基于多向場指紋法的金屬管道裂紋檢測

何曉明，周永杰，劉 潤，甘芳吉

(1.青海師范大學 物理與電子信息工程學院，西寧 810016； 2.四川大學 機械工程學院，成都 610065)

1 研究背景

油氣管道作為使用最廣泛的石油天然氣輸送媒介，普遍面臨著各種缺陷的威脅，包括腐蝕缺陷以及裂紋缺陷等。這些缺陷，如果不加以及時的檢測和預(yù)防，將會引發(fā)嚴重的災(zāi)難事故。場指紋技術(shù)(Field Signature Method，F(xiàn)SM)作為一種非常安全的無損檢測技術(shù)(Non-destructive testing，NDT)，最初被用于監(jiān)測海底管道焊接部位的缺陷，發(fā)展至今，能以較高精度檢測均勻腐蝕、局部腐蝕、坑蝕等缺陷[1-5]。但是FSM的裂紋檢測能力較差，主要體現(xiàn)在兩個方面：第一是裂紋檢測角度單一，第二是裂紋深度檢測精度較差。

本文提出了一種多向場指紋技術(shù)(Multi-direction Field Signature Method，MDFSM)，通過向被測管道施加不同方向的激勵，提升FSM對多角度裂紋的識別能力，其次選取不同方向激勵下最強的一組信號進行裂紋深度求解，可以大幅度提高對裂紋深度檢測的精度。

2 場指紋技術(shù)原理

傳統(tǒng)的場指紋技術(shù)，是一種基于電位降技術(shù)的無損檢測技術(shù)。如圖1所示，按照一定的規(guī)則，在被測管道相應(yīng)的區(qū)域布置測量電極矩陣，在被測管道兩端布置一對電流激勵電極。為了消除激勵電流涌動及背景噪聲的干擾，系統(tǒng)中引入了一個參考板。整個被測管道可以等效成一個電阻鏈網(wǎng)絡(luò)模型，一對測量電極之間的管道金屬可以等效成一個電阻。通過電流激勵電極向被測管道施加恒流激勵電流，當管道發(fā)生腐蝕時，金屬體厚度減小，等效電阻阻值增大，測量電極間的信號幅值會增大，通過測量信號的變化即可判斷管道的腐蝕情況。

圖1 FSM測量原理

FSM在安裝完成之后，將最初測得的電壓值作為原始電壓，安裝時測得的壁厚作為原始壁厚。在FSM運行過程中，測得的電壓與原始電壓作比較，再利用原始壁厚值將電壓的變化值計算轉(zhuǎn)變成壁厚的變化值。每一對測量電壓的變化情況可以用場指紋系數(shù)(Fingerprint Concept，F(xiàn)C)來衡量[6-9]，即

(1)

式中：Vi，j；i+1，j(t0)、Vi，j；i+1，j(tx)分別為電極(i，j)和(i+1，j)在t0和tx時刻的電壓；Vref(t0)、Vref(tx)分別為標準電極對在t0和tx時刻的電壓。

但是裂紋缺陷對FSM測量信號的作用機理，與腐蝕缺陷相比有很大的不同。任意形態(tài)的腐蝕缺陷均能引起FSM被測信號發(fā)生較為明顯的改變，但并非所有裂紋缺陷均能引起測量信號發(fā)生顯著變化，比如當裂紋角度與激勵電流的方向夾角過小，則裂紋缺陷對被測管道電場分布的改變非常小，不足以引起明顯的信號變化。建立如圖2 所示的平板仿真模型，其中T為平板厚度，W為平板寬度，α為裂紋缺陷深度，θ為裂紋與激勵電流的夾角，Iin1為電流輸入電極，Iout1為電流輸出電極，V為測量電壓，d為相鄰電極的間距。在平板兩側(cè)水平方向注入激勵電流，裂紋缺陷的深度范圍為2～6 mm，角度范圍為0°～180°。仿真的信號變化數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 FSM平板仿真模型

表1 不同角度裂紋的FC

選取90°仿真數(shù)據(jù)，利用MatLab擬合裂紋深度求解公式，有

(2)

利用式(2)計算得到的裂紋深度誤差如表2所示。

由表1和表2可以看出，當裂紋與激勵電流夾角呈90°時，信號變化最大，且裂紋深度計算誤差越小。隨著裂紋與激勵電流夾角逐漸減小，測量信號變化逐漸減小，而裂紋深度計算誤差逐漸增大，最大相對誤差達到了79.61%。

表2 裂紋深度計算相對誤差

由表2可知，當裂紋與激勵電流的夾角≤40°時，裂紋深度計算誤差將急劇增大。同時考慮到實際工程應(yīng)用中，周圍環(huán)境噪聲等因素的干擾，0°裂紋所產(chǎn)生的測量信號很有可能無法被儀器系統(tǒng)檢測到，也即是說當裂紋與激勵電流的夾角過小時，將無法被測量系統(tǒng)所識別到。

3 多向場指紋法裂紋求解

為了提升FSM的裂紋檢測精度，本文提出一種多向場指紋法，即MDFSM。如圖3所示，MDFSM將傳統(tǒng)的一組激勵，改為3組不同方向的激勵。

圖3 多向場指紋技術(shù)原理

按照圖3所示的激勵方式，對不同角度的裂紋缺陷，施加不同方向的激勵電流，其測量信號的變化程度有很大的差異。

由表1和表2還可知，裂紋與激勵電流的夾角越小，其信號幅值越小，裂紋深度計算誤差就越大。通過施加不同方向的激勵，能夠保證裂紋與某個方向的激勵電流的夾角>40°，從而保證任意角度裂紋均能被檢測系統(tǒng)識別，同時也能提升裂紋深度的求解精度。本文選取3種激勵下FC最大的一個信號作為最終的求解信號，最大的FC代表了裂紋與激勵電流呈最大夾角，計算了0°～40°裂紋的深度(該夾角為裂紋與水平激勵電流的夾角)，如表3所示。

由表3可知，利用多向場指紋法求解裂紋深度，可以大幅度提升其檢測精度。

表3 多向電位降法裂紋深度計算相對誤差

4 試驗驗證

如圖4所示，試驗選擇了兩塊45#鋼板，分別在鋼板上加工一個裂紋缺陷，缺陷深度分別為2 mm和5 mm，裂紋角度為0°和45°(與鋼板水平方向夾角)。搭建如圖5所示的試驗裝置，激勵電流由信號發(fā)生器AFG2021產(chǎn)生的源信號經(jīng)過功率放大器ATA-304放大后產(chǎn)生。測試信號經(jīng)過放大后由數(shù)據(jù)采集卡EM18B-12采集并發(fā)送給計算機，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

圖4 平板缺陷加工示意圖

圖5 試驗裝置

在鋼板裂紋缺陷的另一側(cè)，焊接3組電流激勵電極，依次向這3組電流激勵電極注入激勵電流。對于2 mm裂紋而言，3組激勵電流與裂紋的夾角分別是0°、45°和135°；對于5 mm裂紋而言，3組激勵電流與裂紋的夾角分別是0°、45°和90°。測得數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 裂紋缺陷多向激勵測量數(shù)據(jù)

分別選取兩個裂紋最大的FC，利用式(2)計算出的裂紋深度分別為1.88 mm和5.12 mm，計算相對誤差分別是6.0%和2.4%。

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)FSM技術(shù)采用單向激勵，導(dǎo)致裂紋缺陷檢測能力低。本文提出了一種MDFSM技術(shù)，將傳統(tǒng)的單向激勵改為多向激勵，可以保證多角度的裂紋缺陷均能被有效檢測到。同時本文還提出了歸一化的求解公式，經(jīng)仿真和試驗驗證，能夠以較高精度求解裂紋深度。