管道內檢測電磁超聲在線測厚裝置

孫 崢，李永虔，楊金旭，翟國富

（哈爾濱工業大學軍用電器研究所，黑龍江 哈爾濱 150001）

管道內檢測電磁超聲在線測厚裝置

孫 崢，李永虔，楊金旭，翟國富

（哈爾濱工業大學軍用電器研究所，黑龍江 哈爾濱 150001）

為檢測管道減薄程度并解決國內管道厚度數據缺失問題，研制一種用于管道內檢測的電磁超聲在線測厚裝置。針對管道檢測器振動、EMAT提離增大帶來的誤差問題，裝置利用三通道電磁超聲換能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）分時工作，輪流觸發測厚后進行平均；為實現檢測器行進中的精確測厚及數據存儲，裝置通過提高回波信噪比并采用檢測首個回波周波的測厚算法提高測量精度，同時采用ARM、FPGA與AD協同工作的方式完成數據快速采集、存儲。為便于進行算法調試及管道減薄分析，裝置可由上位機讀取數據并進行波形回放。經現場實驗測試，該裝置可實現8~35mm范圍內在役管道厚度的內檢測。

電磁超聲；內檢測；在線測厚；厚壁管道；數據存儲

0 引 言

長輸油氣管道廣泛應用于資源運輸作業。對在役油氣管道內檢測，不僅可以避免泄漏事故，同時可以解決國內管道厚度數據缺失問題，提高管道運營安全性、降低維護成本[1-2]。內檢測主要包含管道缺陷檢測及厚度測量。目前管道內檢測主要采用壓電超聲、脈沖渦流、漏磁及電磁超聲等方法。壓電超聲方法可測厚管壁厚，但依賴耦合劑[3]；脈沖渦流方法可分析豐富的頻譜內容，但不能測量厚管壁厚[4]；漏磁方法可對缺陷、位置進行測量，但需預先標定、測厚過程繁瑣[5]。相比上述方法，電磁超聲兼具無需耦合劑、可檢測厚壁管道及測量快速等優點[6]，因而受到國內外廣泛關注。

國外電磁超聲管道內檢測技術，在缺陷檢測及測厚方面均相對領先。德國AG公司研制了一款結合電磁超聲與渦流技術的檢測系統，對管道裂紋缺陷及厚度進行內檢測[7]。美國GE公司研制的電磁超聲腐蝕檢測裝置可對管道厚度及應力腐蝕開裂進行內檢測[8]。而國內管道內檢測領域中，電磁超聲技術的應用鮮有報道。與管道定點檢測、監測不同，內檢測的管道檢測器裝備復雜，對結構設計及調速控制等要求較高[9]；且在檢測器行進中，要求裝置測厚速度較快；同時，檢測器振動易增大電磁超聲換能器（EMAT）提離，影響測厚精度。因此，實現電磁超聲管道內檢測具有一定難度。目前電磁超聲內檢測設備主要依賴進口，較高的成本也阻礙了管道內檢測工作推廣[10-11]。綜上所述，研制一種用于管道內檢測的電磁超聲在線測厚裝置，具有重要的價值。

1 EMAT測厚原理

EMAT由線圈、永磁體及被測試件3部分組成，通過不同線圈與永磁體組合可激發出不同種類的超聲波。對管道在線測厚時，通常使用超聲體波，其激發機理主要為洛倫茲力。在EMAT線圈內通以高頻交變電流，使金屬表面感生出交變磁場，進而在試件表面產生同頻渦流。交變渦流在永磁體磁場作用下產生洛倫茲力，使試件內質點產生周期性振動。這種振動在試件內傳播開來，最終形成超聲體波[12]。EMAT工作機理如圖1所示。

圖1 EMAT工作機理

采用脈沖反射法進行測厚，通過測量回波的反射時間t計算管道壁厚d，計算公式為

式中c為管道內超聲波速，可通過預先校核得到。

2 裝置總體結構及三通道EMAT設計

裝置總體結構如圖2所示，主要由三通道EMAT、發射接收電路以及數據采集處理電路3部分組成。

檢測器振動主要通過增大EMAT提離而影響測厚精度[13]，為減小檢測器振動、EMAT提離增大帶來的誤差，同時為實現多點覆蓋測厚，將三通道EMAT周向排布在管道內壁并輪流觸發測厚，EMAT重復頻率為100Hz。EMAT與檢測器通過彈簧機械連接支撐，以保證EMAT緊壓管壁，減小了檢測器振動對EMAT提離造成的影響；同時由于彈簧機械支撐，各EMAT相對位置幾乎不變，若檢測器振動導致一個EMAT提離增大，另兩個EMAT則壓緊管壁，從而保證另兩個EMAT測厚精度不受影響。三通道輪流測厚后進行平均，可從一定程度上減小誤差。裝置通過大功率發射驅動電路驅動EMAT，在管道內壁激發超聲體波。反射回波由EMAT接收，通過多級放大和濾波電路組成的低噪聲回波接收電路，對回波信號進行放大濾波。采用ARM、FPGA與AD協同工作的方式，控制體波的發射接收并采集回波信號，從而進行厚度計算，最后將回波數據存入SD卡存儲單元。

三通道均采用相同EMAT。設計EMAT時，除需減小檢測器振動引起提離造成的誤差，還需考慮EMAT對提離變化的敏感性。提高線圈頻率可使聲波能量更集中、一定程度上提高測厚精度，但也會使EMAT換能效果對提離變化更敏感，即提離增大時換能效果明顯變差[14]。兼顧EMAT對提離變化的敏感性及線圈頻率對測厚精度的影響，裝置采用2MHz螺旋線圈，與釹鐵硼永磁體配合設計EMAT。

3 電路及測厚算法設計

3.1 發射驅動電路及回波接收電路設計

為保證體波激發強度，首先保證驅動信號功率。發射電路為D類功放電路，由脈沖驅動電路與升壓電路組成，如圖3所示。發射電路產生方波驅動信號，通過匹配阻抗作用于EMAT，從而產生交變信號。雖然增加脈沖數可提高信號幅值，但也會增長振蕩時間，限制可測厚度范圍。因此，驅動信號采用單脈沖觸發，升壓電路電壓達600V。

圖3 發射電路原理框圖

EMAT自身接收回波信號較弱且伴有一定噪聲，需要接收電路放大濾波，提高信噪比。接收電路中加入多級放大及帶通濾波電路，對不同頻率噪聲濾波，提高回波幅值，裝置的接收電路增益為70dB。

將發射接收電路在19.5mm鋼板上進行體波激發接收，回波信號如圖4所示。回波幅值達1.5V，具有較高信噪比，可用于管道內檢測。

圖4 在19.5mm鋼板中接收的2MHz回波波形

3.2 控制采集電路及測厚方法設計

為實現快速測厚及數據存儲，控制采集電路采用ARM、FPGA與AD協同工作的方式：FPGA用于發射接收電路的通道選通，同時進行數據采集處理；ARM對FPGA進行使能控制，并完成回波數據讀取、厚度計算及數據存儲，ARM主頻為72 MHz。外置AD由FPGA提供控制時序，其采樣速率40MHz，采樣精度為12bit。由前述，EMAT重復頻率為100Hz，即兩次測厚時間間隔為10ms。每次測厚時，AD采集2048點，總數據量為4KB，采集時間約50 μs；采集的4KB數據通過SDIO協議寫入SD卡，存儲用時約1 ms。綜上，數據采集及存儲時間小于測厚時間間隔。故該設計可滿足管道檢測中高速采集、存儲數據的需求。

本文通過改進測厚算法以提高測量精度。由于回波信噪比較低，傳統反射方法通過測量回波峰值間隔來測厚[15]。而管壁內聲波波形往往不規律、峰值出現時刻不固定，因此管道測厚誤差較大。

針對上述問題，為了避免回波衰減較快造成的峰值時刻不固定的情況，裝置通過測量峰值時刻較為固定的首個周波返回時間以提高精度[16]。雖然首波峰值時刻較固定，但幅值較微弱，易受噪聲影響。為準確檢測首波，除提高接收電路信噪比外，采用半波整形算法，對同周期正負半波取絕對值相乘、濾掉隨機噪聲。檢測首波后，即可計算厚度。

本裝置可實現回波數據存儲，經半波整形的回放波形如圖5所示。數據由上位機讀取并進行波形回放，便于算法調試及管道減薄情況分析。

圖5 波形回放界面

式中c為超聲傳播速度，Fs為AD采樣速率，由此可得本裝置分辨力約0.04mm。

實際測厚精度也會受到提離、噪聲等因素影響，根據三通道EMAT輪流測厚后取平均、降低線圈對提離變化的敏感性、電路降噪及改進算法等方法，在測厚分辨力為0.04 mm情況下，預估實際管道測厚時誤差可保持在±0.1mm內。以上為對誤差的預估，實際最大誤差將通過實驗測得。

裝置理論測厚精度由分辨力R決定，可表示為

4 實驗測試

為了評判本文裝置測厚性能，分別用游標卡尺與本文裝置對鋼板測厚，聲速3240m/s。由于鋼板各點厚度存在差異，故采用測量鋼板平均厚度的方式：利用游標卡尺對每種鋼板任取10點測厚后取平均，所測厚度為鋼板的平均厚度；使用測厚裝置對鋼板平均厚度進行測量，每種鋼板任取10點，每點任取10組測厚結果取平均。對比結果如表1所示。經測試，本文裝置測厚范圍可覆蓋8~35mm，絕對誤差不超過±0.05mm。

表1 鋼板測厚數據

利用裝置到實驗場測試，如圖6所示。管道材質為鋼，總長為100m，最大牽拉速度5m/s。體波聲速c約3240m/s，管道壁厚d=35mm；根據公式d=ct/2，可得聲波往返時間約22μs。因此，5m/s行進速度下，體波往返中檢測器行進約0.11mm。行進距離相對換能器尺寸較小，故檢測器行進不影響體波接收。

圖6 在現場管道內進行牽拉實驗測試

經測試，電磁超聲管道內檢測裝置可以實現管道測厚功能，最大絕對誤差不超過±0.1 mm，無需耦合劑，不需對探頭繁雜標定，測厚精確快速。

5 結束語

本文采用三通道EMAT輪流觸發、分時檢測后取平均的方法，研制了一種用于管道內檢測的電磁超聲在線測厚裝置。裝置可實現厚度計算、回波數據存儲以及管道數據分析等功能。經現場測試，最大絕對誤差在±0.1mm內，管道測厚范圍達8~35mm。本裝置測厚精確快速，可用于無法持續涂抹耦合劑的燃氣管道及輸油管道內檢測，對提升管道運營安全性及降低管道網絡維護成本，具有實際意義。

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（編輯：莫婕）

Thickness gauging equipment for ILI of pipelines using EMATs

SUN Zheng，LI Yongqian，YANG Jinxu，ZHAI Guofu
（Military Apparatus Research Institute，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

In order to solve the thickness data missing problem，a thickness gauging equipment for ILI （in-line inspection） of pipelines using EMATs（electromagnetic acoustic transducer） was developed.This equipment was also designed for detection of remaining thickness of pipe wall.In order to avoid errors caused by shaking of pipe detectors and increasing of lift-off，three-channel EMATs take turn to work，deriving the mean cumulative result as the thickness.By improving the signal-noise ratio and adopting the fist cycle，accurate thickness gauging and data storage was achieved on the move of the pipe detector.ARM，FPGA and AD cooperated to achieve high-speed data acquisition and storage.In order to debug the algorithm and detect the remaining thickness，the equipment also contains functions of data storage and wave form playback.Experimental results indicate that the equipment can gauge pipes whose wall thickness ranges from 8mm to 35mm.

EMAT；ILI；in-line thickness gauging；thick-wall pipe；data storage

A

：1674-5124（2017）02-0069-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.014

2016-07-20；

：2016-08-29

孫 崢（1993-），男，河北獻縣人，碩士研究生，專業方向為電磁超聲油氣管道在線檢測。