漏磁內(nèi)檢測(cè)缺陷信號(hào)的快速識(shí)別方法

馬義來,蘇小祥,聞亞星

(1.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029;2.上海積塔半導(dǎo)體有限公司,上海 200123)

漏磁內(nèi)檢測(cè)是目前在長輸油氣管道領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)方法之一[1-3]。隨著傳感技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展快速,漏磁內(nèi)檢測(cè)設(shè)備性能也得到了質(zhì)的提升,漏磁內(nèi)檢測(cè)器的探頭通道和采集頻率大幅提高,已從常規(guī)清晰度內(nèi)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展到高清晰度和超高清晰度漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù),而內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)量的急劇增加,為內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)快速識(shí)別和分析帶了極大的挑戰(zhàn)。為了提高數(shù)據(jù)分析的效率,減少不必要的工作量,有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。因此,開發(fā)一種能夠快速識(shí)別信號(hào)的漏磁內(nèi)檢測(cè)方法具有重要意義。

筆者開發(fā)了一種基于低通濾波和差分的信號(hào)處理算法,并對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)探頭的各通道檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行降噪優(yōu)化處理,確定了管體缺陷識(shí)別規(guī)則并進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明,該信號(hào)處理方法能夠快速準(zhǔn)確識(shí)別管體缺陷信號(hào),識(shí)別效果較好。

1 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理及設(shè)備

漏磁檢測(cè)技術(shù)依賴于鐵磁性管材的高磁導(dǎo)率特性,使管道的管壁可以被永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化至磁飽和[4]。在正常的管壁區(qū)域中,外加磁場(chǎng)的磁感線被束縛于管壁的內(nèi)部,幾乎沒有磁感線從管壁表面穿出,當(dāng)管壁中存在缺陷時(shí),缺陷處的磁導(dǎo)率比正常區(qū)域的磁導(dǎo)率小,磁阻比正常區(qū)域的大,而導(dǎo)致缺陷處的磁感線外泄,通過霍爾傳感器即可檢測(cè)到外泄的磁通量[5],管道漏磁檢測(cè)基本原理如圖1所示。

圖1 管道漏磁檢測(cè)基本原理

漏磁檢測(cè)器一般由驅(qū)動(dòng)節(jié)、勵(lì)磁節(jié)、萬向節(jié)、計(jì)算機(jī)節(jié)等組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中勵(lì)磁節(jié)主要用來磁化管壁和采集檢測(cè)數(shù)據(jù);驅(qū)動(dòng)節(jié)利用密封皮碗前后介質(zhì)壓差推動(dòng)檢測(cè)器在管道中運(yùn)行;萬向節(jié)的作用是幫助檢測(cè)器在管道中順利通過彎頭部位,提升通過性能;計(jì)算機(jī)節(jié)用于檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ);里程輪記錄檢測(cè)器在管道中的行進(jìn)里程和缺陷位置里程,便于后期開挖定位。

圖2 漏磁檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意

2 漏磁信號(hào)噪聲

管道管壁上的金屬損失等缺陷所形成的漏磁場(chǎng)信號(hào)一般都比較微弱,需要經(jīng)過放大濾波后再進(jìn)行后處理[7-9]。沿勵(lì)磁方向分布的霍爾探頭檢測(cè)到漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度得到單向脈沖信號(hào),典型的缺陷漏磁信號(hào)如圖3所示。脈沖信號(hào)的方向與探頭的檢測(cè)方向以及探頭的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。當(dāng)霍爾探頭的檢測(cè)方向與探頭運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí),單向脈沖信號(hào)向上;反之,單向脈沖信號(hào)向下。同時(shí),脈沖信號(hào)的寬度與時(shí)間有關(guān),當(dāng)檢測(cè)速度變快時(shí),信號(hào)寬度變窄;當(dāng)檢測(cè)速度變慢時(shí),信號(hào)寬度變寬。實(shí)際檢測(cè)時(shí)受雜散磁場(chǎng)以及振動(dòng)的影響,漏磁場(chǎng)信號(hào)中會(huì)疊加大量的噪聲信號(hào)。

圖3 典型的缺陷漏磁信號(hào)

所設(shè)計(jì)的漏磁內(nèi)檢測(cè)設(shè)備采用SS 495型線性霍爾元件采集缺陷信號(hào),其內(nèi)部集成了信號(hào)放大電路,可直接輸出與測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào),具有靈敏度高、線性好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。SS 495型線性霍爾元件采集到的漏磁信號(hào)仍然存在大量的干擾噪聲信號(hào),有必要進(jìn)行降噪優(yōu)化。筆者先利用霍爾探頭采集管體缺陷信號(hào),使用數(shù)字低通濾波器濾波后,采用差分法消除探頭提離值和溫度漂移對(duì)檢測(cè)信號(hào)基線的影響,最后利用閥值法進(jìn)行缺陷信號(hào)的識(shí)別。整個(gè)處理程序代碼精簡、執(zhí)行效率高,可以快速對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

3 信號(hào)處理方法

3.1 數(shù)字低通濾波處理

缺陷信號(hào)相對(duì)于噪聲屬于低頻信號(hào),可以采用低通濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波。Lab VIEW 軟件的信號(hào)處理模塊中包含了很多數(shù)字濾波器,包括貝塞爾濾波器、Butter worth濾波器、Chebyshev濾波器、等波紋濾波器、FIR加窗濾波器、中值濾波器等。這些濾波器可以分為兩種,一種是通過處理數(shù)據(jù)塊進(jìn)行濾波,另一種是通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的逐點(diǎn)處理來濾波。濾波器的數(shù)據(jù)塊處理方式缺乏實(shí)時(shí)性,需要經(jīng)過一段數(shù)據(jù)的采集后才能進(jìn)行處理,且數(shù)據(jù)塊處理需要一定的時(shí)間周期;與之相比,逐點(diǎn)濾波器的實(shí)時(shí)性更強(qiáng),數(shù)據(jù)采集和處理可同時(shí)進(jìn)行。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明,Butter worth低通濾波器對(duì)漏磁缺陷信號(hào)的過濾效果是最好的。因此筆者采用逐點(diǎn)Butter worth低通濾波器,其濾波效果示例如圖4所示。

圖4 Butter worth低通濾波器濾波效果示例

3.2 信號(hào)的差分處理方法

管壁缺陷處檢測(cè)信號(hào)較正常信號(hào)會(huì)有明顯的變化,相鄰近信號(hào)的差分值一般遠(yuǎn)大于正常信號(hào)的差分值,因此可以用差分值來處理信號(hào)。相鄰信號(hào)的差分值可表示為

式中:X(i)為差分變量。

式(1)定義的是前一步差分值,當(dāng)向前k步差分時(shí),差分值可表示為

差分的步數(shù)k可根據(jù)標(biāo)定樣管和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)缺陷信號(hào)情況選擇最優(yōu)值。

漏磁檢測(cè)設(shè)備通過對(duì)差分后的數(shù)據(jù)進(jìn)行閥值歸零處理,來實(shí)現(xiàn)缺陷的直接顯示。在確定判斷閾值時(shí)首先要制作人工缺陷標(biāo)定樣管,然后根據(jù)對(duì)缺陷樣管的檢測(cè)結(jié)果設(shè)定缺陷信號(hào)的判定閥值,如果檢測(cè)信號(hào)的幅值超過閥值,則判定為管壁缺陷信號(hào),低于閥值則認(rèn)為是無缺陷管壁信號(hào)。信號(hào)歸零的閥值設(shè)置應(yīng)略小于缺陷信號(hào)的判別閥值,若信號(hào)幅值小于信號(hào)歸零閥值,則信號(hào)歸零,若信號(hào)幅值大于信號(hào)歸零閥值則保留信號(hào)。檢測(cè)原始信號(hào)經(jīng)濾波、差分、歸零等技術(shù)處理后的效果如圖5所示(圖中1為緩變信號(hào),2為振動(dòng)信號(hào),3為缺陷信號(hào))。

圖5 檢測(cè)原始信號(hào)經(jīng)濾波、差分、歸零等技術(shù)處理后的效果

圖5中的原始信號(hào)包含有較多的噪聲信號(hào),Butter worth低通濾波器對(duì)噪聲進(jìn)行了初步消減,差分處理方法消除了緩變信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)引起的基線偏移問題,通過標(biāo)定的閥值d對(duì)差分處理后的信號(hào)進(jìn)行歸零處理,最終消除了大部分噪聲,缺陷信號(hào)明顯凸出。由圖5不難看出,信號(hào)經(jīng)過濾波-差分-差分歸零處理后具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和高效性,缺陷信號(hào)易于識(shí)別。

4 管體特征識(shí)別

漏磁內(nèi)檢測(cè)器已基本實(shí)現(xiàn)了周向360°通道覆蓋,隨著通道數(shù)量的增加,通道顯示密度倍數(shù)增加,清晰度大幅提高。筆者將信號(hào)快速識(shí)別算法嵌入軟件后,在管道圓周范圍內(nèi)檢測(cè)各通道信號(hào),其結(jié)果如圖6所示,經(jīng)過濾波和差分處理后信號(hào)無噪聲和雜波影響且焊縫清晰可見。

圖6 無缺陷時(shí)全通道正常信號(hào)示意

4.1 特征及缺陷類型

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)可以識(shí)別出閥門、彎頭、焊縫、壁厚變化、三通、小開口、法蘭、封堵、補(bǔ)疤、外接金屬物、盜油(氣)孔、金屬套管、維修套筒等管體特征,也能識(shí)別出管體內(nèi)外壁腐蝕、機(jī)械劃傷、金屬損失型焊縫缺陷、夾雜、制管缺陷、開口裂紋等。工程上一般通過結(jié)合全尺寸牽拉試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果,建立缺陷量化模型,對(duì)檢出的金屬損失類型缺陷進(jìn)行尺寸量化,通過信號(hào)解析及管道實(shí)際特征與信號(hào)特征比對(duì)建立特征數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)管道特征的準(zhǔn)確識(shí)別。

4.2 缺陷的識(shí)別規(guī)則

檢測(cè)數(shù)據(jù)缺陷信號(hào)特征識(shí)別是數(shù)據(jù)分析中最重要的一部分,利用筆者開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件,將沿圓周布置的陣列傳感器探頭檢測(cè)到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平面漏磁信號(hào)波形圖,當(dāng)管道上存在金屬損失或金屬增加時(shí),該漏磁信號(hào)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

根據(jù)識(shí)別漏磁信號(hào)波動(dòng)方向與焊縫信號(hào)波動(dòng)方向來區(qū)分出金屬損失或金屬增加等管道特征,這是所有特征識(shí)別的基礎(chǔ),與焊縫波動(dòng)方向一致的信號(hào)為金屬增加信號(hào),與焊縫波動(dòng)方向相反的為金屬損失信號(hào)。軸向漏磁內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)的某管道正常直焊縫的徑向、軸向、環(huán)向信號(hào)如圖7所示,某管道金屬損失缺陷徑向、軸向、環(huán)向信號(hào)如圖8所示。

圖7 某正常管道三軸漏磁檢測(cè)焊縫信號(hào)

圖8 某金屬管道缺失三軸漏磁檢測(cè)焊縫信號(hào)

通過比較圖7(a)與圖8(a)信號(hào)不難發(fā)現(xiàn),該檢測(cè)器的焊縫徑向信號(hào)波動(dòng)方向先下后上類似余弦的信號(hào),金屬損失的徑向信號(hào)表現(xiàn)為先上后下類似正弦的信號(hào),二者波動(dòng)方向相反。圖7(b)與圖8(b)分別為焊縫和缺陷的軸向信號(hào),焊縫軸向信號(hào)波動(dòng)方向表現(xiàn)為單峰向下,金屬損失軸向信號(hào)表現(xiàn)為單峰向上,二者方向同樣相反。圖7(c)與圖8(c)分別為焊縫和缺陷的周向信號(hào),二者的波動(dòng)方向也是相反的。受漏磁內(nèi)檢測(cè)器磁化方向的影響,焊縫的徑向和軸向信號(hào)較為突出,一般主要采用徑向和軸向信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分析,周向信號(hào)作為輔助用。

管道漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)體積型金屬損失非常敏感,檢測(cè)準(zhǔn)確率高;對(duì)閉合型裂紋缺陷不敏感,檢測(cè)準(zhǔn)確率低。通過對(duì)管道漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析,可以識(shí)別的缺陷有腐蝕(內(nèi)腐蝕、外腐蝕)、機(jī)械損傷、制造缺陷、金屬損失型焊縫缺陷等。在內(nèi)檢測(cè)工程實(shí)踐中,可通過積累檢測(cè)數(shù)據(jù)和開挖驗(yàn)證數(shù)據(jù)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),提升數(shù)據(jù)分析識(shí)別水平,對(duì)不同成因的金屬損失信號(hào)特征進(jìn)行綜合判定,提高缺陷的識(shí)別概率、量化精度等。

4.3 管體特征識(shí)別規(guī)則

在進(jìn)行管體特征的識(shí)別時(shí),可通過信號(hào)波動(dòng)形式對(duì)特征進(jìn)行綜合分析,常規(guī)的管體特征如熱煨彎頭、閥門、法蘭、三通、盜油孔等都有特定信號(hào)特征,既可以根據(jù)信號(hào)波動(dòng)的分析規(guī)則去分解分析信號(hào),也可建立固有特征數(shù)據(jù)圖庫進(jìn)行實(shí)物與信號(hào)的比對(duì),一般建立固有特征數(shù)據(jù)庫比對(duì)較為方便,管體特征和漏磁檢測(cè)信號(hào)圖譜對(duì)比如圖9所示。

5 工程應(yīng)用

以某長度60 k m成品油管線為例進(jìn)行檢測(cè),管道規(guī)格為323.9 mm×6.3 mm(直徑×壁厚),鋼管材料為L360,完成漏磁內(nèi)檢測(cè)后共檢出缺陷1 125處。對(duì)其中3處金屬損失較嚴(yán)重缺陷進(jìn)行開挖驗(yàn)證。缺陷信號(hào)圖譜和現(xiàn)場(chǎng)開挖結(jié)果如圖10所示,通過信號(hào)圖譜可以看出,經(jīng)過降噪和差分處理過的缺陷信號(hào)清晰、無噪聲干擾易于識(shí)別;通過現(xiàn)場(chǎng)開挖測(cè)量可以看出檢測(cè)出的缺陷信號(hào)識(shí)別正確。3處缺陷漏磁檢測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)開挖實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示,表中深度通常用百分比深度表示,如正常壁厚的29.5%,即29.5%wt。

表1 現(xiàn)場(chǎng)漏磁檢測(cè)結(jié)果和開挖檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖10 金屬損失缺陷信號(hào)圖譜與現(xiàn)場(chǎng)開挖檢測(cè)結(jié)果

缺陷檢測(cè)尺寸誤差分析結(jié)果如表2所示,可以看出,噪聲濾波和差分處理對(duì)缺陷的檢測(cè)精度無影響,缺陷檢測(cè)的尺寸精度滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27699-2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》和SY/T 6597-2018《油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求。

表2 現(xiàn)場(chǎng)缺陷檢測(cè)誤差分析結(jié)果

6 結(jié)語

(1) 開發(fā)了一種基于數(shù)字低通濾波和差分的單通道信號(hào)處理方法,并利用該方法開發(fā)了全周覆蓋的漏磁內(nèi)檢測(cè)器數(shù)據(jù)綜合分析軟件,可大幅提高數(shù)據(jù)分析效率和質(zhì)量。

(2) 總結(jié)了基于漏磁內(nèi)檢測(cè)信號(hào)缺陷和特征識(shí)別規(guī)則。

(3) 通過工程檢測(cè)和開挖檢測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn),該信號(hào)處理方法和缺陷識(shí)別規(guī)則高效、可靠,缺陷信號(hào)識(shí)別量化準(zhǔn)確。