油气输送管道电磁在线检测技术.pdf

收稿日期 2001211203 作者简介何辅云1949- ,男,安徽巢湖人,合肥工业大学教授,硕士生导师. 第25卷第2期合 肥 工 业 大 学 学 报自然科学版Vol . 25 No. 2 2002年4月JOURNAL OF HEFE IUN I V ERSITY OF TECHNOLOGYApr. 2002 油气输送管道电磁在线检测技术 何辅云1, 王晓芒1, 张 勇1, 何 箭1, 吴国政2 1. 合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009; 2.宿州建筑勘察设计院,安徽 宿州 234100 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 中图分类号 TP391. 4 文献标识码 A 文章编号 10032506020020220218204 Nondestructive testing technology and system of oil or gas transportation pipelines based on the electromagnetic inspection HE Fu2yun 1, WAN G Xiao2mang1, ZHAN G Yong1, HE Jian1, WU Guo2zheng2 1. School of Computer Science and Ination Engineering, HefeiU niversity of Technology, Hefei 230009, China; 2. SuzhouA rchitec2 ture Prospecting and Designing Institute, Suzhou 234100, China Abstract Pipe Cli mber is a device used to detect the defects of pipelines in high2speed based on the theory of electromagnetic inspection. The device is especially suitable for detecting underground oilor gas transportation pipelines .The signals it tested can be amplified, the noise removed, and the data compressed, encoded and saved in RAM or Tape. A fter Pipe Cli mber comes out of pipelines, the data is fed to an analytic system firstly and decoded to resume testing graph secondly, and lastly, the sys2 tem could find flaw s’ direction and degree and make sure of their accurate locations on the pipelines . These flaw s are divided into eight parts around the pipeline’s circumference. Researches indicate that the presented nondestructive testing system has the characteristics of detecting rapidly and testing ev2 ery area w ithout any om ission. Key words oil or gas transportation pipeline; electromagnetic inspection on line; data compression; decoder; Pipe Cli mber 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。 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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Ho磁化下,其内宿缺陷形成的磁场强度Hg [1] 为 Hg 2. 65Ho[1 -N 1 - Λg Λf ] 1 式中 Λg、 Λf 分别为缺陷和材料磁导率 N 退磁因子,NTTS 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Hg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]。 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。 1.密封橡皮 2.磁极 3.罩壳 4.管道内壁 5.记录仪 6.橡皮防撞头 7.导向轮 8.检测探头 9.激发装置 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40～60 mm in。 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. 1M Pa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 912第2期 何辅云,等油气输送管道电磁在线检测技术 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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 Vp2p,波形如图2所示 [3]。 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 [4], 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 [5]。 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、 数据解码恢复技术和DA变换、 分析判断和图形曲 线显示装置等组成。 022 合肥工业大学学报自然科学版 第25卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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 [6], 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 mm in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。 [参 考 文 献] [1] 何辅云.电磁NDT原理的研究[J ].合肥工业大学学报自然科学版, 1994, 173 28- 33. [2] 何辅云,采油用管道的检测与缺陷识别[J ].模式识别与人工智能, 2000, 3 73- 77. [3] 赵凯华.电磁学第2版 [M ].北京高等教育出版社, 1985. 47- 59. [4] 汪友生,潘孟贤.缺陷参数与漏磁信号相互关系的实验研究[J ].合肥工业大学学报自然科学版, 1998, 215 28- 31. [5] 何辅云.采油管高速检测技术的研究[J ].石油学报, 1999, 1 73- 77. [6] 林其壬.磁路设计原理[M ].北京机械工业出版社, 1987. 467- 514. 责任编辑 吕 杰 122第2期 何辅云,等油气输送管道电磁在线检测技术 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.