架空工業管道漏磁無線檢測系統的研制

程世奇 武新軍 郭 鍇 趙昆明

(華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074)

管道廣泛應用于冶金、石油、化工及城市水暖供應等工業部門，在經濟發展中的地位越來越重要。管道在長期運行中受到溫度、介質、應力和環境的影響，會產生腐蝕和材料惡化，如果不進行有效的監控或維修，將會給企業造成很大的損失，更重要的是，管道泄漏及爆炸等會嚴重污染環境甚至危及人身安全。為防止事故造成損失，必須定期進行管道檢測，發現管道缺陷，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、壽命預測及檢修維護等提供可靠依據[1]。

目前，國內外對管道通常采用超聲波、熒光磁粉、渦流及漏磁等方法進行檢測。其中漏磁檢測法具有速度快、穿透力強和不受油水影響的優勢，在長輸管道的內檢測和儲罐底板檢測方面應用較多[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格多、走向復雜的情況，限制了漏磁檢測的應用。程順峰等研究了拼裝式工業管道漏磁檢測探頭[7]，其可適用于多規格管道檢測，但在應用中安裝復雜，并且采用手動方式驅動，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的應用。針對上述存在的問題，筆者研制了一種架空工業管道漏磁無線檢測自動爬行系統，該系統中漏磁檢測探頭采用剛性結構與柔性結構相結合的調節方式，保證漏磁檢測信號的精確和穩定?；跓o線局域網(WLAN)技術實現檢測信號的無線傳輸和電機自驅動方式，便于工業管道的現場檢測。

1 管道漏磁檢測原理①

管道漏磁檢測原理如圖1所示。工業管道一般由導磁良好的鐵磁性材料制成，當鐵磁性管道被外加磁化器磁化后，管道內會產生磁場，若管道上存在腐蝕或機械損傷等缺陷，管道局部的磁導率將降低，磁阻增加，通過該區域的磁場產生畸變，導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 系統組成

根據漏磁檢測原理設計的檢測系統結構框圖如圖2所示，其主要由爬行機構、檢測探頭和信號無線處理與控制單元組成。該系統實現檢測的過程是：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都連接上設定好的無線網絡之后，通過遙控器控制爬行器運動，開始對管道進行檢測，檢測信號通過數據線傳入信號預處理電路，再由無線采集卡通過無線網傳入計算機，在計算機上可以顯示并存儲檢測信號。

圖2 架空工業管道漏磁無線檢測 自動爬行系統框圖

該系統的主要技術指標如下：

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 爬行機構

爬行機構如圖3所示，主要由行走機構和磁化裝置組成。

圖3 爬行機構 1——電機； 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

行走機構包括電機、減速器、車輪和支架，合理布置各個部件的位置使整體結構緊湊，在滿足支架強度和剛度的要求下，為了減輕爬行器重量，支架材料選用鋁合金。行走機構的主要作用是帶檢測探頭沿管道爬行，對管道進行漏磁檢測。在行走機構中加入電機，將爬行器的運動方式由手動推行變為自動爬行，檢測時電機驅動減速器，減速器通過鏈傳動帶動車輪沿管道爬行，電機自驅動方式提高了檢測效率，降低了勞動強度。從漏磁檢測系統檢測信號上，無法判斷缺陷的具體位置，為了實現對缺陷的定位，在行走機構上裝有光電編碼器，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，實現對管道缺陷的定位。

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定等特點。銜鐵選用工業純鐵，具有高磁感應強度、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構及重量等因素，通過有限元分析和實驗相結合的方法，優化磁極截面積、磁極間距及銜鐵尺寸等參數，為磁化裝置的設計提供參考和依據。

2.2 檢測探頭

檢測探頭是整個漏磁檢測系統的核心組成部分，探頭設計的好壞直接影響漏磁檢測效果。探頭結構如圖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，采用聚磁技術增大霍爾元件的檢測范圍，保證相鄰兩個霍爾元件測試區域邊界重疊，避免漏檢。針對12種規格的工業管道設計了12種規格的探頭，不同探頭底面弧度不同，使探頭與其對應規格管道表面能良好地接觸。檢測不同管徑管道時，選用對應規格的探頭，用探頭上的U形槽調節探頭高度，使探頭與管道表面接觸良好。由于工業管道有焊縫、腐蝕或者機械損傷，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形槽的剛性調節與彈簧的柔性調節相結合保證檢測結果精確可靠。

圖4 探頭結構示意圖

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遙控模塊，無線傳輸方式減小了現場管道復雜走向和管道之間結構對檢測的影響，提高了漏磁檢測效率。

無線信號處理模塊由電池、信號預處理電路、無線采集卡、無線路由器和計算機組成，其中電池、信號預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放在便于人操作的位置。電池為電機和電路盒供電，在檢測時無需外接電源，便于現場檢測，增大檢測系統的適用范圍。信號預處理電路通過信號線與光電編碼器和漏磁檢測探頭相連，光電編碼器信號進入預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。漏磁檢測探頭中霍爾元件將漏磁場信號轉換為電壓信號，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，要通過信號預處理電路將信號進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發送至計算機。檢測信號的無線傳輸流程如圖5所示，檢測信號通過數據線傳入預處理電路，再由數據線傳入無線采集卡，最后無線采集卡通過無線路由提供的無線局域網將檢測信號發送至計算機。漏磁檢測有大量的檢測數據需要分析處理，同時要將檢測信號快速實時地顯示在計算機上，這就要求無線采集卡具有高速、高精的采樣性能。經過篩選選用UA535型網口采集儀，該無線采集卡最高采樣頻率達250kHz，自帶32MB數據緩存，具有抗干擾、抗斷線能力強，支持多種無線傳輸功能的優點，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有紅外通信(IrDA)、藍牙(Bluetooth)、無線局域網(WLAN)、超寬帶(UWB)技術和homeRF[8]。紅外和藍牙傳輸距離一般小于10m，超寬帶技術主要用于軍事方面，homeRF傳輸信號易受干擾，而無線局域網具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、傳輸速度快和兼容性好的優點，所以筆者選用無線局域網技術來實現漏磁檢測信號的無線傳輸。無線局域網設備通常由無線網卡、無線路由器、無線接入點(AP)、無線網橋及終端設備等組成[9]。無線接入點用于與有線網通信，無線網橋是將一個WLAN網段與另一個WLAN網段連接起來的設備，在筆者研制的漏磁檢測系統中，不需要與有線網或者其他WLAN網段通信，所以沒有無線接入點和無線網橋，無線網卡集成在無線采集卡上，終端設備為計算機。

計算機上裝有漏磁檢測軟件，檢測軟件的主要功能為標定、顯示設置、檢測、細化分析和歷史數據，各功能的具體內容如下：標定檢測不同規格的管道之前，預設不同的初始檢測參數；顯示設置針對不同的檢測條件，設置軟件波形顯示的通道數和步長；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，細化分析用于更改顯示量程；歷史數據保存檢測信號，并且可以隨時調用。

無線電機遙控模塊包括遙控器、電機控制電路和電機。遙控器發送無線電波，電機控制電路接收遙控器發出的無線電波信號，控制電機正、反轉和停止，實現無線控制爬行器前進、后退和停止。無線電機遙控模塊的設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的遙控距離。經過篩選選用2.4GHz工業遙控器，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，這對于現場遙控爬行器運動具有十分重要的意義。

3 工業應用

為了檢驗儀器性能并為現場檢測做準備，對12種不同管徑標準試件管道做了標定實驗，下面以φ219mm管道標定實驗為例進行詳細論述。

標準試件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為孔深遞增的內部盲孔信號。

圖6 φ219mm標準試件1

圖7 φ219mm管道盲孔信號

標準試件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標準試件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穩定可靠。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定值，為現場檢測的缺陷評價提供參考和依據。

為了進一步驗證儀器的實用性和可靠性，在廣州中國燃氣公司進行現場管道檢測，現場檢測的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%的標定值。為了驗證信號是否準確可靠，用超聲測厚進行復驗，選取管道A、B、C3點進行測厚，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%，與標定值基本相符，說明儀器現場檢測準確可靠。

圖10 φ219mm管道現場檢測信號

4 結束語

根據漏磁檢測的基本原理，結合無線局域網的數據傳輸，研制出架空工業管道漏磁無線自動爬行檢測系統。與已有的漏磁檢測系統比較，該系統具有檢測探頭調節靈活、電機自驅動方式和數據無線傳輸的特點，能更好地適應架空工業管道現場檢測，降低了管道檢測的勞動強度，提高了檢測效率。工業應用表明該系統運行穩定可靠。

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