基于雙正交樣條小波的輸油管道焊接缺陷漏磁信號識別技術(shù)

苗俊田，劉冬冬，李卓軍，趙 博，鹿德臺

（中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266400）

0 引 言

由于輸油管道的特殊作用，如果存在焊接缺陷，容易造成管道破裂、泄漏等事故。為了保障輸油管道的安全運行，需要對輸油管道進行定期檢測，及時發(fā)現(xiàn)和處理諸如焊接缺陷等問題，以保證管道的完好性。其中，利用漏磁檢測技術(shù)對輸油管道進行檢測已經(jīng)成為一種重要的無損檢測方法。漏磁信號的特性參數(shù)與其探測結(jié)果的相關(guān)性是非常顯著的，文獻(xiàn)[1]使用一種改進的YOLOv5 算法學(xué)習(xí)管道漏磁數(shù)據(jù)，引入Distance-IoU 算法，實現(xiàn)了對漏磁缺陷的檢測；文獻(xiàn)[2]利用四階VMD 解決過包絡(luò)引發(fā)信號發(fā)散問題，使用變分模態(tài)分析-支持向量機，根據(jù)陡度最大化原理選擇最優(yōu)模態(tài)成分，并抽取模態(tài)分量特征，最終使用支持向量機對其進行特征辨識。但由于輸油管道的長度較長，對數(shù)字信號預(yù)處理和特征提取難度較高，存在漏磁信號量大、無法精準(zhǔn)檢測漏磁信號磁場強度的問題，對識別結(jié)果造成一定影響。為了優(yōu)化漏磁信號識別效果，本文提出基于雙正交樣條小波的輸油管道焊接缺陷漏磁信號識別技術(shù)。

1 漏磁場磁感應(yīng)強度分析

1.1 雙正交樣條小波分解漏磁信號

對代表尺度下2i的信號a0離散平滑處理，得到的計算公式為：

式中：ai(l)表示長度為l的尺度下2i的信號a0的離散平滑處理結(jié)果；l表示信號a0的長度；i、j分別表示頻率指數(shù)和計算次數(shù)；τ0(j)表示小波分解濾波系數(shù)。

受到噪聲影響，漏磁信號不完整，因此需要重構(gòu)式（1）得到的離散平滑處理結(jié)果，重構(gòu)結(jié)果為：

式中：gi-1表示重構(gòu)結(jié)果；ι表示濾波器系數(shù)。

基于雙正交樣條小波原理[3]，采用2 的乘積法將小波分解成多個頻段，其中d1、d2、d3、d4 為4 個頻段，以其變化速率、峰位信息為基礎(chǔ)，在保證原有信息的同時，還能保證對原有信號的光滑近似。采用雙正交樣條小波方法實現(xiàn)了對漏磁信號的小波分解，如圖1 所示。

圖1 雙正交樣條小波分解漏磁信號

在圖1 基礎(chǔ)上，采用雙正交樣條小波對管道漏磁信號進行線性相位濾波[4-6]，只保留了漏磁信號的1 4，通過小波重建，重建出的漏磁信號保持了原有信號的基本特征，從而使得所保留漏磁信號有明確物理意義，同時實現(xiàn)了海量信號壓縮。

1.2 磁感應(yīng)強度分析

為了更好地優(yōu)化漏磁信號識別效果，分析雙正交樣條小波分解后漏磁信號的磁感應(yīng)強度。選用稀疏矩陣求解器[7-8]求解分解漏磁信號場磁感應(yīng)強度B，公式為：

求解結(jié)束后給出漏磁場磁感應(yīng)強度分布曲線，如圖2 所示。

圖2 漏磁場磁感應(yīng)強度分布

由圖2 可知，漏磁場磁感應(yīng)強度垂向分量集中于焊接中心，表明在焊接邊緣磁通數(shù)目最多。水平方向上的場磁感應(yīng)強度[9-10]以焊縫為中心，并沿焊縫方向均勻地分布。

2 焊接缺陷漏磁分解信號識別

2.1 焊接缺陷漏磁磁導(dǎo)率計算

從圖2 漏磁場磁感應(yīng)強度分布來看，連續(xù)小波變換是將信號劃分為一組具有相同選擇性的頻率段，用能量來表示該頻率段特征差異。在此基礎(chǔ)上，通過對各頻率段小波分析，提取出包含裂縫信息的頻率段，并通過對該頻率段分析，得到漏磁檢測的漏磁場場磁導(dǎo)率。

為了反映信號隨尺度變化情況，根據(jù)小波變換能量守恒定律ρ，計算連續(xù)小波變換系數(shù)D，公式為：

式中q(t)表示有限能量函數(shù)。利用連續(xù)小波能量法對缺陷漏磁信號分析處理，并計算缺陷內(nèi)漏磁場場磁導(dǎo)率μ，公式為：

式中：h、c分別表示焊接缺陷長度和寬度。通過式（5）的計算結(jié)果確定缺陷所導(dǎo)致的場磁導(dǎo)率。

2.2 基于磁導(dǎo)率的焊接缺陷漏磁分解信號識別

由于管線中有缺陷，管線的磁力線會被管線的表面或鄰近管線的缺陷所阻擋，使得管線中的某些磁場會從管線的表面泄漏，從而產(chǎn)生漏磁通，以此識別漏磁信號。

2.2.1 凹形缺陷漏磁信號識別

在施加橫向磁場[11]的情況下，樣品磁感應(yīng)線會出現(xiàn)折射現(xiàn)象，并根據(jù)磁力連續(xù)原則，在不同磁導(dǎo)率介質(zhì)界面上分析磁感應(yīng)強度和場磁導(dǎo)率關(guān)系：

式中：μ1、μ2分別表示在試件內(nèi)部和外部缺陷位置的磁導(dǎo)率；B1、B2分別表示在試件內(nèi)部和外部缺陷位置的磁感應(yīng)強度；θ1、θ2分別表示在試件內(nèi)部和外部缺陷位置的磁感應(yīng)線與分界線夾角。

2.2.2 凸形缺陷漏磁信號識別

當(dāng)外部磁場作用于試樣凸面時，磁感應(yīng)線不會發(fā)生折射，但會給試樣凸面充磁，這時凸面就像一個被充電的永磁體，從而在大氣中形成一個額外磁場，從而改變了磁場分布[12-13]。磁感應(yīng)線具有封閉性質(zhì)，使凸面缺陷本身所形成的額外磁場具有反向的方向，其強度與磁位密度有關(guān)，其磁位密度φ可表達(dá)為：

式中：v表示凸起部位的整合區(qū)；L表示從源點到漏磁芯的間距。

從式（7）可以看出，凸形缺陷的漏磁場主要取決于所產(chǎn)生的額外磁場的強度，由于外加磁場與原始磁場反向，將改變?nèi)毕莸拇呕癄顟B(tài)，使其在凹面缺陷上產(chǎn)生負(fù)向漏磁通。在管道內(nèi)部進行漏磁探測時，通過信號特性與缺陷種類間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)對管道焊接缺陷漏磁信號的精準(zhǔn)識別。

3 實驗與分析

3.1 管道焊接缺陷設(shè)置

磁敏探測器陣列對被測管道內(nèi)壁進行高速掃描，在管道內(nèi)無缺陷情況下，磁力線全部穿過管線，無法探測到任何信號；當(dāng)管道內(nèi)部存在缺陷時，磁場繞組所產(chǎn)生的磁力線通過管道外部，然后又回到管道內(nèi)部的磁力線。通過上述過程獲取漏磁信號，對輸油管道的安全隱患做出正確的判斷。將管道焊接缺陷設(shè)置為兩類，分別是凹形缺陷漏磁信號和凸形缺陷漏磁信號，其磁場強度變化情況如圖3 所示。

圖3 凹形、凸形缺陷漏磁信號磁場強度變化

由圖3 可知，凹形缺陷漏磁信號寬度較窄，波峰尖銳，磁場強度波動幅度較大。凸形缺陷漏磁信號寬度較寬，波峰平穩(wěn)，磁場強度波動幅度較小。

3.2 實驗結(jié)果與分析

分別使用基于改進YOLOv5 算法的識別方法、基于VMD-SVM 識別方法和基于雙正交樣條小波的識別方法，對比分析漏磁信號磁場強度檢測結(jié)果，如圖4 所示。

圖4 不同方法凹形、凸形磁場強度檢測結(jié)果

由圖4a）可知，三種方法的磁場強度與實驗數(shù)據(jù)不一致，其中VMD-SVM 識別方法與實驗數(shù)據(jù)不一致程度最高；而使用基于雙正交樣條小波的識別方法，磁場強度與實驗數(shù)據(jù)基本一致，只在峰值處出現(xiàn)了與實際數(shù)據(jù)最大偏差，數(shù)值為50 A/m。由圖4b）可知，基于VMDSVM 識別方法識別結(jié)果出現(xiàn)了凹形缺陷漏磁信號磁場強度變化特征，且與實驗數(shù)據(jù)不一致；使用基于改進YOLOv5 算法的識別方法，漏磁信號磁場強度變化幅度與實驗數(shù)據(jù)相似，但實驗數(shù)據(jù)不一致；使用基于雙正交樣條小波的識別方法，磁場強度與實驗數(shù)據(jù)基本一致。

4 結(jié) 語

在焊接缺陷漏磁信號識別過程中，將雙正交樣條小波辨識技術(shù)分解特征應(yīng)用于漏磁信號分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對大量漏磁信號的有效壓縮，并根據(jù)重建后的信號識別漏磁信號。實驗結(jié)果表明，通過對漏磁信號小波變換與重建，實現(xiàn)了漏磁信號的精準(zhǔn)識別。