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依靠原油流动为驱动力, 以超声探头绕管道内壁扫描探伤的“管道爬行器”, 可以实现对管道的抽样检测, 其缺点是检测信号耦合不可靠、速度慢, 有漏检和误检现象。
本文研究的高速在线检测系统, 采用电磁检测原理, 专对油气输送管道检测, 且速度快, 无漏检。
1 检测技术原理
根据电磁检测原理, 铁磁性材料在交变外磁场H o 磁化下, 其内宿缺陷形成的磁场强度Hg为
式中
μg、μf——分别为缺陷和材料磁导率
N——退磁因子,N = T/(T + S )
T、S——分别为椭圆截面的长、短轴
Ho垂直于T 或S 时, 缺陷形状和Hg 随着N (0 < N < 1) 变化而变化。当检测装置带动传感器扫查管道内表面区间, 管道内缩缺陷的磁场H g 在传感器阵列中感应形成微弱的缺陷电信号。缺陷信号的幅度、宽度与缺陷分布有关, 磁化场的方向与椭圆缺陷的短轴正交, 缺陷信号幅度小、宽度宽, 磁化场的方向与椭圆缺陷的长轴正交, 缺陷信号幅度高、宽度小。若先后施加互为正交的磁化场时, 各向缺陷都会形成较强的缺陷信号, 这种对材料施加磁化场, 在传感器内激发缺陷信号的无损检测称电磁检测。
2 检测主设备结构
高速检测主设备由“管道爬行器”装置、驱动装置、大型越野车、车载发配电设备、计算机分析识别系统和相关外设、接口等组成, 如图1 所示。
图1 电磁法高速检测设备“管道爬行器”结构
2.1 “管道爬行器”的漏磁激发装置
“管道爬行器”的漏磁激发装置由1 套稳恒磁化装置和2 套轮形引导磁极构成对地下管道壁的充分磁化, 当“管道爬行器”运行在某段区间时, 两轮之间的缺陷受到磁场激励, 其内壁形成强烈的漏磁信号, 在“管道爬行器”中设4只8通道弹性扫查探头, 向外包绕角360°, 由探头接收管道内缺陷的漏磁场, 变成缺陷信号。
2.2 “管道爬行器”的行走机构
“管道爬行器”的前侧和后端共设8 只弹性轮, 它们与管道轴线成20°角, 当“管道爬行器”在管道内穿越时, 弹性轮支承“管道爬行器”平稳前进, 同时引导“管道爬行器”自体在管道内旋转, 以便各探头形成互相叠合的螺旋带, 确保管道壁各向缺陷全部被检测。
2.3 “管道爬行器”行走动力
(1) 在停产状态下, 由空压风机向“管道爬行器”入口端灌气, 当气压为0.05M Pa 时, 为“管道爬行器”提供约280 N 推动力, 此推动力使“管道爬行器”的运行速度达到40～ 60m/min。
(2) 在运行状态下, 行走动力由油气提供。当“管道爬行器”前后两端的压差为0.1MPa 时, 可为“管道爬行器”提供约550 N 推动力, 此推动力使“管道爬行器”的运行速度达到油气的输送速度。
3 “管道爬行器”的检测信号处理
3.1 检测信号
“管道爬行器”内有4 个检测探头和8 个通道传感器, 它们在管道内高速行进中采集大量的微弱信号, 这些信号经过设在探头内的放大器提供60 db 的增益, 其幅度达到12 Vp-p , 波形如图2 所示。
图2 “管道爬行器”分区检测所获得的检测信号
图2 中法兰信号是指管道连接处探头检测获得的饱和脉冲, 它正是管道的识别信号, 在信号压缩处理中, 法兰信号是非常有用的试样信号。噪声信号包含电磁噪声、行走噪声、撞击噪声和焊接处干扰及放大器噪声等; 缺陷信号是检测管道缺陷所获得信号; 管道正常部分信号是探头检测无损伤管道获得的信号; 缺陷密集段信号是检测管道内存在密集的锈蚀和损伤所获得的信号。根据信号曲线判断, 第2 根管道的前半段315°～ 368°区间存在密集性损伤缺陷,而0～53°区间存在1 个缺陷。
3.2 检测信号的噪声处理
图2 所示的8 通道信号, 首先经过带通滤波器, 滤除40 kHz 以上的白噪声, 然后由电平切割铲除背景噪声和行走噪声。对于8 通道传感器, 撞击干扰是同时发生的短促窄脉冲, 由“模拟与”门电路可对其抑制。至此, 8 通道信号中的正常管道信号是纯净的零电平信号, 只有高电平的法兰信号和缺陷信号及较高电平噪声干扰。
3.3 检测信号的压缩处理
“管道爬行器”是脱离外界控制的自行走高速检测装置, 围管道360°的8 通道检测探头在其行程内拾取极其丰富的信息, 其高速检测的关键技术是这些数据的处理与存储, 可以采用压缩方法处理检测信号, 如图3 所示。
图3 “管道爬行器”检测的缺陷信号与法兰信号的数字压缩编码方法
由图3 可知, 当检测无损伤管道时信号为0, 比较器输出“法兰”信号数据。此后, 采用“预测法”压缩数据, 即首先传送前一只管道“法兰”作为模板, 各通道信号与法兰比较, 为“0”的表示对应的传感器检测的是无损伤区域, 以此法兰号代替该区域数据; 非“0”表示为对应的传感器检测的是有损伤区域, 传送该区域缺陷信号数据。对于连续缺陷的信号数据, 减法器输出最早的缺陷数据和后来缺陷数据与前面缺陷数据的差值。若多个通道有缺陷信号数据, 则采用“时分复用”技术, 由多路开关将多路缺陷信号数据归为1路数据, 从而极大地压缩了数据量。
检测信号经压缩编码处理后, 记录在单片机的RAM 或Tape (磁带) 上, Tape 的L 声道为缺陷信号数据, R 声道为法兰号。
4 油气输送管道检测分析设备
当“管道爬行器”驶出管道后, 存储在RAM 或Taye 内的数据被送往现场车载式高速检测分析设备处理, 分析设备由重放设备、接口设备、计算机系统、数据解码恢复技术D/A 变换、分析判断和图形曲线显示装置等组成。
4.1 数据重放
若记录时采用单片机将数据存储在RAM 中, 则此时的单片机为分析设备计算机系统的外设, 计算机读取的是RAM 中的数据;若采用磁带记录, 重放磁带的L 声道为缺陷信号数据,R 声道为法兰信号,它们经过数据接口卡与计算机系统连接并读入主机。
4.2 数据去压缩解码方法
缺陷信号与法兰信号的数据去压缩解码方法, 如图4 所示。数据经多路开关恢复成8 通道缺陷信号数据和法兰信号, 以前一个法兰为当前管道预测模板, 预测模板与各路缺陷数据在加法器叠加, 结果为预测模板值, 则输出法兰模板, 显示该管道区域为无损伤缺陷。否则, 缺陷信号与法兰信号相加, 表示该管道此区域存在的缺陷及其轴向位置。经过低电平切割运算, 进一步抑制干扰噪声, 调整检测灵敏度, 最后经过模数转换, 在显示器上显示实际检测结果的图形曲线, 缺陷信号数据还可以存储和建档, 便于调用和在网络内传输。
图4 缺陷信号与法兰信号的数据去压缩解码
4.3 主要技术指标
(1) 检测油气输送管道直径范围: 100～ 2 000 mm。
(2) 油气输送管道弯曲度: < 5%。
(3) 检测速度: 60 m/min 以上。
(4) 检测缺陷类型: 内、外壁及内部各种裂纹、孔洞、腐蚀坑及磨损槽等。
(5) 检测油气输送管道长度: 20 km 以上。
(6) 显示方式: 图形曲线方式显示油气输送管道在轴向位置和圆周45°范围缺陷, 显示各种缺陷类型及位置和缺陷信号幅度及宽度, 图形曲线调用对比方式显示各种缺陷类型。
5 结束语
“管道爬行器”采用电磁检测原理和数据压缩编码技术, 专门用于对地下油气输送管道高速检测系统, 具有速度快, 无漏检等特点。“管道爬行器”检测的数据与检测控制、分析系统联系后, 经过去压缩解码器恢复成检测图形曲线, 能够准确地识别缺陷位置和缺陷等级, 检测结果满足相关国际标准和国家标准的规定。
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