焦 泉，張仕民，李曉龍，王國超，梅旭濤

高精度管道通徑檢測器研制

焦 泉1，張仕民1，李曉龍1，王國超2，梅旭濤1

（1．中國石油大學（北京），北京102200；2．中油管道維搶修公司，河北廊坊065001）

針對現(xiàn)有的管道通徑檢測設備密封可靠性差、檢測精度低等問題，結合理論分析，設計了一種帶有4排檢測臂的通徑檢測器。其機械結構主要包括檢測臂的排布和芯片密封結構的設計；電路設計方面，選用高精度、非接觸式磁旋轉編碼芯片A S5145作為檢測元件，設計了基于C A N總線的數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)。采用非接觸的角度檢測方式，使檢測器的密封可靠性得到提高。理論分析表明：該通徑檢測器能檢測的管道最小徑向變形達1．27 mm，性能高于現(xiàn)有的通徑檢測產(chǎn)品。

高精度；通徑檢測器；磁旋轉編碼器

管道運輸是一種經(jīng)濟可靠的能源輸送方式，廣泛地應用于石油石化行業(yè)當中。據(jù)相關資料統(tǒng)計，截止到2010年，全國共有油氣管道7．5×104k m，預計到2015年可達15×104k m［1-2］。如此龐大數(shù)量的管道，在運行的過程中不可避免地會出現(xiàn)各種形式的損壞［3］。為了保證油氣管道的安全，很有必要定期對在役管道進行檢測。

油氣管道通徑檢測是指運用相應的設備對管道的變形情況進行檢測，它是一種很重要的管道檢測手段［4］。對于新建管線而言，通徑檢測能夠讓管道運營部門及時了解管道是否發(fā)生變形及相應程度等信息，是一種重要的管線質量測試及驗收的手段。對于已投產(chǎn)管線而言，管道的變形會降低油氣輸送效率和增加運行風險；變形嚴重時還會導致通過性較差的智能管道內(nèi)檢測設備在運行過程中發(fā)生嚴重卡死事故［5］。因此，在運行管道智能內(nèi)檢測設備前進行通徑檢測是十分有必要的。

早期的通徑檢測是通過在普通清管器上加裝通徑鋁盤的方式來實現(xiàn)的，通過通徑鋁盤的變形情況可以推斷出管道的變形情況［6］。這種檢測方式成本低廉，但檢測精度差且不能對變形的地點進行定位，已經(jīng)逐步淘汰。目前，電子通徑檢測設備已經(jīng)基本取代了鋁盤式通徑檢測設備。這些通徑檢測設備的原理基本相同：用周向布置的多根檢測臂取代原來的檢測鋁盤，并加入里程輪和電子記錄系統(tǒng)，電子記錄系統(tǒng)可以記錄管道變形情況及相應的位置。目前，國外有多家公司已經(jīng)生產(chǎn)出比較成熟的通徑檢測設備，而國內(nèi)的相關研究則剛起步［7］。本文設計了一種基于磁旋轉編碼技術的高精度通徑檢測設備，并對其測試精度進行了分析。

1　通徑檢測器基本結構及原理

通徑檢測器通常由骨架、檢測傳感器、檢測臂、皮碗、里程輪及防撞頭等部分組成（如圖1所示）。骨架一方面作為載體，用來安裝固定檢測器上的各種零部件；另一方面其內(nèi)部是密封艙體，可以安放電路板、電池等易損元件。檢測臂、定位彈簧和檢測傳感器組成變形檢測部分，共同完成對管道變形量的檢測。皮碗的外徑比管道的內(nèi)徑略大，可以隔絕通徑檢測器前后的流體，建立壓差，從而為檢測器提供前進的動力。里程輪可以即時測量出通徑檢測器的運行距離，也可以用來記錄管道發(fā)生變形的具體位置。防撞頭可由橡膠等彈性材料制成，為通徑檢測器提供緩沖保護，防止其因劇烈沖擊而損壞。

圖1　通徑檢測器結構

早期的通徑檢測設備中的核心檢測元件是通徑鋁盤，這種鋁盤比管道內(nèi)徑略小且呈齒狀（如圖2a所示）。檢測設備在管內(nèi)介質的壓力下向前運行，當遇到內(nèi)壁的凸起（變形、焊縫等）時，通徑鋁盤的圓齒會因和管壁撞擊而發(fā)生永久變形。取出檢測設備后，可以通過鋁盤上圓齒的變形情況來推斷出管道的最大變形量［8］。這種通徑檢測方法檢測精度低，且無法記錄發(fā)生變形的具體位置。

為了克服這些缺點，當前通徑清管設備用1圈或多圈周向布置的可動檢測臂取代了通徑鋁盤（例如美國Precision Pigging公司的通徑檢測器，如圖2b所示），并引入里程輪和相應的電子記錄系統(tǒng)。

圖2　2種通徑檢測元件

具體通徑檢測原理如圖3所示：在正常管段，由于彈簧拉力的作用，檢測臂的末端緊貼管道內(nèi)壁，檢測臂和骨架軸線之間的夾角θ保持不變；運行到變形管段時，檢測臂末端仍緊貼管道內(nèi)壁，夾角θ變化成θ1，檢測傳感器可以檢測出這種變化并由電子系統(tǒng)記錄下來；當通徑檢測器離開變形管段時，夾角θ恢復成初始大小并為進行下次變形檢測做好準備。檢測過程結束后，可以根據(jù)記錄的夾角θ及里程數(shù)據(jù)，計算出管道變形量的大小及相應的位置，配合可視化軟件還可以將管道的變形情況形象地展示出來。

圖3　通徑檢測原理

2　高精度通徑檢測器設計

2．1 整體結構設計

2．1．1 彎管通過性設計

設計通徑檢測器時，應該保證其能順利通過管道中的各種結構而不發(fā)生卡堵［9］。常見的管道結構有直管、彎管、三通、閥門等。其中，彎管對通過性的要求最為苛刻［10-11］。本文以?325 mm管道為例，對通徑檢測器進行了過彎性能設計。清管器過彎幾何模型如圖4所示。

圖4　通徑檢測器過彎幾何模型

該模型為檢測器在彎道發(fā)生卡堵的零界情況，在該條件下可以求解出允許的最大檢測器長度。由勾股定理可得

式中：D為管道外徑；R為彎管的曲率半徑；a為通徑檢測器的剛性骨架外徑；l為檢測器長度。

?325 mm管道的內(nèi)徑約為300 mm。根據(jù)能檢測最大20%徑向變形的要求，通徑檢測器骨架最粗的部分不超過240 mm，取a＝240 mm。在式（1）中代入技術參數(shù)D＝325 mm、R＝6D、a＝240 mm，計算得l＝1 138．9 mm。本文設計的通徑檢測器的長度不應該超過1 138．9 mm。

2．1．2 檢測臂的排布

為了保證檢測器的檢測精度，必須在骨架上布置盡可能多的檢測臂。由于空間尺寸的限制，無法在同一圓周方向排布過多的傳感器。因此，本文采用在骨架上均勻排布多排且每一排之間錯開一定角度的方式來布置傳感器。配合里程輪，可以通過一定的算法將每圈傳感器測到的數(shù)據(jù)最終擬合到同一個平面，可以成倍提高周向檢測精度。

傳感器沿骨架周向均勻排布，且骨架外徑最粗部分不超過240 mm。單個傳感器的底面是方形的，其尺寸為40 mm×32 mm，可以計算出在同一平面的圓周上最多只能排布16個傳感器。排布結果如圖5所示。

圖5　單排傳感器的布置情況

經(jīng)過調(diào)研，單個管道設備的長度通常不超過2D。本文設計的單排傳感器（包括環(huán)形固定架）厚度約為80 mm，在骨架上最多只能布置4排。布置的效果如圖6所示。

除了檢測臂外，在底部設計有3個里程輪，可對管道變形進行定位；兩端各安裝2片皮碗，為通徑檢測器的運行提供動力。該通徑檢測器的整體長度為635 mm，遠小于1 138．9 mm的極限長度，滿足過彎管的條件。

圖6　通徑檢測器三維設計

2．2 檢測單元

2．2．1 檢測芯片的選用

除了布置數(shù)量更多的傳感器外，選用高精度的角度檢測元件能夠提高每個檢測臂的檢測效果，也能提高通徑檢測器的精度。因此，選用合適的傳感器芯片十分重要。同時，由于管道中條件惡劣，需要將容易損壞的傳感器芯片密封起來，才能保證系統(tǒng)的可靠性。

本文選用奧地利A E公司的A S5145型磁旋轉編碼器作為本通徑檢測器的角度檢測元件。與其他角度檢測元件相比，磁旋轉編碼芯片具有精度高、體積小、非接觸式檢測等特點。非接觸式的特點使得檢測芯片更加容易被密封封裝。角度檢測方式如圖7所示，在磁旋轉編碼芯片的正上方一定高度放置1個徑向充磁的圓柱磁鐵。當磁鐵繞軸心轉動時，芯片可以檢測出相應的轉角并將信號通過引腳輸出到電子記錄系統(tǒng)。

圖7　磁旋轉編碼器檢測方式

2．2．2 芯片的密封方式

油氣管道中介質壓力大、環(huán)境惡劣，需要檢測芯片進行恰當?shù)拿芊夥庋b。磁旋轉編碼器屬于非接觸測量（如圖7所示），在磁鐵和芯片之間可以有非導磁材料間隔開，且不影響檢測結果。在保證芯片和磁鐵同心的幾何條件下，可以將芯片放在密封部件之內(nèi)，圓柱磁鐵作為傳感器的動元件放在密封部件之外。

通常，將通徑檢測設備中每個傳感器單獨密封［12］，密封成本高，且由于密封的位置太多而導致整體密封可靠性降低。本文提出了單個傳感器密封的新思路，將每一排的傳感芯片整體密封到1個腔體中，降低了密封的成本，提高了其可靠性。芯片密封結構如圖8所示。

圖8　芯片密封結構

圖8中的圓柱磁鐵與磁旋轉編碼芯片對應于圖5中的2個檢測元件。在檢測臂轉軸和芯片之間加了1對錐齒輪，改變了傳動方向。檢測臂的旋轉軸垂直于骨架軸線，轉動時通過1對錐齒輪驅動1個轉軸與骨架軸線平行的圓柱磁鐵轉動。由于1排傳感器的圓柱磁鐵轉軸都和骨架軸線平行，所以相應的磁旋轉編碼可以被放置在同一個環(huán)形的密閉空間內(nèi)，即如圖8所示的芯片密封艙。芯片密封艙由非導磁材料制成，磁鐵的轉動情況可以被艙內(nèi)同軸的A S5145芯片檢測出來，并通過一定的線路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮优搩?nèi)的記錄系統(tǒng)中。

里程的檢測也是通過磁旋轉編碼芯片實現(xiàn)的。由于里程輪的數(shù)量少，且空間尺寸比較分散，可以采用單個傳感器封裝的形式。

磁旋轉編碼器可以記錄里程輪的轉動圈數(shù)和當前轉角，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計算后可以得到相應的里程并存儲到記錄系統(tǒng)中。

2．3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)是通徑檢測器的“大腦”，主要是采集檢測傳感器和里程輪傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單處理后存儲起來。通徑檢測器運行完成后，可以通過上位機將存儲的數(shù)據(jù)讀出來，并運用一定的軟件進行后處理，分析出通徑檢測的結果。

通徑檢測器上的檢測傳感器的數(shù)量多達64個，難以找到有這么多路A／D采集通道的電子芯片。C A N總線技術是近些年新發(fā)展起來的一種串行通信技術。該技術通信協(xié)議簡單，傳輸可靠，最大理論通信節(jié)點可達128個［13］，適合應用于通徑儀的數(shù)據(jù)采集。通徑儀在運行的過程會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)采集的及時性，需要運用一種處理速度較快的芯片進行采集，D SP芯片是一種很好的選擇。

圖9　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結構

本文以DSP2812芯片為核心，通過C A N總線技術對檢測傳感器的數(shù)據(jù)進行采集。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結構如圖9所示。通徑檢測器上64個檢測傳感器及3個里程輪的數(shù)據(jù)通過C A N總線模塊采集到D SP2812芯片上。這些數(shù)據(jù)可存儲到Flash芯片當中，也可以直接通過串口輸出給上位機進行分析和處理。

3　檢測精度分析

檢測精度是通徑檢測器的重要參數(shù)，主要包括表征檢測臂在管道內(nèi)壁覆蓋程度的周向檢測精度、表征檢測管道徑向變形的徑向精度和表征檢測器沿管道運行的里程精度。

3．1 周向檢測精度

檢測器共有4排檢測臂，每排16個，故在?325 mm管道（內(nèi)徑為300 mm）內(nèi)壁上均勻布置有64根檢測臂，周向檢測精度為300×π／64＝14．72 mm。即管道內(nèi)壁上每14．72 mm布置有1個檢測傳感器。周向檢測精度為14．72 mm遠小于常見的管道變形缺陷。

3．2 徑向檢測精度

通徑檢測器的徑向檢測精度與選用檢測芯片的檢測精度和傳感器的幾何結構有關。根據(jù)設計的傳感器結構建立如圖10所示的幾何模型。

圖10　檢測傳感器幾何模型

在該幾何模型中，θ為檢測臂的初始位置，h為擺臂的初始高度，擺臂的長度為r，芯片的檢測精度為Δθ。當擺臂偏轉Δθ后，擺臂末端的高度變化Δh即為通徑檢測器的理論徑向檢測精度（不考慮檢測臂的磨損和由撞擊產(chǎn)生的振動）。設計的傳感器的幾何參數(shù)為h＝50 mm，r＝71 mm；查閱磁旋轉編碼芯片的說明書可得Δθ＝1.4°，可計算得到Δh＝1．25 mm，即徑檢測器的理論徑向檢測精度為1．25 mm。

3．3 里程精度

磁旋轉芯片直接測量里程輪轉軸的轉動角度，所以在理想情況下（不考慮打滑、里程輪脫離管壁），里程檢測精度與芯片的精度成正比，即

式中：ΔS為里程檢測精度；r為里程輪半徑；Δθ為芯片檢測精度。

將r＝30 mm、Δθ＝1．4°帶入式（2），可得里程檢測精度ΔS＝0．73 mm。由于實際運行過程中存在振動、打滑等問題，實際里程檢測精度要大于0．73 mm。

由于采用了高精度的磁旋轉編碼芯片，本文設計的通徑檢測器具有比同類產(chǎn)品更高的檢測精度。其能檢測到的徑向方向最小變形可達1．25 mm，遠小于其他同類產(chǎn)品檢測5%管道徑向［14］變形的性能要求。多排檢測臂的結構使檢測器的周向檢測精度能達到普通檢測設備的數(shù)倍。

4　結語

由于采用多排檢測臂的結構設計和選用了精度較高的磁旋轉編碼器，本文設計的通徑檢測器比目前的同類產(chǎn)品的精度要高一些。該通徑檢測器不僅可以檢測管道的變形，還可以檢測一些管壁內(nèi)缺陷、焊縫以及大的裂紋，具備了部分智能管道檢測設備的功能。隨著國內(nèi)運行管線的大量“老齡化”以及對安全生產(chǎn)要求的不斷提高，管道檢測作業(yè)將會越來越普遍，這種兼具普通通徑檢測器和部分智能檢測功能的產(chǎn)品可以提供精確的檢測數(shù)據(jù)，甚至可以在某些場合取代智能檢測設備，簡化管道檢測流程，必將具有廣闊的市場前景。

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Develop ment of High Precision Pipeline Caliper

JIAO Quan1，ZHANG Shimin1，LI Xiaolong1，WANG Guochao2，M EI Xutao1
（1.China Uniuersity of Petroleu m，Beijing102200，China；2.M aintenance Branch of China Petroleu m Pipeline Bureau，Langfang065001，China）

To solve the problem of poor sealing reliability and low inspecting precision in existing pipeline caliper，a new kind of caliper with four rows of inspection arms is developed on the basis of theoretical analysis．T he design includes mechanical structure and hard ware electrocircuit．T he mechanical structure design mainly consists of sealing structure and configuration of inspection arms．As for hardware electrocircuit design，a non-contacting high precision magnetic rotary encoder chip named A S5145 is chosen as inspecting element，data acquisition and storage system based on C A N busis also designed．Due to non-contacting inspecting of angle，the sealing reliability is higher than before．T heoretical analysis shows that inspecting resolution of radial deformation is 1．27 mm，w hich is higher than that of similar products．

high precision；caliper；magnetic rotary encoder

T E973．6

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．016

1001-3482（2015）01-0063-06

2014-07-14

焦 泉（1989-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事油氣管道智能裝備的研究，E-mail：jiaoquan820＠163．co m。