-15]。

(a)軸向

(b)徑向

(c) 周向圖4 矩形缺陷的三軸漏磁信號(hào)

2 漏磁內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人設(shè)備

2.1 機(jī)器人整機(jī)

圖5 三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人

273管徑三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人設(shè)備主要由漏磁測(cè)量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電池艙組成，如圖5所示，圖5中1 Gs=10-4T。漏磁測(cè)量節(jié)由24個(gè)漏磁探頭組成，每個(gè)探頭內(nèi)封裝有4組三軸漏磁傳感器。因此，整個(gè)圓周上每個(gè)軸向上有96個(gè)傳感器，平均3.75°分布1個(gè)漏磁傳感器。

2.2 磁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)備磁路系統(tǒng)如圖6所示，由鋼刷、磁鐵、磁軛、探頭、探頭座組成。磁鐵通過(guò)鋼刷導(dǎo)磁，以磁化管壁。探頭通過(guò)探頭座固定于磁軛上。探頭與管壁貼合，可測(cè)量管壁內(nèi)外有無(wú)缺陷情況。

圖6 磁路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 復(fù)合傳感器探頭結(jié)構(gòu)框圖

漏磁復(fù)合傳感器探頭組成結(jié)構(gòu)如圖7所示。三軸漏磁傳感器經(jīng)過(guò)I2C通訊協(xié)議傳輸?shù)紸RM-STM32控制探頭系統(tǒng)。利用PCB打印渦流傳感器線(xiàn)圈，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工纏繞線(xiàn)圈，減少了線(xiàn)圈體積空間，增強(qiáng)了線(xiàn)圈的穩(wěn)定性及不易損性。渦流線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)提供的激勵(lì)，檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)渦流線(xiàn)圈接收電路進(jìn)行接收，通過(guò)SPI協(xié)議傳輸給ARM-STM32控制探頭系統(tǒng)。由控制系統(tǒng)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)?.5 m外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.4 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)

渦流線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)激勵(lì)后，通過(guò)渦流傳感器線(xiàn)圈接收電路對(duì)其信號(hào)進(jìn)行接收，接收電路圖如圖8所示。

線(xiàn)圈的兩端分別接入INA、INB信號(hào)端，電路處理過(guò)程中，由LC振蕩激勵(lì)電路為渦流傳感器線(xiàn)圈提供激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率等參數(shù)，當(dāng)渦流傳感器線(xiàn)圈檢測(cè)到管壁內(nèi)壁缺陷時(shí)，發(fā)生阻抗變化，由電感值測(cè)量電路檢測(cè)到電感值，經(jīng)過(guò)寄存器和邏輯處理器處理后，進(jìn)行閾值比較，轉(zhuǎn)成SPI通訊協(xié)議輸出信號(hào)，從而判斷管壁的缺陷情況。圖9為數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖9 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

由SPI通訊協(xié)議輸出的CSB、SCLK、SDI、SDO信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸線(xiàn)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)采集系統(tǒng)，單片機(jī)主控選擇ARM-STM32系列芯片。其中，CLKIN表示外部時(shí)基時(shí)鐘輸入，CLDO外接一個(gè)15 nF電容從引腳連接到GND，CSB表示可以將多個(gè)通道連接在相同的SPI總線(xiàn)上，SCLK表示SPI通訊協(xié)議時(shí)鐘輸入，SDI表示SPI數(shù)據(jù)輸入連接到SPI主機(jī)的MOSI，SDO表示SPI數(shù)據(jù)輸出連接到SPI主機(jī)的MISO。傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SPI協(xié)議，傳輸?shù)紸RM-STM32控制探頭系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含高精度時(shí)鐘模塊、穩(wěn)壓電源模塊、存儲(chǔ)模塊、總線(xiàn)協(xié)議模塊、FATFS文件管理模塊對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，并通過(guò)顯示模塊顯示當(dāng)前輸出信號(hào)。

3 漏磁內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)牽拉實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)備可靠性與功能完整性，進(jìn)行設(shè)備投產(chǎn)前牽拉實(shí)驗(yàn)。該設(shè)備牽拉前后狀態(tài)如圖10所示。在不同速率下(0.5～3 m/s)，共在管道內(nèi)牽拉12次，總運(yùn)行里程約1 km。實(shí)驗(yàn)完成后，該設(shè)備整體結(jié)構(gòu)完好。

(a)牽拉實(shí)驗(yàn)前

(b)牽拉實(shí)驗(yàn)后圖10 現(xiàn)場(chǎng)牽拉實(shí)驗(yàn)前后檢測(cè)器狀態(tài)圖

3.2 采集數(shù)據(jù)分析

圖11～圖13分別為管道焊縫、外加金屬及金屬缺失實(shí)物圖及檢測(cè)器采集到的三軸漏磁信號(hào)曲線(xiàn)。由

(a)管道焊縫實(shí)物圖

(b)周向管道焊縫

(c)軸向管道焊縫

(d)徑向管道焊縫圖11 管道焊縫與三軸數(shù)據(jù)分量圖

圖中可以看出，檢測(cè)器對(duì)管道焊縫、外加金屬及金屬缺失檢出效果明顯。焊縫與金屬增加曲線(xiàn)信號(hào)變化方向相同，而與金屬缺失信號(hào)曲線(xiàn)方向相反。根據(jù)曲線(xiàn)變化情況可分辨缺陷類(lèi)型。

(a)管道外加金屬實(shí)物圖

(b)周向信號(hào)管道外加金屬

(c)軸向信號(hào)管道外加金屬

(a)管道金屬缺失實(shí)物圖

(b)周向信號(hào)金屬缺失

(c)軸向信號(hào)金屬缺失

(d)徑向信號(hào)金屬缺失圖13 管道金屬缺失與三軸數(shù)據(jù)分量圖

4 結(jié)論

本文研發(fā)的油氣管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)器HB-IM-273，主體由漏磁測(cè)量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電池艙組成。通過(guò)牽拉實(shí)驗(yàn)測(cè)試該檢測(cè)器功能及可靠性，并將管道實(shí)際缺陷與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比分析,得到以下結(jié)論： 經(jīng)過(guò)不同速度條件下(0.5～3m/s)牽拉實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，設(shè)備整體可靠性較好； 三軸傳感器能夠明確分辨出各種類(lèi)型管道缺陷，包括焊縫、外加金屬、金屬缺失等。