架空工業(yè)管道漏磁無線檢測系統(tǒng)的研制

程世奇 武新軍 郭 鍇 趙昆明

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

管道廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工及城市水暖供應(yīng)等工業(yè)部門，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來越重要。管道在長期運行中受到溫度、介質(zhì)、應(yīng)力和環(huán)境的影響，會產(chǎn)生腐蝕和材料惡化，如果不進(jìn)行有效的監(jiān)控或維修，將會給企業(yè)造成很大的損失，更重要的是，管道泄漏及爆炸等會嚴(yán)重污染環(huán)境甚至危及人身安全。為防止事故造成損失，必須定期進(jìn)行管道檢測，發(fā)現(xiàn)管道缺陷，并且獲得其位置、類型及程度等精確信息，從而為管道的安全評價、壽命預(yù)測及檢修維護(hù)等提供可靠依據(jù)[1]。

目前，國內(nèi)外對管道通常采用超聲波、熒光磁粉、渦流及漏磁等方法進(jìn)行檢測。其中漏磁檢測法具有速度快、穿透力強(qiáng)和不受油水影響的優(yōu)勢，在長輸管道的內(nèi)檢測和儲罐底板檢測方面應(yīng)用較多[2～6]。與長輸管道和儲罐底板檢測工況相比，架空管道存在管道規(guī)格多、走向復(fù)雜的情況，限制了漏磁檢測的應(yīng)用。程順峰等研究了拼裝式工業(yè)管道漏磁檢測探頭[7]，其可適用于多規(guī)格管道檢測，但在應(yīng)用中安裝復(fù)雜，并且采用手動方式驅(qū)動，高空檢測時需搭架子，同時檢測信號采取電纜傳輸方式，極大地限制了漏磁檢測技術(shù)的應(yīng)用。針對上述存在的問題，筆者研制了一種架空工業(yè)管道漏磁無線檢測自動爬行系統(tǒng)，該系統(tǒng)中漏磁檢測探頭采用剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式，保證漏磁檢測信號的精確和穩(wěn)定?；跓o線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)實現(xiàn)檢測信號的無線傳輸和電機(jī)自驅(qū)動方式，便于工業(yè)管道的現(xiàn)場檢測。

1 管道漏磁檢測原理①

管道漏磁檢測原理如圖1所示。工業(yè)管道一般由導(dǎo)磁良好的鐵磁性材料制成，當(dāng)鐵磁性管道被外加磁化器磁化后，管道內(nèi)會產(chǎn)生磁場，若管道上存在腐蝕或機(jī)械損傷等缺陷，管道局部的磁導(dǎo)率將降低，磁阻增加，通過該區(qū)域的磁場產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致一部分磁場從管道中外泄出來，在管道表面形成漏磁場。用霍爾元件組成的探頭檢測漏磁場的變化，可以獲得反映被檢管道缺陷狀況的信號，對此信號進(jìn)行處理和分析，就可得到被檢管道的缺陷特征。

圖1 漏磁檢測原理示意圖

2 系統(tǒng)組成

根據(jù)漏磁檢測原理設(shè)計的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其主要由爬行機(jī)構(gòu)、檢測探頭和信號無線處理與控制單元組成。該系統(tǒng)實現(xiàn)檢測的過程是：將檢測探頭安裝在爬行器上，把爬行器放置在待測管道上，打開無線路由器，在無線采集卡和計算機(jī)都連接上設(shè)定好的無線網(wǎng)絡(luò)之后，通過遙控器控制爬行器運動，開始對管道進(jìn)行檢測，檢測信號通過數(shù)據(jù)線傳入信號預(yù)處理電路，再由無線采集卡通過無線網(wǎng)傳入計算機(jī)，在計算機(jī)上可以顯示并存儲檢測信號。

圖2 架空工業(yè)管道漏磁無線檢測 自動爬行系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

被檢材料 鐵磁性材料

檢測速度 1～10m/min

最小檢測靈敏度φ1.6mm通孔

適用壁厚檢測范圍 4～20mm

適用檢測最小管徑φ60mm

2.1 爬行機(jī)構(gòu)

爬行機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要由行走機(jī)構(gòu)和磁化裝置組成。

圖3 爬行機(jī)構(gòu) 1——電機(jī)； 2——減速器； 3——主動輪； 4,4′——永磁鐵；5——探頭； 6——銜鐵； 7——從動輪； 8——編碼器

行走機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、減速器、車輪和支架，合理布置各個部件的位置使整體結(jié)構(gòu)緊湊，在滿足支架強(qiáng)度和剛度的要求下，為了減輕爬行器重量，支架材料選用鋁合金。行走機(jī)構(gòu)的主要作用是帶檢測探頭沿管道爬行，對管道進(jìn)行漏磁檢測。在行走機(jī)構(gòu)中加入電機(jī)，將爬行器的運動方式由手動推行變?yōu)樽詣优佬?，檢測時電機(jī)驅(qū)動減速器，減速器通過鏈傳動帶動車輪沿管道爬行，電機(jī)自驅(qū)動方式提高了檢測效率，降低了勞動強(qiáng)度。從漏磁檢測系統(tǒng)檢測信號上，無法判斷缺陷的具體位置，為了實現(xiàn)對缺陷的定位，在行走機(jī)構(gòu)上裝有光電編碼器，光電編碼器記錄爬行器的爬行距離，將光電編碼器信號和漏磁探頭檢測信號一起傳入計算機(jī)，實現(xiàn)對管道缺陷的定位。

磁化裝置包括永磁鐵和銜鐵。永磁鐵選用新型釹鐵硼材料，具有高磁能積、高矯頑力及磁性能穩(wěn)定等特點。銜鐵選用工業(yè)純鐵，具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度、小矯頑力和加工性能好的特點。磁化裝置的作用是為爬行提供吸附力和將管道飽和磁化。磁化裝置中永磁鐵與管道的吸力，保證爬行器在沿管道爬行過程中不會掉落。將被測管道磁化至接近飽和狀態(tài)是提高檢測靈敏度的重要保障，磁化不充分，缺陷引起的磁場畸變可能無法在管道上表面生成漏磁場，或者生成的漏磁場很弱而被噪聲湮沒。在保證磁化裝置能將管道充分磁化的前提下，同時要考慮爬行器的結(jié)構(gòu)及重量等因素，通過有限元分析和實驗相結(jié)合的方法，優(yōu)化磁極截面積、磁極間距及銜鐵尺寸等參數(shù)，為磁化裝置的設(shè)計提供參考和依據(jù)。

2.2 檢測探頭

檢測探頭是整個漏磁檢測系統(tǒng)的核心組成部分，探頭設(shè)計的好壞直接影響漏磁檢測效果。探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示，由彈簧、銅套、霍爾元件和聚磁片組成。探頭中磁場檢測元件選用霍爾元件，霍爾元件體積小、靈敏度高且檢測值不受測量速度影響，適應(yīng)于爬行器自動爬行檢測。每個探頭中有4個霍爾元件，單個霍爾元件的檢測覆蓋范圍有限，采用聚磁技術(shù)增大霍爾元件的檢測范圍，保證相鄰兩個霍爾元件測試區(qū)域邊界重疊，避免漏檢。針對12種規(guī)格的工業(yè)管道設(shè)計了12種規(guī)格的探頭，不同探頭底面弧度不同，使探頭與其對應(yīng)規(guī)格管道表面能良好地接觸。檢測不同管徑管道時，選用對應(yīng)規(guī)格的探頭，用探頭上的U形槽調(diào)節(jié)探頭高度，使探頭與管道表面接觸良好。由于工業(yè)管道有焊縫、腐蝕或者機(jī)械損傷，表面凹凸不平，使檢測元件與管道表面的間隔不斷變化，嚴(yán)重影響檢測效果，在探頭中加入彈簧，保持檢測元件與管道表面的距離不變，減少干擾。U形槽的剛性調(diào)節(jié)與彈簧的柔性調(diào)節(jié)相結(jié)合保證檢測結(jié)果精確可靠。

圖4 探頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 無線信號處理與控制單元

無線信號處理與控制單元包括無線信號處理模塊和無線電機(jī)遙控模塊，無線傳輸方式減小了現(xiàn)場管道復(fù)雜走向和管道之間結(jié)構(gòu)對檢測的影響，提高了漏磁檢測效率。

無線信號處理模塊由電池、信號預(yù)處理電路、無線采集卡、無線路由器和計算機(jī)組成，其中電池、信號預(yù)處理電路和無線采集卡安裝在電路盒中，檢測時電路盒安裝在爬行器把手上隨爬行器運動，無線路由器和計算機(jī)放在便于人操作的位置。電池為電機(jī)和電路盒供電，在檢測時無需外接電源，便于現(xiàn)場檢測，增大檢測系統(tǒng)的適用范圍。信號預(yù)處理電路通過信號線與光電編碼器和漏磁檢測探頭相連，光電編碼器信號進(jìn)入預(yù)處理電路不做任何處理直接送入無線采集卡，該信號記錄爬行器的爬行距離，為缺陷定位提供依據(jù)。漏磁檢測探頭中霍爾元件將漏磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于信號中包含多種原因引起的噪聲和干擾，且腐蝕和機(jī)械損傷等局部缺陷引起的跳變信號較弱，所以在將探頭檢測的信號傳入無線采集卡之前，要通過信號預(yù)處理電路將信號進(jìn)行放大及濾波等處理，濾除信號噪聲，放大缺陷信號幅值，提高信噪比。無線采集卡的主要作用是將編碼器信號和漏磁檢測探頭信號通過無線局域網(wǎng)發(fā)送至計算機(jī)。檢測信號的無線傳輸流程如圖5所示，檢測信號通過數(shù)據(jù)線傳入預(yù)處理電路，再由數(shù)據(jù)線傳入無線采集卡，最后無線采集卡通過無線路由提供的無線局域網(wǎng)將檢測信號發(fā)送至計算機(jī)。漏磁檢測有大量的檢測數(shù)據(jù)需要分析處理，同時要將檢測信號快速實時地顯示在計算機(jī)上，這就要求無線采集卡具有高速、高精的采樣性能。經(jīng)過篩選選用UA535型網(wǎng)口采集儀，該無線采集卡最高采樣頻率達(dá)250kHz，自帶32MB數(shù)據(jù)緩存，具有抗干擾、抗斷線能力強(qiáng)，支持多種無線傳輸功能的優(yōu)點，滿足漏磁檢測需求。

圖5 信號無線傳輸流程

信號無線傳輸有多種方式，常用的短距無線傳輸技術(shù)有紅外通信(IrDA)、藍(lán)牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、超寬帶(UWB)技術(shù)和homeRF[8]。紅外和藍(lán)牙傳輸距離一般小于10m，超寬帶技術(shù)主要用于軍事方面，homeRF傳輸信號易受干擾，而無線局域網(wǎng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速度快和兼容性好的優(yōu)點，所以筆者選用無線局域網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)漏磁檢測信號的無線傳輸。無線局域網(wǎng)設(shè)備通常由無線網(wǎng)卡、無線路由器、無線接入點(AP)、無線網(wǎng)橋及終端設(shè)備等組成[9]。無線接入點用于與有線網(wǎng)通信，無線網(wǎng)橋是將一個WLAN網(wǎng)段與另一個WLAN網(wǎng)段連接起來的設(shè)備，在筆者研制的漏磁檢測系統(tǒng)中，不需要與有線網(wǎng)或者其他WLAN網(wǎng)段通信，所以沒有無線接入點和無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)卡集成在無線采集卡上，終端設(shè)備為計算機(jī)。

計算機(jī)上裝有漏磁檢測軟件，檢測軟件的主要功能為標(biāo)定、顯示設(shè)置、檢測、細(xì)化分析和歷史數(shù)據(jù)，各功能的具體內(nèi)容如下：標(biāo)定檢測不同規(guī)格的管道之前，預(yù)設(shè)不同的初始檢測參數(shù)；顯示設(shè)置針對不同的檢測條件，設(shè)置軟件波形顯示的通道數(shù)和步長；檢測實時顯示檢測信號的波形圖；信號過大或過小不便于觀察時，細(xì)化分析用于更改顯示量程；歷史數(shù)據(jù)保存檢測信號，并且可以隨時調(diào)用。

無線電機(jī)遙控模塊包括遙控器、電機(jī)控制電路和電機(jī)。遙控器發(fā)送無線電波，電機(jī)控制電路接收遙控器發(fā)出的無線電波信號，控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)和停止，實現(xiàn)無線控制爬行器前進(jìn)、后退和停止。無線電機(jī)遙控模塊的設(shè)計主要是遙控器的選擇，要防止遙控器的無線電波對無線采集卡的干擾，選用的遙控器工作頻率要與無線采集卡采樣頻率有較大差異，并且要求遙控器有較遠(yuǎn)的遙控距離。經(jīng)過篩選選用2.4GHz工業(yè)遙控器，理論最大遙控距離1.2km，同時2.4GHz電磁波直線性好，抗干擾能力強(qiáng)，這對于現(xiàn)場遙控爬行器運動具有十分重要的意義。

3 工業(yè)應(yīng)用

為了檢驗儀器性能并為現(xiàn)場檢測做準(zhǔn)備，對12種不同管徑標(biāo)準(zhǔn)試件管道做了標(biāo)定實驗，下面以φ219mm管道標(biāo)定實驗為例進(jìn)行詳細(xì)論述。

標(biāo)準(zhǔn)試件1如圖6所示，管道長2 800mm，管道上加工了4個外部盲孔和2個內(nèi)部盲孔，孔深依次為管壁厚的80%、60%、40%、20%、20%、40%。檢測信號如圖7所示，信號1、2、3、4依次為孔深遞減的4個外部盲孔信號，5、6為孔深遞增的內(nèi)部盲孔信號。

圖6 φ219mm標(biāo)準(zhǔn)試件1

圖7 φ219mm管道盲孔信號

標(biāo)準(zhǔn)試件2如圖8所示，管道長1 400mm，管道上共有3個寬度為2mm，深度依次為管道壁厚20%、40%、60%的環(huán)形刻槽。檢測信號如圖9所示，1、2、3依次為槽深度遞增的3個刻槽信號。

圖8 φ219mm標(biāo)準(zhǔn)試件2

圖9 φ219mm管道刻槽信號

對每個缺陷至少做20次實驗，檢測信號波形基本相同，說明此漏磁檢測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。將多組檢測信號疊加求平均，得到的缺陷信號平均幅值作為標(biāo)定值，為現(xiàn)場檢測的缺陷評價提供參考和依據(jù)。

為了進(jìn)一步驗證儀器的實用性和可靠性，在廣州中國燃?xì)夤具M(jìn)行現(xiàn)場管道檢測，現(xiàn)場檢測的φ219mm管道信號如圖10所示，圖中線1、2、3依次表示φ219mm管道缺陷深度為壁厚20%、40%和60%的標(biāo)定值。為了驗證信號是否準(zhǔn)確可靠，用超聲測厚進(jìn)行復(fù)驗，選取管道A、B、C3點進(jìn)行測厚，A處壁厚為7.8mm，B處超聲測厚檢測不出壁厚值，不過此處可以看到有穿孔，C處壁厚值為5.3mm，管道初始壁厚為8mm，通過計算位置A壁厚損傷為2.5%、位置B為100%、位置C為34%，與標(biāo)定值基本相符，說明儀器現(xiàn)場檢測準(zhǔn)確可靠。

圖10 φ219mm管道現(xiàn)場檢測信號

4 結(jié)束語

根據(jù)漏磁檢測的基本原理，結(jié)合無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，研制出架空工業(yè)管道漏磁無線自動爬行檢測系統(tǒng)。與已有的漏磁檢測系統(tǒng)比較，該系統(tǒng)具有檢測探頭調(diào)節(jié)靈活、電機(jī)自驅(qū)動方式和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶攸c，能更好地適應(yīng)架空工業(yè)管道現(xiàn)場檢測，降低了管道檢測的勞動強(qiáng)度，提高了檢測效率。工業(yè)應(yīng)用表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

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