摘 要
基于管道电磁高速检测原理的“管道爬行器”是一种高速探伤装置, 专对地下油气输送管道在线检测, 检测的数据在其内经过放大、消噪声, 再通过多路复用和压缩编码等压缩后存入RAM 或Tape 中, 最后通过控制分析系统, 并经去压缩解码器恢复成检测图形曲线。研究证明, 高速检测系统能准确识别轴向和沿圆周8 等分区间缺陷位置及等级, 具有检测速度快、无漏检等特点。
关键词
油气输送管道 电磁在线检测 数据压缩 解码器 管道爬行器
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。