管道內(nèi)壁缺陷電磁成像教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

袁新安， 張廣泰， 李 偉， 尚亞期， 趙建超

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300450)

0 引 言

管道作為高效、經(jīng)濟(jì)、可靠的介質(zhì)輸送方式，在石油化工領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。管道經(jīng)常輸送原油、化工、污水等腐蝕性介質(zhì)，在管道內(nèi)外壓力及溫度變化過(guò)程中，管道內(nèi)壁可產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋等缺陷，威脅管道的安全運(yùn)營(yíng)。目前，我國(guó)在役油氣輸送管道里程約15萬(wàn)km，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到24萬(wàn)km。管道建設(shè)及運(yùn)維在未來(lái)5年將高速發(fā)展，開(kāi)展管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)的研究及教學(xué)十分必要和緊迫[1-3]。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常采用管道豬等載具對(duì)管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)，但管道豬通常體積較大，具備多個(gè)信號(hào)處理關(guān)節(jié)，不具備實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和測(cè)試條件，同時(shí)管道豬信號(hào)采用存儲(chǔ)方式，不能實(shí)時(shí)展示缺陷信號(hào)，需后處理識(shí)別和定位缺陷，影響實(shí)驗(yàn)室條件下教學(xué)和測(cè)試效果。

針對(duì)以上問(wèn)題，基于均勻渦電流效應(yīng)提出一種能夠直觀呈現(xiàn)管道內(nèi)壁缺陷的電磁成像檢測(cè)方法，研制高精度磁場(chǎng)成像傳感器陣列，開(kāi)發(fā)電磁成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁缺陷直觀成像顯示，提升實(shí)驗(yàn)室條件下管道內(nèi)壁缺陷實(shí)驗(yàn)及教學(xué)效果[4-5]。

1 均勻渦電流檢測(cè)原理

均勻渦電流檢測(cè)技術(shù)原理如圖1所示，管道內(nèi)部均勻放置同軸激勵(lì)線圈，線圈內(nèi)加載正弦激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)線圈內(nèi)部與外部呈現(xiàn)磁力線回路。激勵(lì)線圈外部的軸向磁場(chǎng)在管道內(nèi)壁感應(yīng)出均勻周向渦電流，周向均勻渦電流垂直繞過(guò)管道內(nèi)壁缺陷并發(fā)生聚集和偏轉(zhuǎn)，在缺陷中心區(qū)域渦電流密度變得稀疏。均勻渦電流擾動(dòng)引起空間磁場(chǎng)畸變，通過(guò)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量畸變磁場(chǎng)可對(duì)裂紋檢測(cè)和評(píng)估[6]。

圖1 均勻渦電流檢測(cè)技術(shù)原理

由于電磁屏蔽效應(yīng)存在，激勵(lì)線圈內(nèi)部與外部形成的磁場(chǎng)回路大部分聚集在管道內(nèi)，磁力線沿著管道內(nèi)壁分布。設(shè)管道內(nèi)徑為r，激勵(lì)線圈內(nèi)徑為r0，位于管道中的激勵(lì)線圈在線圈內(nèi)部產(chǎn)生的磁通密度為Bin，則線圈內(nèi)部的磁通

(1)

激勵(lì)線圈與管道內(nèi)壁間隙的磁通密度Bout可近似表示為：

(2)

由式(2)可知，當(dāng)管道內(nèi)徑與激勵(lì)線圈直徑接近時(shí)，Bout將顯著增大。也即，當(dāng)激勵(lì)線圈與管道內(nèi)徑之間間隙越小，線圈外部的磁通密度越大。為了盡可能減少激勵(lì)線圈與管道內(nèi)徑之間距離，增強(qiáng)電流的激勵(lì)效果，可將磁場(chǎng)傳感器陣列放置在激勵(lì)線圈內(nèi)側(cè)，便于獲取缺陷周?chē)兇艌?chǎng)信息。

2 電磁成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電磁成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)壁缺陷電磁成像檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

主要包括檢測(cè)部分和運(yùn)動(dòng)臺(tái)架兩部分，檢測(cè)部分包括信號(hào)處理箱和探頭，探頭骨架上纏繞激勵(lì)線圈，傳感器布置在激勵(lì)線圈內(nèi)側(cè)，信號(hào)處理箱內(nèi)設(shè)有信號(hào)發(fā)生模塊、功率放大模塊、放大濾波模塊及信號(hào)采集模塊，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)加載至探頭上的激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈在管道內(nèi)壁感應(yīng)出均勻渦電流，當(dāng)遇到缺陷時(shí)均勻渦電流產(chǎn)生擾動(dòng)，引起空間磁場(chǎng)畸變。安裝在探頭激勵(lì)線圈內(nèi)側(cè)的傳感器測(cè)量畸變磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理箱內(nèi)的放大濾波模塊后傳輸至信號(hào)采集模塊。信號(hào)采集模塊將畸變磁場(chǎng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸至計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的處理和成像顯示[7-9]。

2.2 運(yùn)動(dòng)臺(tái)架設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，電動(dòng)機(jī)B通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)水平移動(dòng)，安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的電動(dòng)機(jī)A可帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，電磁成像檢測(cè)探頭安裝在運(yùn)動(dòng)臺(tái)架主軸的端部。通過(guò)PLC控制電動(dòng)機(jī)A和電動(dòng)機(jī)B轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探頭在管道內(nèi)部的伸縮和旋轉(zhuǎn)，獲取管道內(nèi)壁不同位置缺陷周?chē)兇艌?chǎng)。

圖3 運(yùn)動(dòng)臺(tái)架設(shè)計(jì)

2.3 檢測(cè)探頭開(kāi)發(fā)

檢測(cè)探頭主要包括激勵(lì)線圈、探頭骨架和隧道磁阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)磁場(chǎng)傳感器陣列，如圖4所示。探頭骨架采用PVC塑料加工而成，激勵(lì)線圈均勻纏繞在PVC外側(cè)的槽內(nèi)，5組TMR磁場(chǎng)傳感器排列在探頭內(nèi)側(cè)，每組間隔20°，形成覆蓋周向100°范圍的檢測(cè)區(qū)域。每組TMR磁場(chǎng)傳感器包括兩個(gè)靈敏軸，可測(cè)量管道軸向磁場(chǎng)(Bx)和徑向磁場(chǎng)(Bz)。利用5組TMR磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的軸向和徑向畸變磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可直接呈現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)畸變磁場(chǎng)圖像。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)架電動(dòng)機(jī)A、B，帶動(dòng)探頭在管道內(nèi)部旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁缺陷全覆蓋成像顯示[10]。

(a) 探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.4 關(guān)鍵硬件模塊開(kāi)發(fā)與選型

儀器搭配的電磁成像檢測(cè)探頭需要加載正弦激勵(lì)信號(hào)，本文采用直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術(shù)開(kāi)發(fā)信號(hào)發(fā)生模塊。為了滿(mǎn)足激勵(lì)線圈功率要求，對(duì)信號(hào)發(fā)生模塊功率放大，電路原理圖如圖5(a)所示。圖5(a)中左側(cè)為AD9833信號(hào)發(fā)生器電路圖，選用AD9833作為DDS信號(hào)發(fā)生芯片，搭載了一個(gè)25 MHz的有源晶振，輸出為Uout，由于AD9833是用SPI通信來(lái)控制其輸出波形種類(lèi)和頻率，所以引出接100 Ω的3根SPI通信線，外接數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模擬SPI通信即可控制AD9833產(chǎn)生特定信號(hào)[11-12]。

AD9833信號(hào)發(fā)生器輸出為電壓信號(hào)，幅值約600 mV，達(dá)不到直接驅(qū)動(dòng)均勻纏繞線圈的磁芯產(chǎn)生交流電磁場(chǎng)，所以需要增加功率放大電路。選擇TDA2030A功放電路。圖5(a)中右側(cè)部分為功率放大電路部分，其中輸入為DDS信號(hào)發(fā)生器的輸出Uout，輸出為Pout。由于TDA2030A功率可達(dá)18 W，而為了儀器低功耗要求，需要設(shè)計(jì)可調(diào)電路來(lái)完成調(diào)整功率?？烧{(diào)設(shè)計(jì)分為兩部分，第1部分為RP1部分，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入的電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)功率，第2部分為RP2部分，TDA2030A放大倍數(shù)≈RP2/R5，所以調(diào)整RP2即可調(diào)整功率放大的放大倍數(shù)，最終輸出頻率為2 kHz，幅值為10 V，功率可調(diào)的正弦激勵(lì)信號(hào)[13]。

(a) 信號(hào)發(fā)生及功率放大電路>

探頭內(nèi)部TMR磁場(chǎng)傳感器將測(cè)量的微弱畸變磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，需要對(duì)信號(hào)放大濾波，電路原理圖如圖5(b)所示。濾波器主要由高通濾波和二級(jí)有源低通濾波器，通過(guò)調(diào)整電阻和電容調(diào)整濾波器截止頻率，形成帶通濾波器，低通截止頻率為10 kHz，高通截止頻率為800 Hz。放大模塊由等比例放大器組成，調(diào)整電阻使放大倍數(shù)為4倍[14]。

信號(hào)采集模塊選用NI USB6361采集卡，采樣率可達(dá)到1.00 MS/s，具備16路差分信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)到16 bit,滿(mǎn)足電磁成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求。

3 電磁成像軟件開(kāi)發(fā)

3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)架

管道內(nèi)壁缺陷電磁成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件整體構(gòu)架如圖6所示，核心程序采用LabVIEW開(kāi)發(fā)，主要包括信號(hào)采集，信號(hào)處理，結(jié)果顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)4個(gè)模塊。信號(hào)采集模塊主要用于配置采集通道，設(shè)置采集參數(shù)以及采集信號(hào)的調(diào)試。信號(hào)處理模塊主要包括數(shù)字增益濾波，求均方根和歸一化處理3部分。增益濾波提高檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)的信噪比，求均方根將正弦響應(yīng)信號(hào)變?yōu)橛行е敌盘?hào)，歸一化處理消除不同傳感器之間的差異，將初始值信號(hào)歸一化至0基值。經(jīng)過(guò)軟件處理的特征信號(hào)數(shù)據(jù)顯示在計(jì)算機(jī)上，并將原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)[15-16]。

圖6 軟件系統(tǒng)構(gòu)架

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

為了方便教學(xué)演示和人機(jī)交互，軟件界面設(shè)置開(kāi)始、停止、刷新、存儲(chǔ)、閾值設(shè)定等功能鍵，軟件界面如圖7所示。軟件界面顯示部分主要包括特征信號(hào)和磁場(chǎng)圖像，特征信號(hào)包括5組軸向磁場(chǎng)信號(hào)和5組徑向磁場(chǎng)信號(hào)，磁場(chǎng)圖像分別為不同通道傳感器獲取的信號(hào)插值形成的軸向磁場(chǎng)圖像Bx和徑向磁場(chǎng)圖像Bz。通過(guò)特征信號(hào)和磁場(chǎng)圖像可直觀顯示管道內(nèi)壁畸變磁場(chǎng)位置，便于缺陷的判定和評(píng)估[17]。

圖7 電磁成像軟件界面

4 管道內(nèi)壁缺陷電磁成像測(cè)試

4.1 測(cè)試系統(tǒng)

管道內(nèi)壁缺陷電磁成像測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示，主要包括信號(hào)處理箱、計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)臺(tái)架、PLC控制器。檢測(cè)探頭安裝在運(yùn)動(dòng)臺(tái)架主軸端部，管道固定在滾輪固定座上，運(yùn)動(dòng)臺(tái)架安裝在液壓平衡支架上，保持運(yùn)動(dòng)臺(tái)架主軸與管道內(nèi)徑同軸。PLC控制器控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)架的主軸伸縮和旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)檢測(cè)探頭全方位完成管道內(nèi)壁缺陷成像測(cè)試。

圖8 管道內(nèi)壁缺陷電磁成像測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物

4.2 缺陷試塊

管道缺陷試塊選用鋁管，鋁管外徑為65 mm，內(nèi)徑為47 mm。鋁管內(nèi)壁設(shè)有4個(gè)裂紋，1#裂紋長(zhǎng)30 mm、深2 mm，2#裂紋長(zhǎng)30 mm、深4 mm，3#裂紋長(zhǎng)30 mm、深4 mm，4#裂紋長(zhǎng)40 mm、深4 mm，上述裂紋的寬度均為0.5 mm，管道內(nèi)壁裂紋尺寸和圖片如圖9所示[18]。

(a) 缺陷圖紙>

4.3 測(cè)試結(jié)果

利用PLC控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)架的B電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)以40 mm/s速度勻速前進(jìn)，運(yùn)動(dòng)臺(tái)架主軸伸進(jìn)管道內(nèi)部，檢測(cè)探頭測(cè)量管道1#和2#裂紋周?chē)兇艌?chǎng)圖像，如圖10(a)所示。在非缺陷區(qū)域由于管道內(nèi)壁感應(yīng)渦電流為均勻狀態(tài)，軸向磁場(chǎng)Bx和徑向磁場(chǎng)Bz呈現(xiàn)特定均勻數(shù)值。當(dāng)遇到裂紋時(shí)，均勻渦電流產(chǎn)生擾動(dòng)，軸向磁場(chǎng)Bx發(fā)生畸變，呈現(xiàn)極大峰值，徑向磁場(chǎng)Bz出現(xiàn)正負(fù)峰值，直觀顯示兩個(gè)裂紋缺陷的存在。同時(shí)，由于2#裂紋比1#裂紋缺陷更深，2#裂紋周?chē)兇艌?chǎng)幅值比1#裂紋更大。由此說(shuō)明，電磁成像檢測(cè)系統(tǒng)不僅能直觀判定缺陷的存在，通過(guò)幅值可反映缺陷深度大小。

(a) 不同深度裂紋成像>

完成1#和2#裂紋測(cè)試成像任務(wù)后，利用PLC控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)架的A電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使主軸旋轉(zhuǎn)180°，繼續(xù)控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)架的B電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使探頭繼續(xù)勻速前進(jìn)，測(cè)量3#和4#裂紋周?chē)兇艌?chǎng)，如圖10(b)所示。磁場(chǎng)圖像可明顯看出兩個(gè)缺陷的存在，兩個(gè)裂紋深度相同，軸向磁場(chǎng)Bx和徑向磁場(chǎng)Bz畸變幅值基本相同。由于4#裂紋比3#裂紋更長(zhǎng)，4#裂紋附近軸向磁場(chǎng)Bx和徑向磁場(chǎng)Bz在管道軸向方向覆蓋范圍更大。由此說(shuō)明，電磁成像系統(tǒng)畸變磁場(chǎng)在軸向的影響范圍可反映裂紋長(zhǎng)度。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以均勻渦電流檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，研制電磁成像信號(hào)激勵(lì)與處理硬件關(guān)鍵模塊及掃描平臺(tái)，開(kāi)發(fā)管道內(nèi)壁缺陷電磁成像軟件，形成一套完整的管道內(nèi)壁缺陷電磁成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主要得到如下結(jié)論：

(1) 研發(fā)的管道內(nèi)壁缺陷電磁成像系統(tǒng)可呈現(xiàn)缺陷周?chē)兇艌?chǎng)圖像，可直觀顯示缺陷的存在，促進(jìn)學(xué)生理解管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)原理和過(guò)程，豐富了傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)的教學(xué)內(nèi)容，提升管道內(nèi)缺陷無(wú)損檢測(cè)課程教學(xué)效果。

(2) 管道內(nèi)壁缺陷電磁成像系統(tǒng)檢測(cè)的畸變磁場(chǎng)幅值反映缺陷深度，畸變磁場(chǎng)在軸向覆蓋范圍反映缺陷長(zhǎng)度，為管道內(nèi)壁缺陷量化、評(píng)估教學(xué)和科研提供可行性，具備由實(shí)驗(yàn)室向現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用的價(jià)值。

(3) 研發(fā)的管道內(nèi)壁缺陷電磁成像系統(tǒng)融合機(jī)電、信息、傳感器、圖像、數(shù)字信號(hào)處理等多學(xué)科知識(shí)，增加了學(xué)科交叉的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助學(xué)生更好理解課程，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。