管道內壁缺陷電磁成像教學實驗系統開發

袁新安， 張廣泰， 李 偉， 尚亞期， 趙建超

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580；2.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300450)

0 引 言

管道作為高效、經濟、可靠的介質輸送方式，在石油化工領域有著廣泛應用。管道經常輸送原油、化工、污水等腐蝕性介質，在管道內外壓力及溫度變化過程中，管道內壁可產生應力腐蝕裂紋等缺陷，威脅管道的安全運營。目前，我國在役油氣輸送管道里程約15萬km，預計2025年將達到24萬km。管道建設及運維在未來5年將高速發展，開展管道內壁缺陷檢測的研究及教學十分必要和緊迫[1-3]。工業現場通常采用管道豬等載具對管道內壁缺陷檢測，但管道豬通常體積較大，具備多個信號處理關節，不具備實驗室教學和測試條件，同時管道豬信號采用存儲方式，不能實時展示缺陷信號，需后處理識別和定位缺陷，影響實驗室條件下教學和測試效果。

針對以上問題，基于均勻渦電流效應提出一種能夠直觀呈現管道內壁缺陷的電磁成像檢測方法，研制高精度磁場成像傳感器陣列，開發電磁成像檢測實驗平臺，實現管道內壁缺陷直觀成像顯示，提升實驗室條件下管道內壁缺陷實驗及教學效果[4-5]。

1 均勻渦電流檢測原理

均勻渦電流檢測技術原理如圖1所示，管道內部均勻放置同軸激勵線圈，線圈內加載正弦激勵信號，激勵線圈內部與外部呈現磁力線回路。激勵線圈外部的軸向磁場在管道內壁感應出均勻周向渦電流，周向均勻渦電流垂直繞過管道內壁缺陷并發生聚集和偏轉，在缺陷中心區域渦電流密度變得稀疏。均勻渦電流擾動引起空間磁場畸變，通過磁場傳感器測量畸變磁場可對裂紋檢測和評估[6]。

圖1 均勻渦電流檢測技術原理

由于電磁屏蔽效應存在，激勵線圈內部與外部形成的磁場回路大部分聚集在管道內，磁力線沿著管道內壁分布。設管道內徑為r，激勵線圈內徑為r0，位于管道中的激勵線圈在線圈內部產生的磁通密度為Bin，則線圈內部的磁通

(1)

激勵線圈與管道內壁間隙的磁通密度Bout可近似表示為：

(2)

由式(2)可知，當管道內徑與激勵線圈直徑接近時，Bout將顯著增大。也即，當激勵線圈與管道內徑之間間隙越小，線圈外部的磁通密度越大。為了盡可能減少激勵線圈與管道內徑之間距離，增強電流的激勵效果，可將磁場傳感器陣列放置在激勵線圈內側，便于獲取缺陷周圍畸變磁場信息。

2 電磁成像實驗系統

2.1 系統總體設計

電磁成像實驗系統總體設計如圖2所示。

圖2 管道內壁缺陷電磁成像檢測系統總體架構

主要包括檢測部分和運動臺架兩部分，檢測部分包括信號處理箱和探頭，探頭骨架上纏繞激勵線圈，傳感器布置在激勵線圈內側，信號處理箱內設有信號發生模塊、功率放大模塊、放大濾波模塊及信號采集模塊，信號發生器產生正弦激勵信號加載至探頭上的激勵線圈，激勵線圈在管道內壁感應出均勻渦電流，當遇到缺陷時均勻渦電流產生擾動，引起空間磁場畸變。安裝在探頭激勵線圈內側的傳感器測量畸變磁場信號，經過信號處理箱內的放大濾波模塊后傳輸至信號采集模塊。信號采集模塊將畸變磁場模擬信號轉換成數字信號，傳輸至計算機完成信號的處理和成像顯示[7-9]。

2.2 運動臺架設計

運動臺架結構設計如圖3所示，電動機B通過滾珠絲杠帶動移動平臺水平移動，安裝在移動平臺上的電動機A可帶動主軸旋轉，電磁成像檢測探頭安裝在運動臺架主軸的端部。通過PLC控制電動機A和電動機B轉動，實現探頭在管道內部的伸縮和旋轉，獲取管道內壁不同位置缺陷周圍畸變磁場。

圖3 運動臺架設計

2.3 檢測探頭開發

檢測探頭主要包括激勵線圈、探頭骨架和隧道磁阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)磁場傳感器陣列，如圖4所示。探頭骨架采用PVC塑料加工而成，激勵線圈均勻纏繞在PVC外側的槽內，5組TMR磁場傳感器排列在探頭內側，每組間隔20°，形成覆蓋周向100°范圍的檢測區域。每組TMR磁場傳感器包括兩個靈敏軸，可測量管道軸向磁場(Bx)和徑向磁場(Bz)。利用5組TMR磁場傳感器測量的軸向和徑向畸變磁場數據可直接呈現該區域內畸變磁場圖像。通過轉動臺架電動機A、B，帶動探頭在管道內部旋轉和前進，可實現管道內壁缺陷全覆蓋成像顯示[10]。

(a) 探頭內部結構

2.4 關鍵硬件模塊開發與選型

儀器搭配的電磁成像檢測探頭需要加載正弦激勵信號，本文采用直接數字頻率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術開發信號發生模塊。為了滿足激勵線圈功率要求，對信號發生模塊功率放大，電路原理圖如圖5(a)所示。圖5(a)中左側為AD9833信號發生器電路圖，選用AD9833作為DDS信號發生芯片，搭載了一個25 MHz的有源晶振，輸出為Uout，由于AD9833是用SPI通信來控制其輸出波形種類和頻率，所以引出接100 Ω的3根SPI通信線，外接數據采集卡進行模擬SPI通信即可控制AD9833產生特定信號[11-12]。

AD9833信號發生器輸出為電壓信號，幅值約600 mV，達不到直接驅動均勻纏繞線圈的磁芯產生交流電磁場，所以需要增加功率放大電路。選擇TDA2030A功放電路。圖5(a)中右側部分為功率放大電路部分，其中輸入為DDS信號發生器的輸出Uout，輸出為Pout。由于TDA2030A功率可達18 W，而為了儀器低功耗要求，需要設計可調電路來完成調整功率。可調設計分為兩部分，第1部分為RP1部分，通過調節輸入的電壓大小來調節功率，第2部分為RP2部分，TDA2030A放大倍數≈RP2/R5，所以調整RP2即可調整功率放大的放大倍數，最終輸出頻率為2 kHz，幅值為10 V，功率可調的正弦激勵信號[13]。

(a) 信號發生及功率放大電路>

探頭內部TMR磁場傳感器將測量的微弱畸變磁場信號轉變為電壓信號，需要對信號放大濾波，電路原理圖如圖5(b)所示。濾波器主要由高通濾波和二級有源低通濾波器，通過調整電阻和電容調整濾波器截止頻率，形成帶通濾波器，低通截止頻率為10 kHz，高通截止頻率為800 Hz。放大模塊由等比例放大器組成，調整電阻使放大倍數為4倍[14]。

信號采集模塊選用NI USB6361采集卡，采樣率可達到1.00 MS/s，具備16路差分信號，A/D轉換精度達到16 bit,滿足電磁成像實驗系統要求。

3 電磁成像軟件開發

3.1 軟件系統構架

管道內壁缺陷電磁成像實驗系統軟件整體構架如圖6所示，核心程序采用LabVIEW開發，主要包括信號采集，信號處理，結果顯示和數據存儲4個模塊。信號采集模塊主要用于配置采集通道，設置采集參數以及采集信號的調試。信號處理模塊主要包括數字增益濾波，求均方根和歸一化處理3部分。增益濾波提高檢測磁場信號的信噪比，求均方根將正弦響應信號變為有效值信號，歸一化處理消除不同傳感器之間的差異，將初始值信號歸一化至0基值。經過軟件處理的特征信號數據顯示在計算機上，并將原始數據存儲至計算機[15-16]。

圖6 軟件系統構架

3.2 軟件界面設計

為了方便教學演示和人機交互，軟件界面設置開始、停止、刷新、存儲、閾值設定等功能鍵，軟件界面如圖7所示。軟件界面顯示部分主要包括特征信號和磁場圖像，特征信號包括5組軸向磁場信號和5組徑向磁場信號，磁場圖像分別為不同通道傳感器獲取的信號插值形成的軸向磁場圖像Bx和徑向磁場圖像Bz。通過特征信號和磁場圖像可直觀顯示管道內壁畸變磁場位置，便于缺陷的判定和評估[17]。

圖7 電磁成像軟件界面

4 管道內壁缺陷電磁成像測試

4.1 測試系統

管道內壁缺陷電磁成像測試系統如圖8所示，主要包括信號處理箱、計算機、運動臺架、PLC控制器。檢測探頭安裝在運動臺架主軸端部，管道固定在滾輪固定座上，運動臺架安裝在液壓平衡支架上，保持運動臺架主軸與管道內徑同軸。PLC控制器控制運動臺架的主軸伸縮和旋轉，帶動檢測探頭全方位完成管道內壁缺陷成像測試。

圖8 管道內壁缺陷電磁成像測試系統實物

4.2 缺陷試塊

管道缺陷試塊選用鋁管，鋁管外徑為65 mm，內徑為47 mm。鋁管內壁設有4個裂紋，1#裂紋長30 mm、深2 mm，2#裂紋長30 mm、深4 mm，3#裂紋長30 mm、深4 mm，4#裂紋長40 mm、深4 mm，上述裂紋的寬度均為0.5 mm，管道內壁裂紋尺寸和圖片如圖9所示[18]。

(a) 缺陷圖紙>

4.3 測試結果

利用PLC控制運動臺架的B電動機轉動，滾珠絲杠帶動移動平臺以40 mm/s速度勻速前進，運動臺架主軸伸進管道內部，檢測探頭測量管道1#和2#裂紋周圍畸變磁場圖像，如圖10(a)所示。在非缺陷區域由于管道內壁感應渦電流為均勻狀態，軸向磁場Bx和徑向磁場Bz呈現特定均勻數值。當遇到裂紋時，均勻渦電流產生擾動，軸向磁場Bx發生畸變，呈現極大峰值，徑向磁場Bz出現正負峰值，直觀顯示兩個裂紋缺陷的存在。同時，由于2#裂紋比1#裂紋缺陷更深，2#裂紋周圍畸變磁場幅值比1#裂紋更大。由此說明，電磁成像檢測系統不僅能直觀判定缺陷的存在，通過幅值可反映缺陷深度大小。

(a) 不同深度裂紋成像>

完成1#和2#裂紋測試成像任務后，利用PLC控制運動臺架的A電動機轉動，使主軸旋轉180°，繼續控制運動臺架的B電動機轉動，使探頭繼續勻速前進，測量3#和4#裂紋周圍畸變磁場，如圖10(b)所示。磁場圖像可明顯看出兩個缺陷的存在，兩個裂紋深度相同，軸向磁場Bx和徑向磁場Bz畸變幅值基本相同。由于4#裂紋比3#裂紋更長，4#裂紋附近軸向磁場Bx和徑向磁場Bz在管道軸向方向覆蓋范圍更大。由此說明，電磁成像系統畸變磁場在軸向的影響范圍可反映裂紋長度。

5 結 語

本文以均勻渦電流檢測原理為基礎，研制電磁成像信號激勵與處理硬件關鍵模塊及掃描平臺，開發管道內壁缺陷電磁成像軟件，形成一套完整的管道內壁缺陷電磁成像檢測實驗系統，并開展實驗測試，主要得到如下結論：

(1) 研發的管道內壁缺陷電磁成像系統可呈現缺陷周圍畸變磁場圖像，可直觀顯示缺陷的存在，促進學生理解管道內壁缺陷檢測原理和過程，豐富了傳統無損檢測的教學內容，提升管道內缺陷無損檢測課程教學效果。

(2) 管道內壁缺陷電磁成像系統檢測的畸變磁場幅值反映缺陷深度，畸變磁場在軸向覆蓋范圍反映缺陷長度，為管道內壁缺陷量化、評估教學和科研提供可行性，具備由實驗室向現場推廣應用的價值。

(3) 研發的管道內壁缺陷電磁成像系統融合機電、信息、傳感器、圖像、數字信號處理等多學科知識，增加了學科交叉的學習體驗，幫助學生更好理解課程，培養學生解決復雜工程問題的能力。