李曉龍 陳金忠 馬義來(lái) 何仁洋 孟 濤 辛佳興 余紅杰

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 3.川慶鉆探工程有限公司川西分公司)

0 引 言

管道作為石油天然氣運(yùn)輸有效而便捷的方式，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，管道建設(shè)量與日俱增，但管道安全事故時(shí)有發(fā)生，管道安全問題越發(fā)受到各界人士的關(guān)注。管道檢測(cè)對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)重大安全隱患、避免事故發(fā)生具有重要意義。目前，最高效、可靠的檢測(cè)方式為管道內(nèi)檢測(cè)。內(nèi)檢測(cè)工藝包括管道清管作業(yè)、變形檢測(cè)作業(yè)、金屬腐蝕智能檢測(cè)以及管道中心線路由檢測(cè)[2-7]。管道變形檢測(cè)主要應(yīng)用于兩個(gè)階段：一是新建管道的變形基線檢測(cè)，這樣可以有效排除新建管線在施工建設(shè)構(gòu)成中引起的重大變形損傷等；二是已投產(chǎn)管線的變形檢測(cè)，這樣對(duì)于檢測(cè)管道因自然災(zāi)害或第三方施工等因素引起的管道變形等缺陷具有重要意義。變形檢測(cè)作為金屬漏磁檢測(cè)前的重要環(huán)節(jié)，可為漏磁檢測(cè)器的通過性提供保障[8]。綜上所述，變形檢測(cè)技術(shù)對(duì)于保障油氣管道安全具有重要意義。

1 管道變形復(fù)合檢測(cè)技術(shù)

變形檢測(cè)器大致可分為3種：第一種為鋁盤式變形檢測(cè)器，這類檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通過性好，缺點(diǎn)是僅能記錄最大變形量，且測(cè)量精度較低。該種檢測(cè)器因通過性高、風(fēng)險(xiǎn)小和成本低仍被廣泛應(yīng)用于內(nèi)檢測(cè)工作過程。第二種為角編碼式多通道變形檢測(cè)器，該類檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是徑向檢測(cè)精度高、通過性好，缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高。該種檢測(cè)器因高檢測(cè)精度、高通過性，已經(jīng)成為管道變形檢測(cè)中最常用的一類變形檢測(cè)器。第三種為應(yīng)變式變形檢測(cè)器，這種檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通過性高，但該技術(shù)還未真正投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[2]。本文基于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合霍爾效應(yīng)，提出一種新型變形檢測(cè)復(fù)合技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的角編碼變形檢測(cè)技術(shù)，可極大地提高環(huán)向檢測(cè)精度。

1.1 磁編碼檢測(cè)技術(shù)

磁編碼檢測(cè)技術(shù)的基本原理基于霍爾效應(yīng)，即旋轉(zhuǎn)磁鐵在芯片內(nèi)部產(chǎn)生變化電動(dòng)勢(shì)，磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)角度與電動(dòng)勢(shì)呈線性關(guān)系。檢測(cè)臂系統(tǒng)包含檢測(cè)臂、殼體、霍爾傳感器、彈簧和徑向磁鐵等。霍爾傳感器安裝于密封殼體內(nèi)，以適應(yīng)外部高壓環(huán)境。徑向磁鐵固定于檢測(cè)臂中心軸上，并置于霍爾傳感器端面一側(cè)，為霍爾傳感器提供徑向變化磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)角度記錄，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁編碼檢測(cè)臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of magnetic encoding detection arm

在正常檢測(cè)過程中，檢測(cè)臂在彈簧預(yù)緊力的作用下與管壁直接接觸，當(dāng)檢測(cè)臂劃過管道變形缺陷時(shí)，檢測(cè)臂隨之發(fā)生擺動(dòng)，磁編碼傳感器記錄檢測(cè)臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度，根據(jù)相應(yīng)幾何關(guān)系即可求得變形缺陷輪廓高度，如圖2所示。

圖2 磁編碼檢測(cè)臂變形缺陷檢測(cè)示意圖Fig.2 Schematic detection of the deformation defect of magnetic encoding detection arm

Δh=lcosα-lcos(α+Δα)

(1)

式中：α為檢測(cè)臂初始角度，l為檢測(cè)臂長(zhǎng)度，Δα為檢測(cè)臂擺動(dòng)角度。

1.2 脈沖渦流變形檢測(cè)技術(shù)

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)可分為場(chǎng)量測(cè)量法和阻抗分析法。近年來(lái)，基于場(chǎng)量測(cè)量法的渦流檢測(cè)技術(shù)隨著高靈敏度、大線性范圍傳感器的產(chǎn)生而得到廣泛應(yīng)用[9-11]。本文的變形檢測(cè)即基于脈沖渦流測(cè)距原理。脈沖渦流測(cè)距原理如圖3所示。被測(cè)元件為金屬板模型，將激勵(lì)線圈中頻率恒定的脈沖電壓信號(hào)作為激勵(lì)源。假設(shè)線圈與被測(cè)金屬板的距離為S，金屬板的厚度為d，相對(duì)磁導(dǎo)率為ur，電導(dǎo)率為σ，滲透深度不超過金屬板厚度d，則該金屬板表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

圖3 脈沖渦流測(cè)距原理示意圖Fig.3 Schematic principle of pulsed eddy current ranging

(2)

當(dāng)提離高度為S時(shí)，激勵(lì)線圈在金屬板表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1s為：

(3)

金屬板表面產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)可用傅里葉微分形式表示如下：

(4)

式(4)中的系數(shù)Ai表示如下：

(5)

(6)

其中λ、k、B、Q分別表示如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

Q=eλt0(λ+μrk)2-e-λt0(λ-μrk)2

(11)

根據(jù)以上理論分析，已知激勵(lì)參數(shù)、位移量S、金屬板材料屬性等，就可以對(duì)復(fù)合磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行定量計(jì)算。

2 復(fù)合變形內(nèi)檢測(cè)器方案設(shè)計(jì)

本文提出的復(fù)合變形檢測(cè)技術(shù)，在繼續(xù)沿用磁旋轉(zhuǎn)編碼檢測(cè)技術(shù)的同時(shí)還集成了脈沖渦流變形檢測(cè)技術(shù)，在檢測(cè)精度和通過性方面比傳統(tǒng)磁旋轉(zhuǎn)編碼技術(shù)均有一定程度的提高。

復(fù)合變形檢測(cè)技術(shù)如圖4所示。新型復(fù)合變形檢測(cè)傳感器上分別安裝有磁旋轉(zhuǎn)編碼器和脈沖渦流變形檢測(cè)傳感器。磁旋轉(zhuǎn)編碼器可實(shí)現(xiàn)同一處管道變形極大值點(diǎn)的測(cè)量，而脈沖渦流傳感芯片因其尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，同一傳感器可陣列分布多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，極大地提高了管道環(huán)向檢測(cè)精度，為實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)表面形貌重構(gòu)提供了條件。此外，渦流檢測(cè)允許一定提離值的存在，進(jìn)一步提高了檢測(cè)器的通過能力。圖4中的S1、S2和S3為傳感器到變形管道表面的距離。

圖4 復(fù)合變形檢測(cè)示意圖Fig.4 Sketch of composite deformation detection

2.1 檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)

新型復(fù)合變形檢測(cè)傳感器主要包括脈沖渦流檢測(cè)模塊和磁旋轉(zhuǎn)編碼檢測(cè)模塊，如圖5所示。其中，脈沖渦流檢測(cè)模塊包括脈沖渦流激勵(lì)單元、復(fù)合磁場(chǎng)檢測(cè)單元、四桿機(jī)構(gòu)和保護(hù)殼等。激勵(lì)單元為線圈提供一定頻率的激勵(lì)電流，進(jìn)而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。復(fù)合磁場(chǎng)檢測(cè)單元主要包括磁通隧道式芯片、放大電路和濾波電路，可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)。保護(hù)殼保證了電路系統(tǒng)在高壓環(huán)境中正常運(yùn)行。四桿機(jī)構(gòu)使渦流檢測(cè)傳感器始終與管壁平行，保證了徑向檢測(cè)精度。磁旋轉(zhuǎn)編碼檢測(cè)模塊包括霍爾芯片、磁旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、徑向磁鐵和保護(hù)殼等。霍爾芯片用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小。磁旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)保證檢測(cè)臂擺動(dòng)的同時(shí)，徑向磁鐵與霍爾元件有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。徑向磁鐵為霍爾元件提供旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。以上結(jié)構(gòu)均安裝于底座上，保證了檢測(cè)精度。

1—底座；2—徑向磁鐵；3—四桿機(jī)構(gòu)；4—保護(hù)殼；5—脈沖渦流激勵(lì)單元；6—復(fù)合磁場(chǎng)檢測(cè)單元；7—扭矩彈簧。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

以?273 mm油氣管道為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了復(fù)合變形檢測(cè)器整體結(jié)構(gòu)方案，如圖6所示。檢測(cè)器包括傳感器單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源模塊和骨架等，方案設(shè)計(jì)包括頻率設(shè)計(jì)和傳感器分布。

圖6 油氣管道復(fù)合變形內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)方案Fig.6 Structure scheme of composite in-line detector for oil and gas pipeline deformation

2.2.1 頻率設(shè)計(jì)

渦流檢測(cè)頻率對(duì)檢測(cè)精度具有直接影響。按頻率大小，可分為高頻渦流檢測(cè)法和低頻渦流檢測(cè)法，高頻渦流檢測(cè)法集膚效應(yīng)明顯，近表面缺陷檢測(cè)效果好，但頻率越高，傳播衰減越大，傳播距離短。低頻渦流檢測(cè)法頻率低，集膚效應(yīng)影響小，傳播距離長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)的渦流變形檢測(cè)傳感器對(duì)提離值要求較高，因此應(yīng)該優(yōu)先采用低頻檢測(cè)方法，本文采用400 Hz進(jìn)行研究[12-13]。

2.2.2 傳感器分布

以?508 mm油氣管道為研究對(duì)象。現(xiàn)國(guó)內(nèi)通用變形檢測(cè)器最大通過能力為15%，本文按20%設(shè)定。綜合考慮彎道通過能力和傳感器安裝高度等要求，設(shè)計(jì)變形檢測(cè)器骨架直徑為208 mm。油氣管道復(fù)合變形內(nèi)檢測(cè)器可布置22個(gè)。每個(gè)探頭可布置1個(gè)磁編碼傳感器，3個(gè)渦流傳感器，因此環(huán)向檢測(cè)精度為23 mm[14]。

3 提離值對(duì)復(fù)合磁場(chǎng)強(qiáng)度影響

3.1 模型及參數(shù)

管道內(nèi)表面變形主要通過檢測(cè)復(fù)合磁場(chǎng)特征量變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量。下面基于場(chǎng)量測(cè)量法，建立單線圈仿真模型。當(dāng)管道曲率半徑較大時(shí)，可用平板模型代替曲率管道模型進(jìn)行數(shù)值模擬，這對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小[15-17]，因此建立如圖7所示仿真模型。

圖7 單線圈脈沖渦流測(cè)距仿真示意圖Fig.7 Schematic simulation of unicoil pulsed eddy current ranging

設(shè)管材為低碳鋼，電導(dǎo)率為2×106S/m，激勵(lì)電壓為1 V，頻率為400 Hz。仿真線圈參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真線圈參數(shù)Table 1 Simulation coil parameters

脈沖渦流信號(hào)特征值有波峰值、波谷值和過零值等，考慮材料鐵磁性及信號(hào)復(fù)制，本文選用波峰值作為磁場(chǎng)強(qiáng)度特征信號(hào)來(lái)表征變形量的變化。數(shù)值模擬過程中，設(shè)定激勵(lì)線圈與檢測(cè)元件距離為2 mm，調(diào)整線圈與待測(cè)平板的提離值分別為2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0、15.0、16.0、17.0、18.0和19.0 mm。

3.2 結(jié)果及分析

圖8所示為求解路徑L1上各點(diǎn)峰值時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值信號(hào)值。從圖8可以得出，在求解路徑上，各點(diǎn)峰值時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值信號(hào)值均隨著提離值的增大而減小。但不同位置信號(hào)值變化量不同，變化量大致沿線圈軸線對(duì)稱分布，且隨著距離激勵(lì)線圈軸線相對(duì)距離越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨提離值變化量逐漸減小。提離值對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量的影響大致可分為3個(gè)區(qū)域，其中兩側(cè)為線圈邊緣區(qū)，中間為線圈中心區(qū)，線圈邊緣區(qū)提離值對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)小于線圈中心區(qū)。產(chǎn)生這類現(xiàn)象的主要原因是鐵磁性材料的磁導(dǎo)率較大，材料分子的磁疇磁化作用明顯，線圈中心區(qū)域的一次磁場(chǎng)更強(qiáng)，線圈與被測(cè)鐵磁性材料的耦合作用更強(qiáng)。

圖8 求解路徑L1各點(diǎn)峰值時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值信號(hào)值Fig.8 Peak magnetic induction intensity at each peak time of solution path L1

為研究線圈中心區(qū)域不同位置提離值對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，在線圈中心區(qū)域求解路徑L上不同位置選取6個(gè)點(diǎn)，分別與線圈中心線距離0.0、1.5、3.0、4.5、6.0和7.5 mm。各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值信號(hào)隨提離值的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知，各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值大小隨提離值的增大而減小。此外，在同一提離值下，距離線圈中心軸線越近，磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值信號(hào)越大。但隨著距離中心軸線的距離減小，在相同提離值下，測(cè)量位置對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響相對(duì)較小。根據(jù)該特性，在線圈中心區(qū)域，提離值對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響相對(duì)較小，因此應(yīng)優(yōu)先將檢測(cè)元件布置于線圈中心區(qū)域。

圖9 線圈中心區(qū)域不同位置提離值對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響Fig.9 Influence of the lift-off value at different positions of coil center area on the magnetic induction intensity

4 脈沖渦流測(cè)距試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證脈沖渦流變形檢測(cè)的可行性及可靠性，搭建了如圖10所示的試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括信號(hào)發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、激勵(lì)模塊、磁性檢測(cè)元件、上位機(jī)軟件和檢測(cè)平板等[18-20]。

圖10 脈沖渦流變形檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.10 Experimental system of pulsed eddy current deformation detection

設(shè)置線圈內(nèi)徑5 mm，外徑10 mm，匝數(shù)100，線徑0.4 mm，激勵(lì)電壓頻率500 Hz，檢測(cè)平板厚度7 mm，材料45#鋼。改變激勵(lì)電壓，在不同提離值下，提取傳感器的輸出峰值信號(hào)。

4.2 結(jié)果及討論

不同激勵(lì)電壓下傳感器輸出峰值隨提離值的變化曲線如圖11所示。在激勵(lì)電壓恒定條件下，傳感器電壓峰值隨提離值的增大逐漸減小。但當(dāng)提離值達(dá)到一定程度時(shí)，傳感器電壓信號(hào)隨提離值變化很小且趨于穩(wěn)定。當(dāng)提離值恒定時(shí)，傳感器電壓峰值隨激勵(lì)電壓的增大逐漸增大。當(dāng)激勵(lì)電壓小于0.8 V時(shí)，傳感器電壓隨提離值變化較大。

圖11 不同激勵(lì)電壓下傳感器輸出峰值隨提離值的變化曲線Fig.11 Variation of the peak sensor output with the lift-off value at different excitation voltages

當(dāng)激勵(lì)電壓為1.0、1.2和1.4 V時(shí)，提離值變化10 mm時(shí)，傳感器輸出的峰值信號(hào)變化較小；當(dāng)激勵(lì)電壓為0.6、0.7和0.8 V時(shí)，傳感器輸出電壓峰值隨提離值變化較大，并且變化量較均勻；激勵(lì)電壓為0.5和0.6 V時(shí)，傳感器輸出電壓峰值隨提離值變化先大后小的趨勢(shì)更加明顯，當(dāng)提離值大于5 mm時(shí)，不利于傳感器對(duì)提離值變化的檢測(cè)。

綜上所述，當(dāng)激勵(lì)電壓為0.6、0.7和0.8 V時(shí)，渦流變形檢測(cè)傳感器對(duì)于提離值的檢測(cè)效果更好。

5 結(jié) 論

(1)基于脈沖渦流測(cè)距原理及霍爾效應(yīng)，研究了油氣管道復(fù)合變形內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，并試制了復(fù)合變形檢測(cè)探頭，設(shè)計(jì)出新型油氣管道變形內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)方案，可有效提高變形檢測(cè)器環(huán)向檢測(cè)精度。

(2)采用數(shù)值模擬方法研究了提離值對(duì)復(fù)合磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，用搭建的脈沖渦流變形檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)脈沖渦流變形檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：求解路徑下峰值時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與變形量成正比；線圈中心區(qū)域測(cè)量位置對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響相對(duì)較小，因此應(yīng)優(yōu)先將傳感器檢測(cè)元件布置于線圈中心區(qū)域；激勵(lì)電壓一定，傳感器電壓峰值信號(hào)隨提離值的增大逐漸減小,但當(dāng)提離值大于某一值時(shí)，傳感器電壓信號(hào)隨提離值的變化很小且趨于穩(wěn)定，當(dāng)提離值一定時(shí)，傳感器電壓峰值信號(hào)隨激勵(lì)電壓的增大而逐漸增大。

(3)研究結(jié)果對(duì)于油氣管道變形內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。