輸油管道裂紋缺陷漏磁檢測信號(hào)辨識(shí)分析

宋志強(qiáng) 張 瑩 黃 軍

(1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401131；2.重慶海聯(lián)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120；3.中國人民解放軍78359部隊(duì)，云南 開遠(yuǎn) 661699)

輸油管道裂紋缺陷是導(dǎo)致輸油管道失效的重要因素之一，對(duì)輸油管道裂紋缺陷的檢測與辨識(shí)是輸油管道管理和維護(hù)的關(guān)鍵工作之一。漏磁檢測方法作為一種有效的無損檢測技術(shù)在輸油管道裂紋檢測中被廣泛應(yīng)用，其基本機(jī)理就是通過漏磁檢測方法對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行檢測，對(duì)產(chǎn)生的漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，經(jīng)過信號(hào)的降噪與識(shí)別，依靠漏磁檢測得到的缺陷信號(hào)特征來判定管道裂紋缺陷[1]。由于管道裂紋缺陷的特征參量與漏磁檢測信號(hào)之間有著一定的關(guān)系[2]，筆者采用實(shí)驗(yàn)分析方法，提取不同參量的裂紋缺陷進(jìn)行漏磁檢測，通過裂紋缺陷漏磁檢測信號(hào)譜圖定性辨識(shí)裂紋缺陷，對(duì)缺陷漏磁檢測信號(hào)進(jìn)行特征分析，研究不同裂紋缺陷的漏磁信號(hào)特征值的獨(dú)有特性。最后，引入漏磁檢測信號(hào)連續(xù)小波能量譜特征，通過實(shí)驗(yàn)探討能量譜特征在裂紋缺陷辨識(shí)中的有效性。

1 用漏磁檢測信號(hào)譜圖定性辨識(shí)輸油管道裂紋缺陷①

管道缺陷的漏磁檢測信號(hào)與管道的缺陷類型有密切的關(guān)系，不同類型、不同形式的管道缺陷所對(duì)應(yīng)的漏磁檢測信號(hào)也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)此開展了大量的研究工作[3～5]。目前，根據(jù)漏磁檢測原理與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室仿真和應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)于漏磁檢測信號(hào)與缺陷的特征參量之間的關(guān)系(圖1)，已經(jīng)得出以下初步結(jié)論[6～9]：

a. 如果漏磁檢測信號(hào)的幅度越高且寬度越窄，那么管道缺陷的邊界就會(huì)越陡峭；

b. 相對(duì)于其他類型的缺陷，由于裂紋缺陷本身的特征情況，在檢測過程中裂紋缺陷的漏磁檢測信號(hào)具有最高的信號(hào)幅度和最窄的寬度；

圖1 不同形狀缺陷對(duì)應(yīng)的漏磁檢測信號(hào)譜圖

c. 對(duì)于相同面積的管道缺陷，裂紋缺陷的幅度最高，波形寬度最窄，而圓孔狀的缺陷(如腐蝕坑等)，其波形寬度最寬，跨度最大。

從管道缺陷漏磁檢測譜圖可以看出：裂紋缺陷漏磁信號(hào)的寬度非常窄，波峰比較尖銳，而且與孔洞和大面積的缺陷相比，漏磁信號(hào)的幅度很大，信號(hào)變化劇烈。研究發(fā)現(xiàn)在檢測過程中，裂紋缺陷漏磁檢測信號(hào)的幅值變化呈直線趨勢[9]。因而在對(duì)管道缺陷漏磁檢測信號(hào)識(shí)別過程中，可以簡單地通過對(duì)缺陷漏磁檢測信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行初步分析，從而直接辨識(shí)出裂紋缺陷。

2 用漏磁檢測信號(hào)信息特征值辨識(shí)管道裂紋缺陷

檢測過程中發(fā)現(xiàn)，管道裂紋缺陷大多為劃痕或者是細(xì)小的因壓力或拉伸力而產(chǎn)生的應(yīng)力裂痕[7,8]，因而在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，假定裂紋的存在是細(xì)長型小裂紋，裂紋的長度與裂紋寬度比值大，可以設(shè)為無限長的裂紋細(xì)小缺陷。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：假定裂紋漏磁檢測的徑向以磁化為主，磁化器的磁化方向?yàn)檩S向方向，對(duì)裂紋缺陷的寬度與深度進(jìn)行充分檢測，以確保檢測效果。對(duì)于裂紋的長度，可以與寬度進(jìn)行方向轉(zhuǎn)換而獲取。

利用管道缺陷漏磁檢測儀(MFL-4032漏磁/磁記憶檢測裝置)對(duì)預(yù)制不同參數(shù)的裂紋缺陷進(jìn)行檢測，得到如圖2所示的漏磁檢測信號(hào)。

圖2 不同裂紋缺陷的漏磁檢測信號(hào)譜圖

圖2a中Y11～Y15的裂紋寬w=1mm，裂紋深h=1mm，裂紋長度l分別為5、10、15、20、25mm，可以看出，在不同長度的情況下，隨著裂紋長度的增加，由裂紋漏磁檢測形成的信號(hào)峰峰值HPP呈上升趨勢，同時(shí)漏磁信號(hào)的峰值Hp也呈增大趨勢；圖2b中Y36～Y40的裂紋寬w分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mm，裂紋深h=1mm，裂紋長度l=25mm，可以看出，在不同寬度的情況下，隨著裂紋寬度的增大，漏磁檢測信號(hào)的谷-谷間距也隨之增大，同時(shí)檢測信號(hào)的波形面積也呈增大趨勢；圖2c中Y04、Y09、Y14、Y19、Y24的裂紋寬w=1mm，裂紋深h分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mm，裂紋長度l=25mm，可以看出，隨著裂紋深度的增加，信號(hào)峰值Hp隨之增大，其信號(hào)的峰峰值Hpp也相應(yīng)地隨著深度的增加而呈增大趨勢。

為了更進(jìn)一步地對(duì)漏磁檢測信號(hào)譜圖進(jìn)行分析，現(xiàn)求取漏磁磁場的梯度值。梯度值即漏磁信號(hào)的磁場變化率，為磁場強(qiáng)度在磁場方向上單位距離的變化量，其變化量最大的方向便是高度梯度的方向，變化量最大的數(shù)值也就是梯度的大小。漏磁場的梯度值表示為梯度值的最大值Kp，單位為A/m2。

根據(jù)磁場梯度值的定義，對(duì)不同長度、寬度和深度條件下的裂紋缺陷漏磁信號(hào)進(jìn)行處理，得到如圖3所示的各自的漏磁檢測信號(hào)梯度值譜圖。通過對(duì)檢測信號(hào)Kp的數(shù)據(jù)提取和分析研究，可以明顯地看出漏磁檢測信號(hào)的變化趨勢與分布圖，隨著裂紋缺陷長度、寬度和深度的變化，其漏磁信號(hào)的梯度值也呈現(xiàn)出一定的關(guān)系規(guī)律，因而可以通過對(duì)漏磁檢測信號(hào)梯度值的變化來判斷裂紋缺陷的存在并對(duì)其初步變化規(guī)律進(jìn)行解析。

圖3 不同裂紋缺陷漏磁檢測信號(hào)梯度值譜圖

從分析中可知，可以通過對(duì)漏磁信號(hào)譜圖中各個(gè)信號(hào)特征值的變化來初步分析和解析，方便地從漏磁檢測信號(hào)譜圖中對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行初步判斷，從而對(duì)照建立的工程標(biāo)準(zhǔn)缺陷信號(hào)庫進(jìn)行簡單分析，通過與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)庫進(jìn)行特征匹配對(duì)比，可方便快捷地得出裂紋缺陷的基本比對(duì)特征，進(jìn)而判定大致的裂紋缺陷特征參量，有利于在工程應(yīng)用上快速方便地對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行識(shí)別與判定。

3 用漏磁信號(hào)小波能量譜圖辨識(shí)輸油管道裂紋缺陷

3.1 連續(xù)小波能量譜分析法

從頻譜分析的角度來看，連續(xù)小波變換將信號(hào)分解到一系列選擇性相同的頻帶上，小波變換的能量則表征信號(hào)在這個(gè)頻帶上的不同特性[10]，利用這一特性來克服漏磁檢測信號(hào)中個(gè)別零值點(diǎn)受其他因素干擾而轉(zhuǎn)變成非零值點(diǎn)的情況，從不同的頻帶中提取含有應(yīng)力集中信息的頻帶，即包括裂紋信息的頻帶，由小波能量來表征裂紋缺陷信號(hào)的強(qiáng)弱[11，12]。

由小波分析與小波變換的基本理論可知[7]，具有有限能量的函數(shù)f(t)關(guān)于ψ(t)的連續(xù)小波變換定義為：

式中a——小波變換尺度伸縮值；

τ——時(shí)間平移量。

小波變換具有等距特性，即f(t)的小波變換是能量守恒的，則有：

其中Cψ為小波的容許性條件，其表達(dá)式為：

把|Wf(a，b)|2/(Cψa2)看作是(a,τ)平面上的能量密度函數(shù)，即|Wf(a，b)|2ΔaΔτ/(Cψa2)給出了以尺度a和時(shí)間τ為中心，尺度間隔為Δa，時(shí)間間隔為Δτ的能量，因此小波能量守恒式可以寫成：

對(duì)上式進(jìn)行變換，得到：

其中，Wf(a,τ)為連續(xù)小波變換系數(shù)；Ewf(a,τ)為尺度小波能量譜，反映了信號(hào)能量隨尺度的變化情況。

利用連續(xù)小波變換能量法對(duì)裂紋缺陷漏磁信號(hào)進(jìn)行分析處理，小波函數(shù)的選擇是關(guān)鍵[13]，筆者選取Daubechies小波進(jìn)行連續(xù)小波變換。

3.2 裂紋埋深對(duì)檢測信號(hào)的影響

利用管道缺陷漏磁檢測儀對(duì)預(yù)制缺陷管道試件進(jìn)行檢測，得到如圖4所示的漏磁檢測信號(hào)。

圖4 預(yù)制缺陷漏檢測信號(hào)

將圖4所示的檢測信號(hào)進(jìn)行降噪處理后，對(duì)其進(jìn)行連續(xù)小波能量變換，發(fā)現(xiàn)被檢測管段的160、322、400、520mm附近出現(xiàn)4個(gè)能量集中分布區(qū)，見表1。依次為預(yù)設(shè)的4個(gè)長度為30mm，角度為90°，分別埋深1.5、3.0、4.5、6.0mm的裂紋缺陷漏磁檢測信號(hào)表征點(diǎn)。

表1 不同埋深的裂紋缺陷小波能量峰

根據(jù)不同埋深的裂紋缺陷小波能量譜，得到如圖5所示的裂紋埋深與峰值能量擬合曲線。可以看出，隨著裂紋埋深的增加，連續(xù)小波變換能量呈下降趨勢；從不同埋深裂紋缺陷的小波峰值能量譜圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裂紋的長度與角度不變而深度逐漸增大時(shí)，小波能量峰值在逐漸減小。在裂紋埋深小于4.5mm的變化區(qū)間內(nèi)，連續(xù)小波變換的能量峰值下降很快；當(dāng)埋深大于4.5mm時(shí)，連續(xù)小波變換能量峰值的降低趨勢逐漸趨于平緩，并且最終穩(wěn)定在20 000以上。由此可以證明，裂紋埋深的增加使表面漏磁場的分布區(qū)域更寬，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，但減弱的幅度在逐步降低；當(dāng)裂紋缺陷達(dá)到4.5mm時(shí)，受到漏磁檢測裝置本身檢測靈敏度的制約，無法繼續(xù)反映裂紋深度對(duì)漏磁檢測信號(hào)的影響。

圖5 裂紋埋深與小波能量峰值擬合曲線

3.3 裂紋長度對(duì)檢測信號(hào)的影響

對(duì)圖5中的漏磁檢測信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換，在1 024、1 175、1 280、1 470mm附近出現(xiàn)4個(gè)能量集中分布區(qū)域，見表2，依次與預(yù)制埋深為2mm，角度90°，長度分別為5、15、20、30mm的裂紋相對(duì)應(yīng)。

表2 不同長度的裂紋缺陷小波能量峰

根據(jù)不同長度的裂紋缺陷檢測信號(hào)能量譜峰，得到如圖6所示的不同裂紋缺陷長度與峰值能量擬合曲線。分析可知，隨著裂紋長度的增加，連續(xù)小波變換能量峰值呈先升后降的趨勢，擬合曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)在裂紋長度20mm處。由此可以說明，當(dāng)裂紋長度在20mm以下時(shí)，隨著裂紋長度的增加，裂紋處的局部應(yīng)力逐漸加大，使缺陷處漏磁場信號(hào)增強(qiáng)；當(dāng)裂紋長度值超過20mm時(shí)，隨著裂紋長度的增加，局部應(yīng)力迅速減小，導(dǎo)致應(yīng)力分散，同時(shí)由于受到漏磁檢測裝置本身檢測靈敏度的影響，漏磁場信號(hào)迅速減弱，導(dǎo)致連續(xù)小波變換能量峰值也相應(yīng)降低，影響到檢測的準(zhǔn)確性。

圖6 裂紋長度與小波能量峰值擬合曲線

4 結(jié)束語

通過對(duì)漏磁信號(hào)譜圖的表面分析和初步解析，根據(jù)譜圖分析、檢測信號(hào)特征以及信號(hào)能量譜圖的特征，可以對(duì)管道裂紋缺陷進(jìn)行初步判斷。但這只是停留在最基本的定性分析和表面辨識(shí)層次上，如何通過對(duì)漏磁檢測信號(hào)的分析與數(shù)學(xué)解析，更準(zhǔn)確地對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行識(shí)別，達(dá)到真正定量的辨識(shí)層面，還需做更進(jìn)一步的研究。

[1] 潘一,孫林,楊雙春,等.國內(nèi)外管道腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2014,26(1):77～80.

[2] 張國光.管道漏磁檢測中漏磁信號(hào)與缺陷特征關(guān)系

的研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2008,35(2):39～41.

[3] 戴光,高廷巖,楊大明,等.管道外壁可變徑漏磁檢測數(shù)值模擬與分析[J].化工機(jī)械,2011,38(2):195～198,213.

[4] 夏鋒社,淡勇,陳聰.在役油氣輸送管道體積型缺陷安全評(píng)定方法[J].化工機(jī)械,2011,38(3):269～272.

[5] 林猛,牛迎戰(zhàn).漏磁檢測技術(shù)在成品油管道中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械,2011,38(5):618～619.

[6] 吳德會(huì),游德海,柳振涼,等.交流漏磁檢測法趨膚深度的機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(2):327～336.

[7] Kim K C.A Novel Magnetic Flux Weakening Method of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicles[J].IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(11):4042～4045.

[8] Guilet J,Ogilvie G I.Transport of Magnetic Flux and the Vertical Structure of Accretion Discs-II.Vertical Profile of the Diffusion Coefficients[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,2013,430(2):822～835.

[9] 張復(fù)懿,林洪玉,張晶,等.表面波檢測中缺陷的當(dāng)量深度確定[J].無損檢測,2012,34(8):39～43.

[10] Walnut D F.An Introduction to Wavelet Analysis[M].Berlin:Springer Science & Business Media,2013.

[11] 宋志強(qiáng),李著信,張鎮(zhèn),等.基于連續(xù)小波變換的輸油管道裂紋缺陷漏磁檢測研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(7):35～39.

[12] 唐貴基,鄧飛躍,何玉靈,等.基于時(shí)間-小波能量譜熵的滾動(dòng)軸承故障診斷研究[J].振動(dòng)與沖擊,2014,33(7):68～72.