管道漏磁檢測性能評價裝置設計

胡勝生 浦 哲 王繼鋒

上海市特種設備監督檢驗技術研究院 (上海 200062)上海壓力管道智能檢測工程技術研究中心 （上海 200062）

管道運輸已成為石油和天然氣傳輸的首選方式，在國民經濟發展中發揮著不可替代的作用[1]。但是，管道長期受內部介質和外部空氣等因素影響，非常容易發生腐蝕，甚至產生穿孔，發生介質泄漏、管道爆炸等事故，嚴重威脅國家和人民財產安全[2-4]。

管道漏磁內檢測器是國內外長輸油氣管道的主要檢測工具。實踐證明，對管道開展在線檢測，根據檢測結果進行科學管理和維護，會收到顯著的經濟效益及社會效益。管道漏磁檢測器在國內的應用和推廣保障了管道的安全運營，在管道運輸中起到非常重要的作用，給業主帶來的便利也非常明顯。

管道漏磁檢測器的檢測原理是：其磁缸通過鋼刷與管道內壁接觸，管道壁周向上形成一個縱向磁力場。漏磁檢測器在管道內運行，當管道完好沒有缺陷時，管壁上磁力線的分布均勻且穩定，而當管道內、外壁存在缺陷時，缺陷部分的磁力線就會穿透管壁，磁力線的漏出導致磁場發生改變。位于N，S兩極間的檢測探頭檢測到變化磁場的信號，經過放大和模擬、數字信號轉換，把檢測數據貯存在SMC盒上，再利用計算機專用分析軟件對數據進行分析，可以知道全部檢測管道的管壁缺陷情況。

國外的管道漏磁內檢測技術已經發展了幾十年，技術比較成熟，如：美國的圖博維高公司（Tuboscope）、通用電氣公司 （GE）、逖帝威廉森公司（TDW），英國天然氣公司（British GAS），德國羅恩集團（Rosen）等公司的產品已經實現了系列化，可向用戶提供檢測服務。但是目前，上述公司對國內只賣服務、不賣產品，檢測費非常昂貴。如果購買其服務除了要考慮他們設備的檔期（檢驗時間不便）之外，還需要國內用戶提供輔助（如清管、管線情況的英文介紹），給實際檢測帶來很大困難。國內的管道內檢測技術起步較晚，20世紀90年代末才開始內檢測器的研究。中國石油管道局有限公司、沈陽工業大學是國內管道內檢測技術發展最快的兩家單位，目前已研制出幾種常規口徑的內檢測器；但國內設備的可靠性及檢測精度與國外設備仍存在較大差距，關鍵技術仍然有待于進一步的發展。一套完整的管道漏磁內檢測器包括驅動部分、磁路部分、支承部分、探頭部分、數據采集與存儲部分、速率控制部分及里程輪等，涉及磁、電、機械、軟件等多個專業，結構十分復雜。因此，發展我國管道內檢測技術需要國內研究人員堅持不懈的努力。

目前管道漏磁檢測器開發的難點在于如何準確識別管道缺陷，因此需要一種專門的實驗裝置，在實驗中模擬多種試驗工況，實現不同運動速率、磁場強度和探頭位置等技術參數的組合，評價管道漏磁檢測性能，并完成實驗數據的自動采集和存儲。在此背景下，上海市特種設備監督檢驗技術研究院研發出了滿足上述要求的裝置。

1 裝置原理與組成

1.1 裝置結構與組成

裝置包括機架、行車、行走機構和操控顯示臺。行車上安裝有漏磁檢測器、伺服電機、升降機構、直線導向器及滑塊等，具體如圖1，圖2所示。

圖1 裝置的結構組成圖

圖2 行車結構圖

機架上端前后兩側分別設有直線導軌，行車設置在機架上端、直線導軌上，行車上設有行走機構，用于驅動行車在直線導軌上滑動；行車上還設有升降機構（升降機構下端設有漏磁檢測器），用于驅動漏磁檢測器上下移動；機架位于行車運動區域下方具有待測半管的放置空間，機架內側下端設有可調整支架，用于支撐待測半管、調節待測半管相對于漏磁檢測器的水平；機架側面設有操控顯示臺，用于操控、顯示行車和升降機的運動。

機架左右兩端分別設有緩沖器，直線導軌外側、機架上設有限位傳感器，用于保護行車的安全；行車上設有速率傳感器，用于精確檢測行車運行速率；機架的一端設置有L型不銹鋼支架，以方便漏磁檢測器的裝卸與探頭的替換。

行車下端前后兩側分別設有與直線導軌配合的滑塊。

行走機構包括交流伺服電機、齒輪和齒條。齒條設置在機架內側上端；交流伺服電機安裝在行車上端；齒輪安裝在行車下端，與齒條相對應、與交流伺服電機連接。通過交流伺服電機帶動齒輪沿著齒條轉動，進而驅動行車沿著直線導軌滑動。

升降機構包括直線導向器、升降機和不銹鋼安裝板。升降機和直線導向器安裝在行車上端，升降機與直線導向器連接，用于控制直線導向器的導向桿升降；不銹鋼安裝板安裝在行車下端，與直線導向器下端的導向桿連接，用于安裝漏磁檢測器。4個直線導向器呈正方形對稱安裝在行車上。圖3為裝置的實物圖。

圖3 裝置實景圖

1.2 裝置設計原理

裝置原理為：固定在行車上的交流伺服電機驅動行車上的齒輪與機架上的齒條嚙合滾動，使得行車沿著機架上的導軌運行，同時安裝在行車下部的漏磁檢測器的探頭緊貼待測半管內壁進行檢測。檢測過程為：行走機構驅動行車沿軌道運行（此時需要克服小車自重和磁力引起的車輪與軌道間的摩擦力，以及鋼刷與管道內壁的摩擦力），當運行到待測半管入口時停止。與此同時，行車上的升降機構啟動安裝在行車下部的漏磁檢測器下降，直到漏磁檢測器的中心線與待測半管的中心線一致。行走機構再次啟動，行車按設置速率運行，同時檢測器探頭緊貼待測半管內壁進行檢測，行車運行到既定位置減速、停止。升降機構將檢測器上升至初始位置，行車返回到原點，檢測結束。

2 電機計算與選型

裝置通過行車上的伺服電機進行驅動，因此電機是整個裝置的關鍵部件，其選型對裝置的設計非常重要。考慮到行車運行速率及位置精度要求較高，選擇交流伺服電機。

選用電機額定功率為11 kW，減速機減速比為1∶5，齒輪嚙合基準圓半徑為120 mm，摩擦系數為0.15，小車質量為 300 kg，磁力為200 kg，電機額定扭矩為70 N·m，額定轉速為1 500 r/min，鋼刷與待測半管摩擦力為4250 N，行車設計速率為1.5 m/s。計算過程如下：

式中：f1為滑塊與導軌的摩擦力，N；mg為小車自重與磁力的總和，N；f2為鋼刷與待測半管間的摩擦力，N；f總為行車的總摩檫力，N；F 為電機驅動力，N；T為電機扭矩，N·m；n 為額定轉速，r/min；r為基準圓半徑，m；i為減速比；η為摩擦系數；v額為行車的額定速率，m/s；v設為行車的設計速率，m/s；F為行車的驅動力，N；a為行車的加速度，m/s2；m車為行車的質量，kg；t設為行車達到設計速率所需時間，s；S設為行車達到設計速率所走路程，m。

從以上公式推導可以知，v額＞v設，滿足要求。

小車加速到設計速率1.5 m/s，用時0.54 s，此時小車行走了0.4 m。

3 漏磁檢測器

漏磁檢測器作為裝置的檢測單元，起到檢測與存儲測量數據的作用。由于正常工作時受前后介質壓力差驅動運行，所以漏磁檢測有驅動皮碗。而該裝置是由電機驅動運行，為了適應運行條件，拆除檢測器驅動皮碗，并設置專用安裝孔用于連接裝置。

漏磁檢測器主要由基體、鋼刷、檢測探頭、磁鐵及SMC盒等組成，如圖4所示。磁鐵通過鋼刷導磁，與基體及待測管道形成閉合磁回路，檢測探頭在閉合磁回路中，通過磁特性原理對管道缺陷進行檢測，SMC盒則進行檢測數據的儲存。檢測結束后，通過數據分析與實際缺陷進行對比，對檢測效果進行評價。所研發裝置可以通過更換漏磁檢測器實現不同磁場強度和探頭位置等技術參數的組合，以及對不同探頭的檢測性能進行評價。

圖4 漏磁檢測器結構圖

4 結語

未來，漏磁檢測器朝著高精度、高可靠性方向發展，所以同時要求配套高性能的實驗輔助裝置。所研發管道漏磁檢測性能評價裝置能有效模擬多種試驗工況，實現不同運動速率、磁場強度和探頭位置等技術參數的組合。該裝置配有專用操控顯示臺，方便操控設備，并顯示設備運行參數；能有效評價漏磁檢測器的探頭檢測性能，通過漏磁檢測器對漏磁信號進行采集、存儲，輔助漏磁檢測器的開發與使用。