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地下油气输送管道漏磁高速在线 检测技术及装置 何辅云,王 宝,何 箭 合肥工业大学 计算机与信息学院,合肥 230009 摘 要基于高速漏磁检测原理,设计一种高速探伤装置,专门对地下油气输送管道在线高速 检测,具有速度快、 无漏检等特点。检测数据经过放大、 消噪、 压缩后存入RAM或磁带中。检测装 置钻出管道后,RAM或磁带中数据与车载的检测控制、 分析系统联系,经去压缩解码器恢复成检 测图形曲线。高速检测系统能准确识别缺陷的位置和类型。 关键词漏磁检测;管道;数据处理;缺陷 中图分类号TG115. 28 文献标识码A 文章编号10002665620021020425203 HIGH2SPEED MAGNETIC FLUXLEAKAGE NONDESTRUCTIVE TESTING TECHNOLOGY AND SYSTEM FOR UNDERGROUND OIL OR GAS TRANSPORTATION PIPELINES HE Fu2yun , WANG Bao, HE Jian School of Computer and Ination , Hefei University of Technology , Hefei 230009 , China Abstract Based on the theory of magnetic flux leakage testing , a device was designed for on2line high2speed inspec2 tion of underground oil or gas transportation pipelines without any omission. Signals were amplified , noise2reduced , com2 pressed and stored up in RAM or tape. After the device getting out of the pipeline , the data were decoded to testing graph and the defects could be accurately located and identified. Keywords Magnetic flux leakage testing; Pipeline; Data processing; Defect 当今,各产油国急需地下油气输送管道高速无 损检测设备。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,其缺点是检测探头耦合不可靠,有较多 漏检和误检现象。 研究了一种地下油气输送管道高速在线漏磁检 测系统,它具有速度快、 无漏检等特点。系统主要由 高速探伤装置、 高速驱动装置、 大型越野车、 车载发 配电设备、 计算机分析系统、 相关外围设备和接口设 备等组成。探伤装置在管线内高速运行,检测的数 据经过压缩编码存入RAM或磁带中;装置钻出管 线后,RAM或磁带中数据与检测控制、 分析系统联 系后,经过去压缩解码器恢复成检测图形曲线,能准 确识别缺陷的位置和缺陷等级。 收稿日期2001210212 1 检测原理 油气地下输送管道的常见缺陷是管体上的裂 纹,管体内外壁腐蚀、 孔洞、 麻点和夹杂物等。这些 缺陷影响管道的安全运行,经常引发恶性事故。当 漏磁检测装置带动传感器阵列迅速扫查管道内表面 时,管道内缺陷的磁场Hg在传感器阵列中感应形 成微弱的电信号。缺陷信号的幅度、 宽度与缺陷的 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,缺陷信号幅度大、 宽度窄。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漏磁检测[1],它特别适合于油 气输送管道的在线高速检测。 524 第24卷第10期 2002年10月 无损检测 NDT Vol. 24 No. 10 Oct . 2 0 0 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 2 油气地下输送管道高速在线检测主设备 图1为油气地下输送管道高速探伤装置。 图1 地下油气输送管道高速在线检测关键主设备 2. 1 高速探伤装置的漏磁激发装置 高速探伤装置的漏磁激发装置由一套稳恒磁化 装置和两套轮形引导磁极构成对地下管道壁的充分 磁化。当探伤装置运行在某段区间时,两轮之间的 缺陷受到磁场激励,在其内壁形成强烈的漏磁信号。 在探伤装置中间设四个八通道弹性扫查探头,它们 向外包绕角为360,由探头接收管道内缺陷的漏磁 场,变成缺陷电信号。 2. 2 高速探伤装置的行走机构 高速探伤装置的前侧和后端共设八个弹性轮, 它们与管道轴线成20 角。当探伤装置在管道内穿 越时,弹性轮支承装置平稳前进,并引导装置在管道 内旋转,以使各探头形成互相叠合的螺旋带,保证管 壁各向裂纹、 腐蚀坑、 孔洞、 麻点等全部被检测到。 2. 3 管线停产状态检测时探伤装置的行走动力 检测可在油气管道停产状态进行。此时,探伤 装置的行走动力由空压风机向探伤装置入口端灌 气,当气压为0. 05MPa时,可为探伤装置提供 28kg 推动力,此推动力使探伤装置的运行速度达到40～ 60m/ min。 2. 4 管线运行状态检测时探伤装置的行走动力 检测也可在运行状态进行。此时,探伤装置的 行走动力由流动油气提供。当探伤装置前后两端的 压差为0. 1MPa时,可为探伤装置提供55kg推动 力,使探伤装置运行速度达到油气的输送速度。 2. 5 探伤装置的防撞机构 探伤装置的前端设锥形橡皮防撞头,避免探伤 装置运行到闸阀、 不规则法兰和变形管道处发生硬 性碰撞。在探伤装置的前端锥形橡皮防撞头与装置 结合处和装置尾端设橡胶密封圈,以从装置两端压 差获得动力,避免气流或液流从装置侧面流失太多。 3 检测信号的处理 3. 1 检测到的信号 探伤装置内有四个检测探头、 八个通道传感器, 它们在管道内高速行进,采集大量的弱信号。信号 经过设在探头内的低噪声、 高增益放大器提供60dB 的增益,其峰值幅度达到12V ,波形如图2所示。图 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;噪声信号包含漏磁 噪声、 行走噪声、 撞击噪声、 接头处干扰以及放大器 噪声等;缺陷信号是管道存在的缺陷被检测所获得 的信号;正常管道信号是探头对无损伤管道检测获 得的信号;缺陷密集段信号是对存在密集的锈蚀和 损伤管道检测所获得的信号。根据图2可以判断, 第二根管道的前半段315 ～360 区间存在密集性损 伤缺陷,中部点0 ～45 处有一个突出缺陷存在。 图2 四探头八通道传感器对管道分区 检测所获得的检测信号 3. 2 信号的噪声处理 图2所示的A1～A8通道信号,首先经过低通 滤波器,滤除 40kHz的白噪声,然后由电平切割电 路铲除背景噪声和行走噪声。对于八通道传感器来 说,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,八通道中的信号是管道 无损伤部分的零电平信号、 管道连接法兰处的法兰 脉冲和管道损伤部分的缺陷信号。 3. 3 信号的压缩处理 此装置是脱离外界控制的高速检测装置,包围 管道360 的八通道检测探头在其行程内拾取极丰 富的信息,其关键技术之一是这些数据的处理与存 储技术[2]。对检测信号可采用图3方法压缩。 图3的A1～A8是八个传感器检测的模拟信 624 何辅云等地下油气输送管道漏磁高速在线检测技术及装置 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 图3 检测的缺陷信号与法兰脉冲信号的 数字压缩编码方法 号,经过采样频率为f0的采样、 量化成为数字信号 D1～D8,它们在比较器中分别与法兰饱和脉冲数据 比较,小于此数据的为非法兰的管体数据,否则为法 兰数据。此后,采用预测法压缩数据,即首先传送前 一管道法兰数据作为模板,各通道信号与模板比较, 输出为 “0” 的通道表示对应的传感器检测的是无损 伤区域,预测器输出 “法兰号” 代替该法兰脉冲数据, 输出非 “0” 的通道表示对应的传感器检测的是有损 伤区域。对于有损伤区域,则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与其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一路数据。数 据记录的是 “法兰号” 或有损伤区域的缺陷信号数 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或磁带上。磁带的左声道为缺陷信号数据, 右声道为 “法兰号” 。 4 油气输送管道检测分析设备 探伤装置驶出管道后,存储在RAM或磁带内 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D/ A变换、 分析判断和图形曲线显 示装置等组成。 4. 1 数据的重放 若记录时将数据存储在单片机的RAM中,重放 设备则将单片机作为计算机分析系统的外围设备,计 算机读取的是RAM中的数据;若采用磁带记录,重 放磁带的左声道为缺陷信号数据,右声道为 “法兰 号”,经数据接口卡与计算机系统连接,被主机读入。 4. 2 数据去压缩解码方法 缺陷信号数据与 “法兰号” 的去压缩解码方法见 图4[3]。数据经多路开关恢复成八通道数据和 “法 兰号” 。在预测解码器中,以前一个法兰为管道预测 模板,预测模板与各路缺陷数据由加法器叠加,结果 为预测模板值,则输出法兰模板,显示该管道区域为 图4 缺陷信号与 “法兰号” 的数据去压缩解码 无损伤;否则,缺陷信号数据与其后的差值在解码器 中相加后再与法兰模板相加,表示该管道区域存在 的缺陷及其位置。最后经过数模转换,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、 建档,便于调用和在网络内传输。 5 检测系统的参照标准及主要技术指标 5. 1 系统参照的相关标准 地下油气输送管道高速检测系统参照国际标准 ISO 9598无缝铁磁性压力钢管纵、 横向缺陷的全周 传感器和漏磁探伤,系统参照国家标准GB/ T 12061998钢管漏磁探伤方法 和YB 4083钢管 涡流探伤方法 。 5. 2 油气地下输送管道高速检测设备的主要技术 指标 检测油气输送管道直径范围为 100～500mm , 分段设计。油气输送管道弯曲度 20km。检 测缺陷类型有内、 外壁及内部各种裂纹、 孔洞和腐蚀 坑等。显示方式为图形曲线方式,可显示油气输送 管道在轴向位置和圆周45 范围缺陷及缺陷类型、 位置和缺陷信号幅度、 宽度,图形曲线调用对比方式 显示缺陷类型。 6 结论 探伤装置采用漏磁检测原理和数据压缩编码技 术,专用于地下油气输送管道高速检测,具有速度 快、 无漏检等特点。检测的数据与检测控制、 分析系 统联系后,经去压缩解码器恢复成检测图形曲线,能 准确识别缺陷的位置和缺陷类型。检测结果符合相 关国际标准和国家标准的规定。 参考文献 [1] 何辅云.漏磁无损检测原理的研究[J ].合肥工业大学 学报,1994 ,173 28 - 33. [2] 何辅云.采油用钢管的检测与缺陷识别[J ].模式识别 与人工智能,2000 ,143 73 - 77. [3] 郑式林.数码压缩技术及应用[M].北京机械工业出 版社,2000. 32 - 38. 724 何辅云等地下油气输送管道漏磁高速在线检测技术及装置 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m