圖 1電磁測距檢測原理示意
管道主要用于石油天然氣輸送,是“國家生命線工程”。據統計,我國的長輸管道達到166×103km。油氣介質易燃、易爆、有毒,一旦發生安全事故將直接威脅國家能源和公共安全。定期檢驗檢測是預防事故發生的有效方法,國家質檢總局發布的《關于規范和推進油氣輸送管道法定檢驗工作的通知》中明確要求：油氣長輸管線根據服役期不同需在3~5 a的周期內強制進行全面的法定檢測檢驗。當前,管道內檢測技術具有高效、連續、不受服役環境限制等優點,是國內外保障和維護管道安全運行的有效手段[1-3]。
近年來,我國企事業單位、高等院校在“國家重點研發計劃”、“國家重大儀器專項”等科技項目的支撐下,開展了油氣管道的內檢測技術研究與裝備的攻關。目前成熟應用的管道擺臂、漏磁、渦流等檢測設備可以有效檢出在役管道的腐蝕、鑿痕、變徑等安全隱患[4-7]。但部分管道由于服役年限長、工作環境復雜、輸送介質雜質多,實施管道內檢測時存在巨大的卡堵風險[8]。
近年來,為了實現高越障通過能力下的管道變徑缺陷的定位與識別,一些學者開展了相關研究。RAMELLA等[9-10]開發了一種公稱直徑為300 mm的卡尺式聚氨酯泡沫測徑內檢測新裝備,實現了管體變徑和腐蝕缺陷的有效檢出,但該接觸式檢測技術存在內壁劃傷和數據失真的潛在風險。熊毅等[11]提出了內嵌懸臂梁式力傳感器檢測管道大變徑的設計方案,以聚氨酯泡沫為載體,通過力傳感器記錄聚氨酯泡沫受到的擠壓力來獲取管道變形量。王宇楠等[12]提出利用內嵌磁鐵和霍爾元件獲取管體變徑引起的磁場變化量的設計方案。李曉龍等提出了電磁測距與探臂結合的管道復合變形檢測技術,提高了檢測器的周向檢測精度。
在上述研究基礎上,筆者結合傳統的電磁測距與泡沫清管兩種技術,設計開發了高通過性油氣管道變徑檢測清管器,搭建了三軸動態掃查試驗平臺,設計制作了模擬的管道變徑缺陷試件,完成了集成傳感及電子系統的性能測試。
1. 非接觸式變徑檢測原理
電磁測距檢測原理如圖1所示,勵磁線圈在交變電流信號的激勵作用下產生勵磁場,磁通密度為Be。當管道不存在缺陷時,試件表面渦流產生的磁場為B1,衍生的磁化磁場強度為B2,空間中的復合磁場強度Bt是此三種磁場的矢量疊加。當管道存在變徑缺陷時,管道內壁與勵磁線圈間等效距離由d改變為d´,磁化磁場和渦流磁場分別改變為B2´和B1´,空間中的復合磁通疊加信號改變為Bt´,空間磁場信號的畸變量ΔBt是管道變形量的非線性映射。
電磁測距檢測探頭中的磁傳感器可以將空間中的磁場信號轉化為電壓信號進行傳輸和存儲。具體而言,當被測管道不含變徑缺陷時,探頭與管壁間的距離為一定值d,傳感器輸出的電壓值為基線值Vline。當內檢測器通過管道變形區域時,管壁產生內凹,探頭與管壁間的距離變化為d1,輸出電壓值產生畸變,變化量ΔV攜帶了管道變形量Δd的信息。
2. 泡沫變徑檢測器系統
2.1 機械結構設計
機械式、聚氨酯泡沫式清管器（見圖2）具有高通過性的優勢,但不具備管道大變徑缺陷的檢出與定位能力,為此提出如圖3所示的高通過性油氣管道泡沫變徑內檢測裝備三維結構,主要包含：里程輪、轉接盒、陣列布置傳感器、聚氨酯泡沫、法蘭盤、密封艙體、檢測器骨架等。
圖 2機械式及聚氨酯泡沫式清管器實物
圖 3泡沫變徑內檢測器三維結構示意
裝備結構中,里程輪由機械結構和里程傳感器組成,機械輪滾動帶動磁鐵轉動使磁場產生周期性的變化并被磁性角度傳感器捕獲,以此來記錄內檢測器的運行里程。磁性角度傳感器采用江蘇多維公司研制的TMR3002芯片,雙軸輸出與磁場角度成正弦和余弦關系的電壓信號,輸出信號的峰峰值為可供電電壓的100%,因此不需增加額外的外部信號放大與處理電路。同時,TMR（隧道磁阻）惠斯通電橋結構有效補償了傳感器的溫度漂移,其采用LGA8封裝形式,尺寸僅為3.0 mm×3.0 mm×0.75 mm（長×寬×高）,滿足清管器在管道高速運行時的高精度里程記錄需求。
轉接盒包括轉接電路及機械外殼,負責將陣列傳感系統感知的管道缺陷信息匯總并輸入至機芯進行采集和存儲；陣列布置的傳感器可以實時記錄管道的真實變徑量并轉換成模擬信號進行傳輸；聚氨酯泡沫具有抗拉強度高、可壓縮、耐磨、耐油等特點,在提供內檢測器驅動力的同時,具有較高的變徑通過能力；法蘭盤可以對檢測器的艙體進行密封,為電子系統及電源提供保護；密封艙體為電子系統和電源提供剛性支撐；檢測器骨架可以將電子系統及機械機構進行集成。
2.2 傳感及電子系統開發
高通過性泡沫清管器的控制系統架構如圖4所示,其核心采用STM32H7型微控制器。正弦信號波形激發通過DAC（數字模擬轉換）模塊配合運算放大器實現,確保激勵信號的精準輸出。選用mpu6050型陀螺儀提供高穩定性姿態數據。里程輪采用磁編碼芯片,精確記錄行走距離。數據存儲利用STM32H7的SDIO（全數字輸入輸出接口）功能實現,數據導出則通過USB2.0芯片實現,實測速度超過30 m·s−1。電子系統協同工作,能夠滿足復雜環境下的高精度控制和數據采集、存儲、導出的需求。
圖 4高通過性管道變徑清管器的控制系統架構
高通過性變徑檢測探頭及陣列調理電路實物如圖5所示。非接觸式變徑檢測傳感器主要包括：激勵線圈、TMR磁敏元件、PCB電路板、線圈骨架、封裝外殼、支撐結構等[見圖5（a）]。激勵線圈由漆包線纏繞制成,在電流型信號發生模塊的激勵作用下,產生交變勵磁場。TMR磁敏元件是一種基于磁阻原理的傳感器,即電阻隨外部磁場強度改變,用于提取空間中的復合磁通信號,并將磁信號轉化為電壓信號。PCB電路板上預留了焊盤位置,起到固定TMR線性傳感器的作用。骨架是激勵線圈和磁敏元件的載體。其采用3D打印制成,起到固定和限位的作用。對探頭整體進行澆筑,可使傳感器各部件的相對位置完全固定。
圖 5陣列傳感器及陣列放大濾波電路實物
非接觸式變徑檢測傳感器中的陣列TMR磁敏元件獲取的空間磁通微弱,包含著大量的無關噪聲信號,不利于管道變形特征的識別。為此,筆者設計了以SGM722為基礎的兩級放大RC濾波電路,剔除無關頻率的噪聲信號,提高缺陷響應信號的信噪比。陣列放大濾波電路如圖5（b）所示。
將傳感器周向陣列布置,采用電子系統進行數據采集、存儲、導出,電子系統和里程輪實物如圖6所示。10個陣列布置的傳感器獲取的管道變徑量與兩路里程通道通過轉接電路進行數據轉換,并通過轉接盒傳輸至機芯中的數據采集存儲系統進行離線的數據存儲。當檢測完成后,通過高速USB2.0接口進行檢測數據的快速導出。
圖 6電子系統及里程輪實物
3. 變徑掃查試驗
3.1 試驗制備
（1）變徑試件加工
采用機械加工的方式制作模擬管道變徑試件,材料為低碳鋼,含有變徑的平板試件的設計圖及實物如圖7所示。其中試件一包含三個長均為100 mm,高度分別為17.5,12.0,7.0 mm的凸起,模擬長度相同、高度不同的管道變徑缺陷。試件二包含兩個高度均為17 mm,長度分別為80 ,90 mm的凸起,模擬高度相同、長度不同的管道變徑缺陷。
圖 7含有變徑的平板試件的設計圖及實物
（2）探頭動態掃查試驗平臺
三軸動態掃查試驗平臺及探頭夾持機構如圖8所示。該掃查試驗平臺由滑動連接機構、支撐型材架、控制器、聯動板等組成,可以實現x,y,z三軸的聯動。滑動連接機構的絲杠型號均為FBL60,行程分別為1 500,900,300 mm。絲杠通過套筒與左連接板和固定板相連接,聯軸器一端與絲杠相連接,另一端通過套筒與步進電機相連接。套筒能有效增加絲杠與左連接板和固定板的穩定性。步進電機的型號為FM5756SFD04,適配驅動器型號為FMDD50D40NOM,步進電機與外接電源相連接,空載運行速度最快可達930 mm·s−1,滿載運行速度可達500 mm·s−1,模組精度達0.02 mm。通過AMC4030三軸運動控制器實現三軸滑臺的自動運動控制。
圖 8三軸動態掃查試驗平臺及探頭夾持機構結構示意
探頭夾持機構由控制機構和夾具組成,控制機構包括工字型連接板、滑桿、固定底板、搖桿等。可以通過旋轉搖桿完成兩側夾板的相對運動,實現待測試探頭的鎖緊。開展試驗時,探頭在夾持機構的帶動下勻速運行,模擬內檢測器在管道內的軸向運動。
3.2 變徑掃查結果與分析
設置探頭與管壁的間距為25 mm,模擬內檢測器在管道內運行時的非接觸式檢測。在試驗臺夾持機構的帶動下對變徑試件進行動態掃查,通過集成的電子系統實現檢測數據的在線采集、離線存儲和數據導出。
圓弧形變形區域的掃查信號如圖9所示。整體來看,當探頭掃查至圓弧形變形區域時,信號產生畸變,表現出“增加-峰值-減小”的變化規律,呈現“凸”字形的山峰狀分布。當探頭處于圓弧的正上方區域時,采集到的電壓信號出現最大值。這是由于探頭處于此位置時,線圈的勵磁場引起了試件表面磁疇的有序偏轉,感應出強大的磁化磁場Hm,其對線圈衍生的交變勵磁場具有顯著的增強作用。同時,變形引起的電壓變化量ΔV與空間復合磁場變化量ΔB呈正相關,導致信號出現了預期的“凸”字分布規律,并且隨著凸起高度D的增加,信號畸變的程度愈加明顯。
圖 9圓弧形變形區域的掃查信號
原始信號如圖9（a）,（b）所示,可見當凸起長度L固定為100 mm,高度D依次為7,12,17.5 mm時,輸出電壓的最大變化量ΔVmax依次改變為 0.06,0.16,0.39 V,凸起高度D的變化引起了輸出電壓的顯著畸變。
對原始信號進行包絡、提取后的變形響應信號如圖9（c）,（d）所示,當凸起高度D固定為17 mm,長度依次變化為80 mm和90 mm時,輸出電壓的最大變化量ΔVmax分別為0.413 V和0.402 V,相差2.66%,可見當凸起高度相同,長度由80 mm改變至90 mm時,對于ΔVmax的影響不大。同時,計算可以得到畸變信號的長度L´分別為102.69 mm和114.82 mm,可見畸變信號的長度會大于變形缺陷的實際長度,這是由于線圈交變勵磁場覆蓋的區域大于線圈的實際尺寸,線圈在變形區域附近時與凸起產生了電磁耦合作用,故提前出現了變徑的響應信號。
該聚氨酯泡沫清管器的變形檢測探頭采用柔性支撐結構,單側支撐結構的最大壓縮量為30 mm,計算可得該清管器傳感系統的最大變形通過能力達110 mm,約為管道外徑的40.29%,管道外徑為273 mm。開展的傳感器動態測試試驗結果表明,集成的傳感系統變形檢測能力優于5 mm（1.83%的管道外徑）,滿足小口徑油氣管道大變形、高通過能力、高精度內檢測的實際需求。
4. 結論
介紹了基于電磁測距原理的非接觸式管道變形檢測技術,設計開發了高通過性泡沫變形內檢測裝備的機械支撐結構、傳感和集成電子系統。搭建了非接觸式動態掃查試驗平臺,對集成系統進行了動態掃查測試。結果表明,研制的電磁測距檢測探頭可以實現25 mm提離高度下的非接觸式變形檢測,其檢測閾值優于1.83%管道外徑。同時,聚氨酯泡沫清管器具備40%管道外徑的變形通過能力,滿足未知工況復雜管道的大變形管段檢測和定位的實際需求。
文章來源——材料與測試網