管道主要用于石油天然氣輸送,是“國(guó)家生命線工程”。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)的長(zhǎng)輸管道達(dá)到166×103 km。油氣介質(zhì)易燃、易爆、有毒,一旦發(fā)生安全事故將直接威脅國(guó)家能源和公共安全。定期檢驗(yàn)檢測(cè)是預(yù)防事故發(fā)生的有效方法,國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布的《關(guān)于規(guī)范和推進(jìn)油氣輸送管道法定檢驗(yàn)工作的通知》中明確要求：油氣長(zhǎng)輸管線根據(jù)服役期不同需在3~5 a的周期內(nèi)強(qiáng)制進(jìn)行全面的法定檢測(cè)檢驗(yàn)。當(dāng)前,管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)具有高效、連續(xù)、不受服役環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn),是國(guó)內(nèi)外保障和維護(hù)管道安全運(yùn)行的有效手段[1-3]。 

近年來(lái),我國(guó)企事業(yè)單位、高等院校在“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”、“國(guó)家重大儀器專項(xiàng)”等科技項(xiàng)目的支撐下,開展了油氣管道的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究與裝備的攻關(guān)。目前成熟應(yīng)用的管道擺臂、漏磁、渦流等檢測(cè)設(shè)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(zhǎng)、工作環(huán)境復(fù)雜、輸送介質(zhì)雜質(zhì)多,實(shí)施管道內(nèi)檢測(cè)時(shí)存在巨大的卡堵風(fēng)險(xiǎn)[8]。 

近年來(lái),為了實(shí)現(xiàn)高越障通過(guò)能力下的管道變徑缺陷的定位與識(shí)別,一些學(xué)者開展了相關(guān)研究。RAMELLA等[9-10]開發(fā)了一種公稱直徑為300 mm的卡尺式聚氨酯泡沫測(cè)徑內(nèi)檢測(cè)新裝備,實(shí)現(xiàn)了管體變徑和腐蝕缺陷的有效檢出,但該接觸式檢測(cè)技術(shù)存在內(nèi)壁劃傷和數(shù)據(jù)失真的潛在風(fēng)險(xiǎn)。熊毅等[11]提出了內(nèi)嵌懸臂梁式力傳感器檢測(cè)管道大變徑的設(shè)計(jì)方案,以聚氨酯泡沫為載體,通過(guò)力傳感器記錄聚氨酯泡沫受到的擠壓力來(lái)獲取管道變形量。王宇楠等[12]提出利用內(nèi)嵌磁鐵和霍爾元件獲取管體變徑引起的磁場(chǎng)變化量的設(shè)計(jì)方案。李曉龍等提出了電磁測(cè)距與探臂結(jié)合的管道復(fù)合變形檢測(cè)技術(shù),提高了檢測(cè)器的周向檢測(cè)精度。 

在上述研究基礎(chǔ)上,筆者結(jié)合傳統(tǒng)的電磁測(cè)距與泡沫清管兩種技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了高通過(guò)性油氣管道變徑檢測(cè)清管器,搭建了三軸動(dòng)態(tài)掃查試驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)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(tǒng)的性能測(cè)試。 

1.   非接觸式變徑檢測(cè)原理

電磁測(cè)距檢測(cè)原理如圖1所示,勵(lì)磁線圈在交變電流信號(hào)的激勵(lì)作用下產(chǎn)生勵(lì)磁場(chǎng),磁通密度為Be。當(dāng)管道不存在缺陷時(shí),試件表面渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)為B1,衍生的磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度為B2,空間中的復(fù)合磁場(chǎng)強(qiáng)度Bt是此三種磁場(chǎng)的矢量疊加。當(dāng)管道存在變徑缺陷時(shí),管道內(nèi)壁與勵(lì)磁線圈間等效距離由d改變?yōu)?/span>d´,磁化磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)分別改變?yōu)?/span>B2´和B1´,空間中的復(fù)合磁通疊加信號(hào)改變?yōu)?/span>Bt´,空間磁場(chǎng)信號(hào)的畸變量ΔBt是管道變形量的非線性映射。 

圖  1  電磁測(cè)距檢測(cè)原理示意

電磁測(cè)距檢測(cè)探頭中的磁傳感器可以將空間中的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)。具體而言,當(dāng)被測(cè)管道不含變徑缺陷時(shí),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(dāng)內(nèi)檢測(cè)器通過(guò)管道變形區(qū)域時(shí),管壁產(chǎn)生內(nèi)凹,探頭與管壁間的距離變化為d1,輸出電壓值產(chǎn)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(cè)器系統(tǒng)

2.1   機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械式、聚氨酯泡沫式清管器（見圖2）具有高通過(guò)性的優(yōu)勢(shì),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(guò)性油氣管道泡沫變徑內(nèi)檢測(cè)裝備三維結(jié)構(gòu),主要包含：里程輪、轉(zhuǎn)接盒、陣列布置傳感器、聚氨酯泡沫、法蘭盤、密封艙體、檢測(cè)器骨架等。 

圖  2  機(jī)械式及聚氨酯泡沫式清管器實(shí)物

圖  3  泡沫變徑內(nèi)檢測(cè)器三維結(jié)構(gòu)示意

裝備結(jié)構(gòu)中,里程輪由機(jī)械結(jié)構(gòu)和里程傳感器組成,機(jī)械輪滾動(dòng)帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)使磁場(chǎng)產(chǎn)生周期性的變化并被磁性角度傳感器捕獲,以此來(lái)記錄內(nèi)檢測(cè)器的運(yùn)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(chǎng)角度成正弦和余弦關(guān)系的電壓信號(hào),輸出信號(hào)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(hào)放大與處理電路。同時(shí),TMR（隧道磁阻）惠斯通電橋結(jié)構(gòu)有效補(bǔ)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(zhǎng)×寬×高）,滿足清管器在管道高速運(yùn)行時(shí)的高精度里程記錄需求。 

轉(zhuǎn)接盒包括轉(zhuǎn)接電路及機(jī)械外殼,負(fù)責(zé)將陣列傳感系統(tǒng)感知的管道缺陷信息匯總并輸入至機(jī)芯進(jìn)行采集和存儲(chǔ)；陣列布置的傳感器可以實(shí)時(shí)記錄管道的真實(shí)變徑量并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸；聚氨酯泡沫具有抗拉強(qiáng)度高、可壓縮、耐磨、耐油等特點(diǎn),在提供內(nèi)檢測(cè)器驅(qū)動(dòng)力的同時(shí),具有較高的變徑通過(guò)能力；法蘭盤可以對(duì)檢測(cè)器的艙體進(jìn)行密封,為電子系統(tǒng)及電源提供保護(hù)；密封艙體為電子系統(tǒng)和電源提供剛性支撐；檢測(cè)器骨架可以將電子系統(tǒng)及機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行集成。 

2.2   傳感及電子系統(tǒng)開發(fā)

高通過(guò)性泡沫清管器的控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示,其核心采用STM32H7型微控制器。正弦信號(hào)波形激發(fā)通過(guò)DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換）模塊配合運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn),確保激勵(lì)信號(hào)的精準(zhǔn)輸出。選用mpu6050型陀螺儀提供高穩(wěn)定性姿態(tài)數(shù)據(jù)。里程輪采用磁編碼芯片,精確記錄行走距離。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)利用STM32H7的SDIO（全數(shù)字輸入輸出接口）功能實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)導(dǎo)出則通過(guò)USB2.0芯片實(shí)現(xiàn),實(shí)測(cè)速度超過(guò)30 m·s−1。電子系統(tǒng)協(xié)同工作,能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的高精度控制和數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、導(dǎo)出的需求。 

圖  4  高通過(guò)性管道變徑清管器的控制系統(tǒng)架構(gòu)

高通過(guò)性變徑檢測(cè)探頭及陣列調(diào)理電路實(shí)物如圖5所示。非接觸式變徑檢測(cè)傳感器主要包括：激勵(lì)線圈、TMR磁敏元件、PCB電路板、線圈骨架、封裝外殼、支撐結(jié)構(gòu)等[見圖5（a）]。激勵(lì)線圈由漆包線纏繞制成,在電流型信號(hào)發(fā)生模塊的激勵(lì)作用下,產(chǎn)生交變勵(lì)磁場(chǎng)。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(chǎng)強(qiáng)度改變,用于提取空間中的復(fù)合磁通信號(hào),并將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。PCB電路板上預(yù)留了焊盤位置,起到固定TMR線性傳感器的作用。骨架是激勵(lì)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(duì)探頭整體進(jìn)行澆筑,可使傳感器各部件的相對(duì)位置完全固定。 

圖  5  陣列傳感器及陣列放大濾波電路實(shí)物

非接觸式變徑檢測(cè)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(wú)關(guān)噪聲信號(hào),不利于管道變形特征的識(shí)別。為此,筆者設(shè)計(jì)了以SGM722為基礎(chǔ)的兩級(jí)放大RC濾波電路,剔除無(wú)關(guān)頻率的噪聲信號(hào),提高缺陷響應(yīng)信號(hào)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(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、導(dǎo)出,電子系統(tǒng)和里程輪實(shí)物如圖6所示。10個(gè)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(guò)轉(zhuǎn)接電路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并通過(guò)轉(zhuǎn)接盒傳輸至機(jī)芯中的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行離線的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)檢測(cè)完成后,通過(guò)高速USB2.0接口進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的快速導(dǎo)出。 

圖  6  電子系統(tǒng)及里程輪實(shí)物

3.   變徑掃查試驗(yàn)

3.1   試驗(yàn)制備

（1）變徑試件加工 

采用機(jī)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(shè)計(jì)圖及實(shí)物如圖7所示。其中試件一包含三個(gè)長(zhǎng)均為100 mm,高度分別為17.5,12.0,7.0 mm的凸起,模擬長(zhǎng)度相同、高度不同的管道變徑缺陷。試件二包含兩個(gè)高度均為17 mm,長(zhǎng)度分別為80 ,90 mm的凸起,模擬高度相同、長(zhǎng)度不同的管道變徑缺陷。 

圖  7  含有變徑的平板試件的設(shè)計(jì)圖及實(shí)物

（2）探頭動(dòng)態(tài)掃查試驗(yàn)平臺(tái) 

三軸動(dòng)態(tài)掃查試驗(yàn)平臺(tái)及探頭夾持機(jī)構(gòu)如圖8所示。該掃查試驗(yàn)平臺(tái)由滑動(dòng)連接機(jī)構(gòu)、支撐型材架、控制器、聯(lián)動(dòng)板等組成,可以實(shí)現(xiàn)x,y,z三軸的聯(lián)動(dòng)。滑動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的絲杠型號(hào)均為FBL60,行程分別為1 500,900,300 mm。絲杠通過(guò)套筒與左連接板和固定板相連接,聯(lián)軸器一端與絲杠相連接,另一端通過(guò)套筒與步進(jìn)電機(jī)相連接。套筒能有效增加絲杠與左連接板和固定板的穩(wěn)定性。步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為FM5756SFD04,適配驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為FMDD50D40NOM,步進(jìn)電機(jī)與外接電源相連接,空載運(yùn)行速度最快可達(dá)930 mm·s−1,滿載運(yùn)行速度可達(dá)500 mm·s−1,模組精度達(dá)0.02 mm。通過(guò)AMC4030三軸運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)三軸滑臺(tái)的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制。 

圖  8  三軸動(dòng)態(tài)掃查試驗(yàn)平臺(tái)及探頭夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

探頭夾持機(jī)構(gòu)由控制機(jī)構(gòu)和夾具組成,控制機(jī)構(gòu)包括工字型連接板、滑桿、固定底板、搖桿等?？梢酝ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)搖桿完成兩側(cè)夾板的相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)待測(cè)試探頭的鎖緊。開展試驗(yàn)時(shí),探頭在夾持機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下勻速運(yùn)行,模擬內(nèi)檢測(cè)器在管道內(nèi)的軸向運(yùn)動(dòng)。 

3.2   變徑掃查結(jié)果與分析

設(shè)置探頭與管壁的間距為25 mm,模擬內(nèi)檢測(cè)器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)的非接觸式檢測(cè)。在試驗(yàn)臺(tái)夾持機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下對(duì)變徑試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃查,通過(guò)集成的電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的在線采集、離線存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。 

圓弧形變形區(qū)域的掃查信號(hào)如圖9所示。整體來(lái)看,當(dāng)探頭掃查至圓弧形變形區(qū)域時(shí),信號(hào)產(chǎn)生畸變,表現(xiàn)出“增加-峰值-減小”的變化規(guī)律,呈現(xiàn)“凸”字形的山峰狀分布。當(dāng)探頭處于圓弧的正上方區(qū)域時(shí),采集到的電壓信號(hào)出現(xiàn)最大值。這是由于探頭處于此位置時(shí),線圈的勵(lì)磁場(chǎng)引起了試件表面磁疇的有序偏轉(zhuǎn),感應(yīng)出強(qiáng)大的磁化磁場(chǎng)Hm,其對(duì)線圈衍生的交變勵(lì)磁場(chǎng)具有顯著的增強(qiáng)作用。同時(shí),變形引起的電壓變化量ΔV與空間復(fù)合磁場(chǎng)變化量ΔB呈正相關(guān),導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)了預(yù)期的“凸”字分布規(guī)律,并且隨著凸起高度D的增加,信號(hào)畸變的程度愈加明顯。 

圖  9  圓弧形變形區(qū)域的掃查信號(hào)

原始信號(hào)如圖9（a）,（b）所示,可見當(dāng)凸起長(zhǎng)度L固定為100 mm,高度D依次為7,12,17.5 mm時(shí),輸出電壓的最大變化量ΔVmax依次改變?yōu)?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(duì)原始信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)、提取后的變形響應(yīng)信號(hào)如圖9（c）,（d）所示,當(dāng)凸起高度D固定為17 mm,長(zhǎng)度依次變化為80 mm和90 mm時(shí),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(dāng)凸起高度相同,長(zhǎng)度由80 mm改變至90 mm時(shí),對(duì)于ΔVmax的影響不大。同時(shí),計(jì)算可以得到畸變信號(hào)的長(zhǎng)度L´分別為102.69 mm和114.82 mm,可見畸變信號(hào)的長(zhǎng)度會(huì)大于變形缺陷的實(shí)際長(zhǎng)度,這是由于線圈交變勵(lì)磁場(chǎng)覆蓋的區(qū)域大于線圈的實(shí)際尺寸,線圈在變形區(qū)域附近時(shí)與凸起產(chǎn)生了電磁耦合作用,故提前出現(xiàn)了變徑的響應(yīng)信號(hào)。 

該聚氨酯泡沫清管器的變形檢測(cè)探頭采用柔性支撐結(jié)構(gòu),單側(cè)支撐結(jié)構(gòu)的最大壓縮量為30 mm,計(jì)算可得該清管器傳感系統(tǒng)的最大變形通過(guò)能力達(dá)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(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明,集成的傳感系統(tǒng)變形檢測(cè)能力優(yōu)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(guò)能力、高精度內(nèi)檢測(cè)的實(shí)際需求。 

4.   結(jié)論

介紹了基于電磁測(cè)距原理的非接觸式管道變形檢測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了高通過(guò)性泡沫變形內(nèi)檢測(cè)裝備的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、傳感和集成電子系統(tǒng)。搭建了非接觸式動(dòng)態(tài)掃查試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)集成系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)掃查測(cè)試。結(jié)果表明,研制的電磁測(cè)距檢測(cè)探頭可以實(shí)現(xiàn)25 mm提離高度下的非接觸式變形檢測(cè),其檢測(cè)閾值優(yōu)于1.83%管道外徑。同時(shí),聚氨酯泡沫清管器具備40%管道外徑的變形通過(guò)能力,滿足未知工況復(fù)雜管道的大變形管段檢測(cè)和定位的實(shí)際需求。

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