一種針對含保溫層管道壁厚的檢測系統(tǒng)及方法

丘學(xué)東， 富 銳， 管 鑫， 王 喆

（1.中國石油化工股份有限公司廣州石化公司， 廣東 廣州 510000； 2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

管道大量應(yīng)用于石油化工行業(yè)的輸送過程中， 為減少高溫介質(zhì)能量損失、隔離管道與外界外界環(huán)境，在管道外側(cè)加一層保溫層， 在保溫層外側(cè)加一層一定厚度的金屬保護(hù)層，可以避免保溫層與外界直接接觸[1]。 但惡劣的工作環(huán)境、包覆層安裝操作不恰當(dāng)或自然條件等因素，會(huì)導(dǎo)致金屬保護(hù)層受損， 保溫層材料極易吸水的特點(diǎn)會(huì)加劇雨水等自然介質(zhì)對管道外壁的侵蝕。 當(dāng)腐蝕嚴(yán)重到一定程度，管道內(nèi)運(yùn)輸?shù)囊兹家妆镔|(zhì)將發(fā)生泄漏，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染、人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。

因此，對保溫層下腐蝕進(jìn)行有效的監(jiān)測、防護(hù)并進(jìn)行全壽命周期的完整性管理是確保管道設(shè)施服役壽命延長的重要措施。

但是對帶包覆層管道的無損檢測， 往往需要先去掉管道外的包覆層，然后采用常規(guī)無損檢測方法進(jìn)行檢測，最后再重新包裹上外覆蓋層。 對包覆層的處理工作不僅大大延長了檢測時(shí)間，而且增加了檢測成本，尤其是對在役運(yùn)行的壓力管道，必須先停止運(yùn)行再進(jìn)行檢測，對企業(yè)的損失更大。 因此，研究對管道的內(nèi)壁腐蝕狀況進(jìn)行不拆除外覆蓋層的無損檢測技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。

北京航空航天大學(xué)的陳興樂等人提出了一種帶包覆層鐵磁管道壁厚腐蝕的脈沖渦流檢測方法， 其在鐵磁管道脈沖渦流檢測模型時(shí)域解析解的基礎(chǔ)上， 利用感應(yīng)電壓測量曲線，反演被檢鐵磁管道參數(shù)，從而選取參考點(diǎn)對應(yīng)的壁厚反演結(jié)果作為參考值， 計(jì)算得到檢測點(diǎn)相對于參考點(diǎn)壁厚的變化量[7]。

蘇州熱工研究院有限公司的韓揚(yáng)等人提出了一種適用于帶包覆層管道的脈沖渦流檢測方法， 其使用主機(jī)產(chǎn)生脈沖方波信號并向激勵(lì)線圈中通入脈沖電流， 使得待測管道產(chǎn)生渦流， 數(shù)據(jù)采集卡采集檢測線圈因磁場變化而產(chǎn)生的時(shí)域感應(yīng)電壓值， 主機(jī)對所述時(shí)域感應(yīng)電壓值進(jìn)行處理和分析后顯示。

上述兩種方法雖然解決了帶包覆層管道壁厚的定量檢測問題，但這兩種方法要求檢測過程中探頭位置固定，防止移動(dòng)和振動(dòng)，在完成一個(gè)位置的壁厚檢測后，才能移動(dòng)探頭至下一個(gè)位置進(jìn)行檢測， 這種檢測形式不利于對長距離管道、復(fù)雜管路情況下壁厚的快速掃查。

本文提出了一種含保溫層的管道壁厚檢測系統(tǒng)及方法，解決了對長距離管道、復(fù)雜管路情況下壁厚快速掃查的傳統(tǒng)技術(shù)受限的技術(shù)問題， 可實(shí)現(xiàn)對保溫層下管道壁厚的定量無損檢測， 滿足對在役運(yùn)行的含保溫層管道的快速掃查的需求， 實(shí)現(xiàn)壓力管道的全壽命周期的完整性管理。

1 檢測系統(tǒng)

針對含保溫層管道壁厚的檢測系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括以下功能模塊：

圖1 檢測系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)

（1）檢測模塊：檢測探頭包括通過脈沖激勵(lì)信號產(chǎn)生交變磁場的激勵(lì)線圈，以及接受磁場變化并產(chǎn)生感應(yīng)電壓的霍爾傳感器構(gòu)成。 檢測模塊具有多個(gè)檢測探頭，檢測探頭內(nèi)置于一個(gè)探頭夾具中，相鄰的所述探頭夾具通過兩側(cè)底部的可拆卸的連接結(jié)構(gòu)相互鉸接，形成檢測探頭陣列。

（2）主控模塊：產(chǎn)生頻率/占空比可調(diào)節(jié)的脈沖激勵(lì)信號，采集霍爾傳感器測量的感應(yīng)電壓信號，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行后端處理。

（3）上位機(jī)：接受主控模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，對感應(yīng)電壓信號進(jìn)行處理，提取特征信號，實(shí)現(xiàn)管道壁厚的逆運(yùn)算求解，完成數(shù)據(jù)的可視化以及存儲。

（4） 位置測量模塊： 測量并記錄所述系統(tǒng)所處的管道壁位置信息。

為了快速全面對管道壁厚進(jìn)行掃查， 考慮將多個(gè)檢測探頭進(jìn)行陣列放置， 同時(shí)探頭夾具需要適用平板檢測和管道檢測這兩種情況， 提出了含保溫層的管道壁厚檢測用陣列探頭夾具，如圖2 所示，每個(gè)檢測探頭內(nèi)置于一個(gè)探頭夾具中， 相鄰的探頭夾具通過兩側(cè)底部的連接結(jié)構(gòu)相互鉸接形成陣列。 多個(gè)探頭夾具通過鉸接的方式可以實(shí)現(xiàn)彎曲以完美貼合管道或平板的各種表面， 滿足陣列檢測探頭移動(dòng)檢測的需求。 圖3 所示為四組檢測探頭和探頭夾具形成的陣列， 鉸接的連接結(jié)構(gòu)為可拆卸的連接，因此可以根據(jù)管道壁的曲率半徑和具體尺寸，適當(dāng)增減檢測探頭和探頭夾具的數(shù)量以實(shí)現(xiàn)更好貼合管道壁表面。 位于兩端的探頭夾具還連接有把手以便于陣列檢測探頭移動(dòng)。

圖2 檢測系統(tǒng)檢測探頭陣列的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 檢測探頭的結(jié)構(gòu)示意圖

檢測探頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示， 檢測探頭具有圓柱形外殼骨架，填充有鐵芯，沿著圓柱中軸線的截面圖（即圖4 的截面圖）形為中空的“工”字型，鐵芯中空的空間底部設(shè)置有霍爾傳感器， 鐵芯中空的空間其余部分填充導(dǎo)熱良好的環(huán)氧樹脂材料作為導(dǎo)熱材料， 激勵(lì)線圈繞制于鐵芯5-2“工”字型的兩側(cè)間隙處。

圖4 檢測系統(tǒng)的檢測方法流程

檢測探頭中各結(jié)構(gòu)部件的尺寸如圖3 所示， 其中“工”字型鐵芯，內(nèi)半徑為r1，外半徑為R，高度為H1；霍爾傳感器位于檢測探頭的底部中間； 激勵(lì)線圈均勻繞制而成，內(nèi)半徑為r，外半徑為R，高度為Hc。

2 檢測方法

2.1 試驗(yàn)工作

在實(shí)際檢測前， 預(yù)先建立脈沖電壓信號幅值和管道壁厚的關(guān)系，選取與待檢管道壁相同材質(zhì)的管道壁試樣，設(shè)置n 次實(shí)驗(yàn)，其中第i 次實(shí)驗(yàn)（i=1，2，…，n）的試樣為管道壁厚減薄Δdi，測得脈沖電壓信號幅值的變化Δui；以Δdi為橫坐標(biāo)、Δui為縱坐標(biāo)線性擬合得出管道壁厚-幅值方程：

式中：a，b 為常系數(shù)，由線性擬合確定。

2.2 檢測流程

針對含保溫層管道壁厚檢測系統(tǒng)的檢測方法流程，如圖4 所示。

在實(shí)際檢測中，進(jìn)行含保溫層的管道壁厚檢測方法，包括以下步驟：

（1）將檢測探頭放置于含保溫層的管道壁待檢區(qū)域內(nèi)。

（2）通過主控模塊產(chǎn)生連續(xù)脈沖激勵(lì)信號，輸入到檢測探頭的激勵(lì)線圈。

（3）在被測試管道壁和檢測探頭之間的空間形成一個(gè)耦合的電磁場， 利用霍爾傳感器將探測到磁感應(yīng)強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的電壓信號。

（4）將電壓信號輸入到后端的濾波放大單元，濾除電壓信號中的雜波電壓信號并對信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，得到以基礎(chǔ)管道壁厚為參考信號的差分峰值信號。

（5）將濾波放大后得到的脈沖電壓信號進(jìn)行AD 采集，提取出該脈沖電壓信號的幅值；

（6） 通過脈沖電壓信號幅值的變化反演管道壁厚的減薄情況。 測量出的脈沖電壓信號幅值的變化為Δu0，將Δu0代入所述管道壁厚-幅值方程，即求出對應(yīng)管道壁厚d0。

3 檢測技術(shù)

在渦流檢測中，當(dāng)管道與線圈半徑之比較大時(shí)，管道問題常采用近似方法化為平板便于進(jìn)行仿真求解， 該管道模型可以簡化為三層平板結(jié)構(gòu)（如圖5 所示，圖中三層自上而下分別為保護(hù)層，保溫層，管道壁），建立了帶保溫層管道壁厚2D 有限元模型。

圖5 本優(yōu)化使用的有限元模型示意圖

通過研究發(fā)現(xiàn)，選擇合適的激勵(lì)頻率，在確保渦流的趨膚深度大于高鋼級管道壁厚的情況下， 改變管道壁厚，可以得到檢測信號與管道壁厚的分布關(guān)系圖如圖6 所示。

圖6 原始檢測信號結(jié)果示意圖

把壁厚為9.0mm 的電磁信號作為參考信號 （管道壁無腐蝕的情形），將不同管道壁厚情況下的電磁信號與參考信號進(jìn)行差分，獲取差分信號和管道壁厚的關(guān)系圖，如圖7 所示。 由圖7 可看出差分信號隨管道壁厚的增大而逐漸減小。

圖7 差分峰值信號示意圖

提取差分信號的峰值與管道壁厚度進(jìn)行擬合， 得到的擬合關(guān)系如圖8 所示。 從圖8 可以看出差分峰值與管道壁厚呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。據(jù)此，可根據(jù)這種線性規(guī)律對不同提離高度下， 檢測信號差分電壓的峰值與管道壁厚的線性關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定， 得出在某一提離高度下檢測信號差分峰值與壁厚的擬合關(guān)系式， 進(jìn)而根據(jù)該擬合關(guān)系式進(jìn)行反演求解，從而實(shí)現(xiàn)對管道壁厚的定量檢測。

圖8 差分峰值-管道壁厚線性擬合關(guān)系圖

為提高檢測探頭在檢測管道壁厚方面的性能， 針對差分峰值較小的問題，可以考慮對檢測探頭進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中， 著重考慮的優(yōu)化指標(biāo)是差分信號的幅值Bz，提高差分信號對于管道壁厚的變化的靈敏度。激勵(lì)線圈的過程需要考慮4 個(gè)因素，即線圈內(nèi)徑r、線圈外徑R、線圈高度Hc、繞線匝數(shù)N，優(yōu)化方案中，考慮的參數(shù)為線圈內(nèi)徑、線圈高度、繞線匝數(shù)這三個(gè)，由三者的參數(shù)確定之后，繞制加工結(jié)束可以得到線圈的外徑。對探頭的線圈內(nèi)徑、線圈高度、繞線匝數(shù)3 種參數(shù)各考慮2 個(gè)水平進(jìn)行交互作用試驗(yàn)定性分析，如表1 所示。

表1 因素水平表

根據(jù)待考察因素的類型和各因素的水平， 考慮三個(gè)因素之間的相互作用，得到自由度之和：。 試驗(yàn)按L8（27）正交表安排，如表2 所示。

根據(jù)表2 的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從極差可以看出，線圈匝數(shù)對差分峰值的影響最大， 其次是線圈內(nèi)徑和線圈高度。按照各參數(shù)對探頭差分峰值的影響程度，依次設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)已有的大探頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化邏輯， 即正交試驗(yàn)的結(jié)果，先對探頭檢測性能影響最大的線圈匝數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

如表3 和圖9 所示，線圈匝數(shù)超過600 之后，差分峰值的增速放緩；綜合考慮差分峰值、探頭減重和減少發(fā)熱的需要，設(shè)置線圈匝數(shù)為600。

表3 線圈匝數(shù)與差分峰值的關(guān)系表

圖9 線圈匝數(shù)與差分峰值的關(guān)系圖

設(shè)置15 組從10 ～19mm 不同線圈內(nèi)徑的條件下的仿真模型。

從線圈內(nèi)徑-差分峰值關(guān)系表4 和圖10 的結(jié)果可以看出， 在第3 組（線圈內(nèi)徑為14mm）參數(shù)設(shè)置下的線圈仿真后得到的差分峰值達(dá)到了最大，這一組的線圈參數(shù)即為本次優(yōu)化得到的最優(yōu)的參數(shù)。

表4 線圈內(nèi)徑與差分峰值的關(guān)系表（內(nèi)徑8～20mm）

圖10 線圈內(nèi)徑與差分峰值的關(guān)系圖

同時(shí)引入鐵芯加強(qiáng)磁場，以此提高差分峰值。對鐵芯的高度H1以及厚度（即r-r1） 進(jìn)行優(yōu)化，保持鐵芯高度不變，在2～10mm 之間改變鐵芯厚度， 同時(shí)考慮差分峰值以及鐵芯的重量，綜合二者將鐵芯厚度定為5mm；保持鐵芯厚度為5mm，在47～63mm 之間改變鐵芯高度，同時(shí)考慮差分峰值以及鐵芯的重量將鐵芯厚度定為55mm，最終可以獲得優(yōu)化后的鐵芯參數(shù)，如圖11、12 所示。優(yōu)化得到檢測探頭的最優(yōu)具體參數(shù)如表5 所示。

表5 最優(yōu)檢測探頭參數(shù)

圖11 鐵芯厚度優(yōu)化示意圖

圖12 鐵芯高度優(yōu)化示意圖

檢測探頭的最優(yōu)參數(shù)已給出， 根據(jù)裝置不同的應(yīng)用場景以及工作情況，給出較優(yōu)的探頭參數(shù)范圍，如表6 所示，其余參數(shù)并非是優(yōu)化中的最優(yōu)參數(shù)，但是仍具有比較良好的性能，可以滿足多種情況的需要。

表6 較優(yōu)檢測探頭參數(shù)

若激勵(lì)信號與探頭的提離高度保持不變， 脈沖渦流檢測系統(tǒng)得到的檢測信號差分峰值隨管道壁厚度呈線性分布關(guān)系，如式所示：

式中：Δu—脈沖激勵(lì)下管道檢測電壓的差分峰值；Δd—被測管道的壁厚減薄情況；b—某一提離高度下檢測信號差分峰值與壁厚減薄的擬合關(guān)系式的截距；a—某一提離高度下檢測信號差分峰值與壁厚減薄的擬合關(guān)系式的斜率。

脈沖渦流檢測系統(tǒng)得到檢測信號差分峰值， 代入公式（2）求解即可得到被測管道的壁厚減薄情況，與標(biāo)定管道壁厚作差即可得到剩余管道壁厚值。

4 檢測實(shí)例

霍爾傳感器選用SS495A，供電電壓為4.5～10.5V。 該檢測探頭的具體參數(shù)如表5 所示，繞線選擇1mm 線徑的漆包線， 鐵芯的材料選擇相對磁導(dǎo)率為10000 左右的純鐵。被測試件選擇材質(zhì)為X60 鋼的不同厚度的平板，厚度依 次 為3.4、3.8、4.2、4.6、5.0、5.4、5.8、6.2、6.6、7.0、7.4、7.8、8.2、8.6、9.0mm。設(shè)置檢測探頭的提離高度為50mm。含保溫層的高鋼級管道壁厚檢測系統(tǒng)檢測環(huán)境如圖1 所示。依次檢測不同管道厚度區(qū)域，重復(fù)5 次，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取平均值， 可以得到金屬板厚度和電壓峰值的擬合關(guān)系曲線，如圖13 所示。

圖13 提離50mm 金屬板厚度-電壓峰值線性擬合示意圖

隨著金屬板厚度的增大，對應(yīng)的電壓峰值將會(huì)增加。擬合后的曲線為Δu=2.073Δd-0.01392，R2為0.9894，這證明Δu 對于Δd 有著線性的響應(yīng)。Δd 每發(fā)生1mm 的變化，對應(yīng)的差分峰值就會(huì)變化2.073mV。 同理改變檢測線圈的提離高度為40mm，30mm，20mm，10mm，進(jìn)行相同的步驟，最終得到所有的擬合結(jié)果為表7 所示。

表7 不同提離高度下Δd 與Δu 擬合結(jié)果

隨著提離高度的減小，擬合曲線的k 呈現(xiàn)增大的趨勢，且整體線性度比較好，說明該系統(tǒng)對于高鋼級板材的厚度變化，差分電壓的峰值有良好的線性響應(yīng)。而含保溫層管道在檢測過程中由于存在一定厚度的保溫層而往往存在較大的提離高度（提離高度基本對應(yīng)保溫層厚度），線圈磁場強(qiáng)度會(huì)隨距離的增大快速衰減，本文方法基本不受提離高度增大的影響，具有極好的適應(yīng)性。 將提離高度設(shè)置成40mm， 在上位機(jī)軟件中選擇提離高度為40mm 的擬合曲線進(jìn)行厚度的反演實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表8 所示。

表8 提離高度為40mm 時(shí)Δd 與Δu 擬合結(jié)果

厚度反演誤差在±0.5mm 以內(nèi)，說明所提出的含保溫層的高鋼級管道壁厚檢測方法及系統(tǒng)具有比較良好的檢測精度；同時(shí)在上位機(jī)的軟件界面中，可以直觀的看到檢測過程中探頭的運(yùn)動(dòng)信息以及金屬的壁厚隨里程變化的信息，如圖13 所示。

檢測過程方便高效，檢測結(jié)果直觀清晰，軟件應(yīng)用界面如圖14 所示。

圖14 上位機(jī)軟件檢測結(jié)果實(shí)時(shí)顯示示意圖

5 結(jié)束語

在長距離管道和復(fù)雜管路情況下，該檢測系統(tǒng)及方法能夠?qū)崿F(xiàn)壁厚的快速掃描，解決了傳統(tǒng)方法在此方面的限制， 滿足了在役運(yùn)行下含保溫層管道的快速掃描需求，具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

此外，研究表明在不同的提離高度條件下，系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)， 尤其在存在大提離高度的含保溫層管道情況下，方法仍然能夠保持適應(yīng)性。通過設(shè)定提離高度為40mm， 在實(shí)驗(yàn)中獲得的厚度反演誤差在±0.5mm 范圍內(nèi)，顯示出了良好的檢測精度。

綜上所述，本文提出的含保溫層管道壁厚檢測方法及系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具備優(yōu)勢。 它克服了傳統(tǒng)方法的限制，不僅能夠應(yīng)對復(fù)雜管路和長距離管道情況下的壁厚檢測，還提供了可視化的探頭運(yùn)動(dòng)信息和壁厚隨里程變化的信息，為壓力管道的完整性管理提供了創(chuàng)新解決方案。