管道電磁超聲周向?qū)Р▋?nèi)檢測(cè)系統(tǒng)研制

田劭坤,王俊杰,史明澄,饒臻浩,陳金忠,沈功田,武新軍

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430074;2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029)

0 引言

埋地長(zhǎng)輸管道廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸作業(yè),長(zhǎng)期服役過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生泄漏、爆炸等事故[1-2],因此,對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)可有效提高運(yùn)營(yíng)安全性。目前,常見(jiàn)的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)有漏磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)和超聲波檢測(cè)[3-5]。漏磁檢測(cè)主要用于腐蝕缺陷檢測(cè)[6];渦流檢測(cè)主要用于裂紋和變形缺陷檢測(cè)[7];超聲波檢測(cè)主要用于管道壁厚測(cè)量和裂紋檢測(cè),壓電超聲由于需要耦合劑,主要用于輸油管道檢測(cè),對(duì)輸氣管道不適用[8]。電磁超聲作為一種非接觸超聲檢測(cè),無(wú)需耦合介質(zhì),可用于輸氣管道,是近年來(lái)管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。張佳等[9]研究了單向電磁超聲導(dǎo)波換能器結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)管道中缺陷的精確識(shí)別與定位。M.Clough等[10]利用電磁超聲傳感器在鋼管中激勵(lì)水平剪切波檢測(cè)鋼管,根據(jù)信號(hào)幅值變化來(lái)判斷缺陷是否存在。德國(guó)ROSON公司研制的管道電磁超聲內(nèi)檢測(cè)器可檢出裂紋和防腐層剝離缺陷,已成功應(yīng)用于天然氣管道,其軸向定位精度達(dá)到±10 cm,周向定位精度達(dá)到±10°。目前國(guó)外電磁超聲導(dǎo)波內(nèi)檢測(cè)設(shè)備已開(kāi)展應(yīng)用,然而國(guó)內(nèi)該技術(shù)尚未成熟,因此研制電磁超聲導(dǎo)波內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)十分必要。本文基于洛倫茲力機(jī)理,研制了管道電磁超聲周向?qū)Р▋?nèi)檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)的檢測(cè)單元采用嵌入式計(jì)算機(jī),信號(hào)分析處理與控制單元通過(guò)Windows系統(tǒng)自帶的遠(yuǎn)程桌面功能實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)單元的通信,從而發(fā)送檢測(cè)命令,控制檢測(cè)單元完成檢測(cè),并拷貝檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1 檢測(cè)原理

由于水平剪切波(shear horizontal wave,SH波)只有一個(gè)位移分量,是較簡(jiǎn)單的彈性導(dǎo)波,易于用電磁方式激勵(lì),同時(shí)零階水平剪切波(SH0)是非頻散的導(dǎo)波,因而在無(wú)損檢測(cè)/結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[11]。目前SH導(dǎo)波傳感器主要有基于磁致伸縮換能機(jī)制的回折線圈-磁軛式結(jié)構(gòu)和基于洛倫茲力換能機(jī)制的周期永久磁鐵結(jié)構(gòu)。由于基于磁致伸縮換能機(jī)制作用于磁疇,不適用于非鐵磁性金屬材料,且其受材質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)影響較大,在此選用基于洛倫茲力換能機(jī)制的周期永久磁鐵電磁聲傳感器(periodic permanent magnet electro magnetic acoustic transducer, PPM EMAT),傳感器分為激勵(lì)傳感器和接收傳感器,二者主要由周期性永磁鐵陣列和跑道線圈組成,其檢測(cè)原理如圖1所示,將瞬態(tài)電流脈沖加載于激勵(lì)傳感器的跑道線圈,管道中形成感應(yīng)渦流,渦流與靜態(tài)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生交變洛倫茲力,牽引管道中粒子產(chǎn)生位移,形成機(jī)械振動(dòng),成為導(dǎo)波振源,從而在管道中激勵(lì)出SH0、SH1等傳播模態(tài)的SH導(dǎo)波。激勵(lì)機(jī)理可描述為

fL=Je×B0

(1)

式中:Je為管道中感應(yīng)渦流密度,A/m2;B0為靜態(tài)磁場(chǎng)作用下管道中的磁通量密度,T;fL為洛倫茲力體密度,N/m3。

檢測(cè)時(shí),導(dǎo)波在傳播過(guò)程中遇到缺陷會(huì)被反射,當(dāng)反射回來(lái)的導(dǎo)波到達(dá)接收傳感器時(shí),其接受過(guò)程為激勵(lì)過(guò)程的逆過(guò)程,即導(dǎo)波振動(dòng)引起粒子相對(duì)于該區(qū)域靜態(tài)磁場(chǎng)的位移,在管道中產(chǎn)生感應(yīng)渦流,感應(yīng)渦流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),被接收傳感器跑道線圈感應(yīng)接收,從而產(chǎn)生電信號(hào);該信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理和A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送至信號(hào)分析處理與控制單元,通過(guò)讀取分析該信號(hào),獲取管道缺陷狀態(tài)信息。

圖1 基于洛倫茲力機(jī)理的傳感器檢測(cè)原理示意圖

2 檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)檢測(cè)原理,研制的管道電磁超聲周向?qū)Р▋?nèi)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖與實(shí)物照片如圖2所示。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)分析處理與控制單元和檢測(cè)單元組成,信號(hào)分析處理與控制單元包括便攜計(jì)算機(jī)和檢測(cè)軟件兩部分,檢測(cè)單元由主機(jī)、激勵(lì)傳感器、接收傳感器、編碼器和檢測(cè)軟件等組成。進(jìn)行管道檢測(cè)時(shí),首先主機(jī)通過(guò)網(wǎng)口連接路由器,接入信號(hào)分析處理與控制單元所在的局域網(wǎng),信號(hào)分析處理與控制單元通過(guò)Windows系統(tǒng)自帶的遠(yuǎn)程桌面功能向主機(jī)發(fā)送檢測(cè)命令。命令發(fā)送完成,主機(jī)進(jìn)入獨(dú)立工作狀態(tài),無(wú)需與信號(hào)分析處理與控制單元連接。然后將檢測(cè)單元放入管道中,主機(jī)等待編碼器脈沖信號(hào)觸發(fā)采集,當(dāng)檢測(cè)單元在管道中油氣推動(dòng)下開(kāi)始行進(jìn)時(shí),編碼器脈沖信號(hào)觸發(fā)主機(jī)開(kāi)始工作,主機(jī)控制激勵(lì)傳感器通過(guò)洛倫茲力機(jī)理在被檢管道產(chǎn)生超聲導(dǎo)波,當(dāng)導(dǎo)波在傳播過(guò)程中遇到缺陷會(huì)產(chǎn)生反射回波,接收傳感器將導(dǎo)波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到主機(jī)。檢測(cè)完成后,從管道中取出檢測(cè)單元,再次通過(guò)遠(yuǎn)程桌面功能將檢測(cè)數(shù)據(jù)從主機(jī)發(fā)送到信號(hào)分析處理與控制單元進(jìn)行分析處理。

2.1 傳感器

根據(jù)洛倫茲力機(jī)理研制的激勵(lì)傳感器和接收傳感器均由跑道線圈與周期性永磁鐵陣列組成。永磁鐵陣列用于提供周期性靜態(tài)偏置磁場(chǎng),所激勵(lì)出的SH導(dǎo)波波長(zhǎng)與永磁鐵陣列兩相鄰磁鐵的中心距有關(guān),可表示為

λSH=2t

(2)

式中:t為永磁鐵陣列兩相鄰磁鐵的中心距,mm;λSH為所激勵(lì)出SH導(dǎo)波波長(zhǎng),mm。

可推出激勵(lì)頻率為

(3)

式中:v為SH導(dǎo)波波速,m/s;fSH為SH導(dǎo)波頻率,Hz。

t約等于磁鐵寬度,結(jié)合SH波頻散曲線和式(3)可選擇合適磁鐵寬度。SH導(dǎo)波相速度和群速度是關(guān)于管道厚度與導(dǎo)波頻率乘積的函數(shù),相速度的計(jì)算公式為

(4)

相應(yīng)的群速度計(jì)算公式為

(a)系統(tǒng)示意圖

(b)系統(tǒng)實(shí)物照片

(5)

式中:cs為剪切體波速度,m/s;f為導(dǎo)波頻率,Hz;d為管道厚度,mm;n為階數(shù)。

根據(jù)式(4)和式(5),壁厚8 mm管道的周向SH波頻散曲線如圖3所示,為實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè),需激勵(lì)出SH0和SH1 2種模態(tài)導(dǎo)波,則激勵(lì)頻率可選范圍為200～400 kHz,當(dāng)激勵(lì)頻率在200～300 kHz時(shí),SH1模態(tài)導(dǎo)波相速度和群速度變化較快,因此激勵(lì)頻率盡量控制在300～400 kHz。已知SH0模態(tài)導(dǎo)波波速約為3 100 m/s,故導(dǎo)波波長(zhǎng)范圍為8～10 mm,則磁鐵寬度可選擇范圍為4～5 mm。

(a)SH波相速度頻散曲線

(b)SH波群速度頻散曲線

傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,永磁鐵陣列成弧形分布于銜鐵上,以盡可能與管道內(nèi)壁貼合,跑道線圈放置于永磁鐵陣列上。為防止線圈受損,線圈與管道接觸面覆蓋一層耐磨陶瓷片,使用黏合劑固定,同時(shí)在傳感器表面布置4個(gè)可調(diào)波仔螺釘,將螺釘球面擰至略突出于表面以避免傳感器與管道干摩擦。為防止磁性材料對(duì)傳感器工作性能的影響,傳感器封裝殼體選用非鐵磁性材料,考慮到管道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜,選用耐磨、強(qiáng)度高的鈦合金。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 主機(jī)

主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示,主要由嵌入式計(jì)算機(jī)、FPGA主控模塊、激勵(lì)/接收電路模塊等組成,實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生、接收信號(hào)預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)等功能。

圖5 系統(tǒng)主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

嵌入式計(jì)算機(jī)基于Windows系統(tǒng),是檢測(cè)軟件運(yùn)行的平臺(tái)之一,其主要功能是設(shè)置系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中具體參數(shù),以命令包的形式發(fā)送給FPGA主控模塊,并存儲(chǔ)FPGA主控模塊傳輸?shù)臋z測(cè)數(shù)據(jù)。嵌入式計(jì)算機(jī)需要與信號(hào)分析處理與控制單元和FPGA主控模塊進(jìn)行通信,支持網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口等多種通信接口。由于采用16位A/D且采樣頻率達(dá)到兆赫茲,數(shù)據(jù)量較大,為滿(mǎn)足長(zhǎng)距離檢測(cè)需求,嵌入式計(jì)算機(jī)配置容量1 TB的固態(tài)硬盤(pán)。

FPGA主控模塊主要功能是根據(jù)嵌入式計(jì)算機(jī)的控制命令產(chǎn)生特定頻率和幅值的正弦波信號(hào)和門(mén)控信號(hào)、采集預(yù)處理后的回波信號(hào)并通過(guò)USB傳輸給嵌入式計(jì)算機(jī)。為滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)乃俣纫?FPGA主控模塊處理器選用可并行執(zhí)行程序的FPGA芯片,同時(shí)為其配置SRAM作為數(shù)據(jù)緩存區(qū),以提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。目前導(dǎo)波檢測(cè)多為單點(diǎn)靜態(tài)檢測(cè),針對(duì)管道掃查式動(dòng)態(tài)檢測(cè),開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)等空間采集超聲導(dǎo)波信號(hào)的FPGA程序,其流程圖如圖6所示。FPGA主控模塊接收到采樣命令后開(kāi)始等待編碼輪有效脈沖信號(hào)觸發(fā)采集,A/D采集過(guò)程中實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM中,采集完成后對(duì)數(shù)據(jù)編碼生成數(shù)據(jù)包并通過(guò)USB發(fā)送至嵌入式計(jì)算機(jī),檢測(cè)軟件對(duì)其解碼后可獲取各數(shù)據(jù)包在空間上所對(duì)應(yīng)位置。研制系統(tǒng)導(dǎo)波工作頻率為200～300 kHz,激勵(lì)重復(fù)頻率最大為10 Hz,信號(hào)采集選用16位A/D,采樣頻率為5 MHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mb/s。

圖6 等空間采樣FPGA程序流程圖

激勵(lì)/接收電路模塊是傳感器與FPGA主控模塊之間的橋梁,FPGA主控模塊生成的正弦波激勵(lì)信號(hào)和門(mén)控信號(hào)輸出到激勵(lì)調(diào)理電路后,再經(jīng)過(guò)功率放大驅(qū)動(dòng)激勵(lì)傳感器在管道中產(chǎn)生周向超聲導(dǎo)波,同時(shí)將接收傳感器接收到的導(dǎo)波信號(hào)放大濾波后輸入FPGA主控模塊。激勵(lì)/接收電路模塊包括激勵(lì)調(diào)理電路、功率放大電路和放大濾波電路等,主要功能有提供脈沖大功率激勵(lì)信號(hào)、對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等。

2.3 檢測(cè)軟件

研制的GWPIG-Ⅰ型管道電磁超聲周向?qū)Р▋?nèi)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)軟件采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā),軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示,主要有導(dǎo)波信號(hào)采集、波形顯示和數(shù)據(jù)分析3個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波激勵(lì)和采樣參數(shù)調(diào)節(jié)、等時(shí)間和等空間采樣模式選擇、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和分析等功能。

圖7 檢測(cè)軟件結(jié)構(gòu)

檢測(cè)軟件運(yùn)行于檢測(cè)單元和信號(hào)分析處理與控制單元2個(gè)平臺(tái)。準(zhǔn)備檢測(cè)階段,信號(hào)分析處理與控制單元通過(guò)遠(yuǎn)程桌面功能連接檢測(cè)單元,啟動(dòng)嵌入式計(jì)算機(jī)中檢測(cè)軟件,調(diào)用信號(hào)采集模塊令嵌入式計(jì)算機(jī)與FPGA主控模塊建立連接,設(shè)置導(dǎo)波檢測(cè)參數(shù)并發(fā)送至FPGA主控模塊。開(kāi)始檢測(cè)后,嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收檢測(cè)數(shù)據(jù),以文件的形式將其存儲(chǔ)于固態(tài)硬盤(pán)。檢測(cè)結(jié)束后,信號(hào)分析處理與控制單元通過(guò)遠(yuǎn)程桌面功能從檢測(cè)單元拷貝檢測(cè)數(shù)據(jù),啟動(dòng)信號(hào)分析處理與控制單元中檢測(cè)軟件并調(diào)用波形顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊,查看并分析數(shù)據(jù)波形,等空間采樣模式下還可查看當(dāng)前點(diǎn)到采樣原點(diǎn)距離,以便對(duì)缺陷進(jìn)行軸向定位。波形顯示與數(shù)據(jù)分析界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)分析界面

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)能力,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和含人工缺陷管道如圖9所示,管道試樣為外徑377 mm、壁厚8 mm、總長(zhǎng)1.6 m鋼管,結(jié)合管道實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的腐蝕、穿孔缺陷,參考國(guó)外主要管道運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)公司案例[12-13],加工了長(zhǎng)25.4 mm、寬25.4 mm、深0.8 mm的方形槽缺陷和Φ12.7 mm的通孔缺陷。

(a)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(b)含人工缺陷管道

檢測(cè)信號(hào)波形如圖10所示,T表示激勵(lì)傳感器,R表示接收傳感器,導(dǎo)波起始信號(hào)為電磁脈沖,SH0和SH1 2種模態(tài)的導(dǎo)波在管道中可沿順時(shí)針和逆時(shí)針2個(gè)方向傳播。將直接由激勵(lì)傳感器傳播至接收傳感器的導(dǎo)波信號(hào)作為通過(guò)信號(hào),2組通過(guò)信號(hào)分別是逆時(shí)針直接傳播至接收傳感器產(chǎn)生的第1次通過(guò)信號(hào),以及順時(shí)針直接傳播至接收傳感器產(chǎn)生的第2次通過(guò)信號(hào),由于SH0和SH1 2種模態(tài)導(dǎo)波群速度不一致,因此隨著傳播距離的增加,2種模態(tài)導(dǎo)波到達(dá)接收傳感器的時(shí)間差也隨之增大,且信號(hào)幅值隨之減小。將導(dǎo)波傳播過(guò)程中被缺陷反射返回至接收傳感器的信號(hào)作為缺陷回波信號(hào),由于方形槽缺陷周向尺寸大于孔缺陷,因此方形槽缺陷回波信號(hào)相比于孔缺陷回波信號(hào)時(shí)域長(zhǎng)度更長(zhǎng),同時(shí)方形槽缺陷橫截面積損失率較低,因此導(dǎo)波反射率較低,缺陷回波信號(hào)幅值也較小。根據(jù)上述波形分析,SH0導(dǎo)波第2次通過(guò)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間0.323 2 ms,SH1導(dǎo)波第2次通過(guò)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間0.380 2 ms,根據(jù)傳感器之間距離得到SH0導(dǎo)波群速度為3 202 m/s,SH1導(dǎo)波群速度為2 661m/s,結(jié)合缺陷的實(shí)際位置,可以得出圖中波形與缺陷相對(duì)應(yīng)。

圖10 管道周向?qū)Рz測(cè)典型信號(hào)波形

4 結(jié)論

研制基于洛倫茲力機(jī)理的管道電磁超聲周向?qū)Р▋?nèi)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有激勵(lì)與接收導(dǎo)波信號(hào)、等空間采集、信號(hào)分析處理等功能,實(shí)現(xiàn)了人工模擬缺陷的檢出與定位,在Φ377 mm×8 mm的管道試件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可檢測(cè)出25.4 mm×25.4 mm×0.8 mm的方形槽缺陷以及Φ12.7 mm的通孔缺陷,并可以對(duì)缺陷進(jìn)行軸向和周向定位。下一步研究將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行牽拉實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性后,開(kāi)展管道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),進(jìn)而為管道安全運(yùn)營(yíng)提供一種有效檢測(cè)方法。