金屬管道腐蝕量的電磁法檢測

(陜西國防工業職業技術學院 智能制造學院，西安 710300)

金屬管道運輸有著高速、便捷、安全等優點。管道在線運營時間長，特別是處于環境惡劣的埋地金屬管道易發生腐蝕，從而造成管道內介質泄漏，引發安全事故。目前，針對埋地金屬管道腐蝕量的計算方法主要有兩種：文獻[1]提出通過神經網絡算法，找出與金屬管道腐蝕量相關的參數建立模型；文獻[2]指出建立金屬管道電導率和腐蝕量之間的數學關系。兩種方法都是借助理論和試驗相結合的研究方法總結得出的，為油氣運輸提供了安全保障。

1 金屬管道腐蝕量檢測方法

圖1 地下金屬的電磁檢測技術原理示意

地下金屬的電磁勘探設備主要由3部分組成：傳感器，控制單元和數據分析部分(見圖1)。先施加特定的電流信號給傳感器，讓其在空間形成電磁場，然后電磁場擴散到金屬管道表面，形成渦流效應。由電磁感應定律可知，金屬管道的壁厚，電導率、磁導率會不同程度地影響其表面渦流的衰減速度。渦流在空間衰減的過程中形成二次磁場，二次磁場信號被接收傳感器接收，通過分析和處理，從接收的磁場信號可以得到被檢金屬的特征參數。該檢測技術在時間和空間上都具有可分性，時間上可分是指接收信號和激勵信號一前一后沒有干擾；空間上可分是指激勵頻率不同導致一次磁場的能量和穿透力不同[3]。

2 試驗方法與數據分析

2.1 試驗系統及試件

信號激發源選擇瞬變電磁儀(見圖2)，可以激發不同電壓和頻率的信號，電壓為-2020 V，頻率為1/16～32 Hz。傳感器采用自制的線圈，線圈形狀為圓形，激勵線圈直徑為250 mm，漆包線直徑為1 mm，匝數為200，檢測線圈直徑為150 mm，漆包線直徑為0.25 mm，匝數為500。采用與管道材料相同的試件，尺寸為50 mm×50 mm(長×寬)，數量為4個，板材厚度分別為5，10，15，20 mm。

圖2 檢測設備現場

2.2 檢測信號分析

通過分別在試件1(d=5 mm)，試件2(d=10 mm)，試件3(d=15 mm)，試件4(d=20 mm)上進行試驗(d為厚度)來獲取感應電壓，經過濾波處理得到感應電壓曲線(見圖3)，但無法從感應電壓曲線中分辨不同厚度信號的差異，需要把笛卡爾坐標系轉化成雙對數坐標系(見圖4)。由圖4可知，信號在后期幅值存在較大差異，衰減速度排序為：v5 mm>v10 mm>v15 mm>v20 mm，與之前檢測信號理論分析規律吻合。

圖3 感應電壓曲線(笛卡爾坐標系)

圖4 感應電壓曲線(雙對數坐標系)

2.3 試驗步驟及數據分析

為了研究傳感器與試件之間的垂直高度(也稱提離高度)對檢測數據的影響規律，筆者合理設計試驗步驟和裝置，檢測原理如圖5所示。從試件1，試件2，試件3，試件4在提離高度分別為0，50，100，150，200 mm情況下得到的檢測數據中，每組選擇相鄰5個數據，采用y=Aekx函數進行擬合處理(y為感應電壓，A為信號幅值，k為衰減率，x為時間)，對比選擇出每組數據中衰減率的最大值,以此作為評價依據，得到的檢測數據如表1所示。通過對比分析可知：當提離高度H小于100 mm時，檢測信號衰減率基本相同，只是幅值發生變化，提離高度越小，信號幅值越大；當提離高度H大于100 mm時，衰減率變化較大，這是因為激勵線圈有效響應面積大于試件表面積，形成的渦流不均勻。對于厚度為20 mm的試件，信號衰減率忽大忽小，無法分辨規律。說明對于厚度超過20 mm的試件，該傳感器的檢測結果可信度低。

圖5 提離高度檢測原理示意

厚度/mm提離高度/mm幅值/T衰減率00.109 4-0.211 6500.029 6-0.210 2d=51000.009 6-0.219 21500.004 0-0.235 32000.001 7-0.235 500.008 1-0.048 1500.002 1-0.048 2d=101000.001 3-0.048 41500.000 5-0.067 72000.000 2-0.048 800.001 7-0.018 0500.000 5-0.018 1d=151000.000 2-0.018 31500.000 1-0.025 32000.006 3-0.079 600.000 3-0.008 0500.000 2-0.011 3d=201000.000 1-0.005 71500.005 4-0.002 32009.682 4-95.325

3 基于斜率特征量的測厚算法

綜上數據分析可知，由于在金屬管道表面產生的渦流信號過于微弱，后期幅值達到微伏或者毫伏級別，不同厚度的檢測信號在笛卡爾坐標系中無法分別出規律，只有經過坐標變換，在雙對數坐標系下才能看出結果與理論相符。對于同一提離高度下，試驗設備、參數及環境一致，唯一影響信號變化的只有試件厚度，因此該衰減率與試件厚度存在某種函數關系[4-5]。

基于檢測信號衰減率評價埋地金屬管道壁厚腐蝕量的方法如下所述。

(1) 提取同一種材料、不同厚度試件的感應電壓信號，選擇合適的數據區間，采用y=Aekx函數進行擬合處理，得到信號衰減率。

(2) 繪制厚度和其對應的衰減率坐標點，利用ORIGIN軟件擬合，選擇可信程度最高的函數，進一步得到厚度與衰減率之間的數學模型。

(3) 取同一種材料的其他未知厚度的試件，提取衰減斜率，代入數學模型反演出與之對應的試件厚度，并通過超聲測量未知試件的厚度,與反演出的值進行對比，如果相對誤差不超過5%，則說明該算法可行。

在提離高度為50 mm的情況下，繪制試件1，試件2，試件3的檢測數據坐標點(斜率為橫坐標，試件厚度為縱坐標)，經過反復多次選擇和對比，最終得出用冪函數進行擬合。采用相同的方法對提離高度為0，100 mm的情況進行數據處理。擬合結果表明：在有效的提離高度下，擬合方程均為y=2.589 5·x-0.439，決定系數R2=0.997 59，不僅擬合方程和實際符合程度高，而且可信度高。

在提離高度為50 mm的情況下，對3個試件的檢測數據進行處理，得到衰減率，代入上述擬合公式，反演計算出理論厚度，再通過超聲測厚儀對試件厚度進行實際測量，結果如表2所示。

表2 提離高度為50 mm的理論厚度與實際厚度對比

結果表明：信號衰減率與厚度存在一一對應的關系，通過上述方法得到的金屬管道壁厚理論值和實際值相差很小，相對誤差不大于5%，滿足精度要求。

4 結語

通過搭建試驗平臺，以不同厚度的鋼板為試件，提取同一提離高度下不同厚度試件的衰減斜率，進行數據擬合，得到擬合公式，最后驗證該算法的準確性。結果表明，該算法可以把檢測精度控制在5%內，且不受提離高度的影響。