金屬管道磁應力測量系統設計與開發

牛露燕，任旭虎，王瀚林，趙雪陽，由鄭

（中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，山東青島 266580）

埋地管道運輸是目前油氣輸送最安全有效的方式[1]。由于工作介質和機械損傷等因素的影響，管道容易出現疲勞、裂紋、腐蝕等多種問題[2]，導致泄漏、爆炸等事故的發生，造成經濟損失甚至會威脅到人身安全。因此，在對管道安全性和可靠性進行檢測時，選用一種能實現對管道早期損傷進行檢測的方法，對管道運輸風險的控制和預警具有極其重要的意義。

金屬磁記憶檢測技術(Metal Magnetic Memory Testing，MMMT)是一種新型的無損檢測技術，僅在地磁場環境下就可以實現對鐵磁性管道應力集中狀態的檢測[3]。目前國外金屬磁記憶檢測設備研發最為成熟的是俄羅斯的動力診斷公司，其成功生產的TSC 系列金屬磁記憶檢測設備，在很多國家和地區得到了推廣和使用[4]。國內對于金屬磁記憶檢測設備的研發起步較晚，市面上較為常見的有廈門愛德森公司的EMS 系列檢測設備和必可測公司的MMT系列檢測儀，但都無法對材料進行提離一定高度的檢測[5]。相對于國外，國內大部分檢測設備無法實現非接觸式檢測，且關鍵技術依賴于國外進口設備。

針對于上述問題，該文基于金屬磁記憶檢測技術研發了一種金屬管道磁應力測量系統。該系統能夠對非開挖狀態的埋地管道進行無損缺陷檢測，實現對埋地管道腐蝕缺陷、焊縫等應力集中部位的檢測。

1 磁記憶檢測技術

金屬磁記憶檢測技術是一種被動的檢測方法，與漏磁檢測方法類似，也是基于鐵磁性材料的高磁導率特性、磁致伸縮效應和磁彈性效應實現的[6]。其基本工作原理是在外部載荷和地磁場的共同作用下，應力和形變集中區內的磁疇結構將會發生不可逆地重新定向，這種變化會使鐵磁性材料發生磁化現象，從而在應力與形變集中區產生漏磁場[7-9]。因此，在檢測過程中通過獲取管道上方的漏磁場信息就可以確定管道的缺陷和損傷部位的位置，且無需任何外部勵磁。而當管道表面不存在缺陷時，磁場會均勻分布[10-11]。管道局部缺陷處的磁信號特征示意圖如圖1 所示。

圖1 管道局部缺陷處的磁信號特征示意圖

2 需求分析及總體方案設計

2.1 需求分析

埋地管道本身的磁信號非常微弱，在埋深較深和垂直地表的方向，磁信號衰減得非常快，并且當周圍環境中存在磁場干擾時，很容易引起誤判[12]。因此在設計該系統時，需要選用一種精度較高且對弱磁敏感的三軸磁探頭來采集管道產生的微弱磁信號，對采集到的信號進行調理后經過高精度A/D 芯片轉換為數字量，再通過主控STM32 單片機傳遞至嵌入式交互系統，在交互系統內進行軟件開發，實現數據波形的顯示、即時存儲、回放查看及診斷分析功能。同時，在制作儀器時，為了降低磁性物體對檢測結果的干擾，應盡可能避免選用鐵磁性材料和自帶磁場的器件等[13]。

2.2 管道磁應力測量系統硬件設計

硬件電路部分主要包括電源模塊、多路信號采集模塊、探頭信號調理模塊、主控模塊及用戶交互模塊。系統總體硬件框圖如圖2 所示。電源模塊為其他模塊提供不同的供電電壓；三軸磁探頭將采集到的磁信號轉化為電壓信號，經信號調理模塊輸入多路信號采集模塊；主控模塊與多路信號采集模塊通信，接收經數字量化后的電壓信號；用戶交互模塊通過UART 端口與主控模塊通信，進行最終的波形顯示、數據存儲、信號回放及診斷分析。

圖2 系統總體硬件設計框圖

2.2.1 電源模塊

系統電路對可靠性、安全性、穩定性有較高的要求，設計時電源電路需要考慮元件的耐壓值、功率值等多項參數。電源部分由多個子電路構成，輸出不同的電壓為整個系統供電，根據每個模塊的不同性質，使用DC-DC 穩壓芯片、LDO 穩壓芯片以及隔離DC-DC 電源模塊等器件將電壓調整至滿足需求。由于要區別測量模擬信號和邏輯數字信號，電源電路隔離為兩部分，分別接模擬地和數字地。電源電路設計圖如圖3 所示。

圖3 電源電路設計圖

2.2.2 探頭信號調理模塊

探頭信號調理模塊將探頭輸出的模擬信號進行隔離、濾波以及阻抗匹配，再輸入至多路信號采集模塊的AD7608 芯片中，大大降低了干擾與誤差。該部分電路設計主要包括一階RC 低通濾波電路和電壓跟隨電路兩部分。

為去除探頭采集到的測量信號中可能出現的高頻噪聲分量，確保輸入A/D 芯片的信號精度，設計一階RC 低通濾波電路。因系統采樣頻率為20 Hz，所以將其截止頻率設置為70 Hz。另外，為了解決無探頭時運放輸入端電平懸空可能導致輸出不穩定的問題，添加直流通路電阻進行下拉，使其輸入懸空時輸出保持固定。

系統設計時采用OPA2189IDR 高精度運放芯片構成電壓跟隨電路。該運放芯片具有超低噪聲和零溫漂特性，可提供軌到軌輸出運行，非常適合高精度儀表和信號測量的應用，滿足系統設計的需求。

2.2.3 多路信號采集模塊

系統共用了兩個磁信號采集探頭，每個磁信號探頭采集3 路信號，因此共采集6 路信號，且需要同步采集。而單片機內部ADC 精度較低且幅值最高僅為3.3 V，不滿足該系統的需求。因此該模塊采用的是18 位電荷再分配逐次逼近型的模擬數字轉換器AD7608，可支持8 路同步采樣差分輸入[14]。A/D采集模塊電路設計圖如圖4 所示。

圖4 A/D采集模塊電路設計圖

2.2.4 主控模塊

主控芯片作為整個系統的控制核心，需要具備較高的運算能力。因此，綜合該系統的設計需求，選用STM32F103RCT6 作為主控芯片，該芯片具有運行速度快、可擴展性強、編程自由化程度高、尋址方式靈活等優點，完全滿足系統設計時的所有需求[15]。主控模塊設計框圖如圖5 所示，MCU 接收用戶通過按鍵發送的指令，利用串行外設接口（SPI）與A/D 芯片通信，得到轉換好的電壓數據，再通過UART 端口將數據傳遞至嵌入式交互系統進行下一步處理與操作；同時主控采集電池電壓，在屏幕上實時顯示；無線透傳WIFI 模塊與GPS 為預留模塊，以供后續系統優化升級。

圖5 主控模塊外圍電路設計框圖

2.3 管道磁應力測量系統軟件設計

系統總體程序由信號采集處理程序和信號綜合分析程序兩部分組成。信號采集處理程序與信號綜合分析程序分別獨立運行于主控模塊的STM32F103RCT6單片機與Linux 組態嵌入式交互系統中，兩者間通過UART 端口進行異步雙向通信，傳遞指令與數據。信號采集處理程序負責控制多路信號同步采集模塊，對測量信號進行采集與處理，且可以將實時狀態與數據發送至信號綜合分析程序中，并可以響應來自信號綜合分析程序的控制信號；信號綜合分析程序可對信號處理程序傳來的測量數據進行分析，并將數據繪制成波形圖顯示出來，實現數據可視化，為管道缺陷分析奠定基礎。

2.3.1 信號采集處理程序設計

信號采集處理程序的主要功能是讀取外部A/D芯片的數據并進行處理，再將數據發送至信號綜合分析程序。該部分程序使用了支持多線程運行的FreeRTOS 作為基本系統架構，其能夠使系統中的多個子程序并發運行[16]。信號采集處理程序的功能框圖如圖6 所示。

圖6 信號采集處理程序功能框圖

在該部分程序中，每個線程中都包含一個子程序。其中，外部A/D 采樣子程序通過控制MCU 內部SPI 總線，向A/D 芯片發送控制指令以及讀取采集到的數據；信號處理子程序用于對讀取到的原始數據進行濾波、數據校驗，并格式化為數據幀；串口通信子程序能夠控制MCU 的多個UART 端口，可使MCU與信號綜合分析程序進行通信；自檢與異常狀態處理子程序會實時掃描系統的運行狀態，當系統發生異常狀況（如外設離線、電池電壓過低）時及時進行軟件保護并提醒用戶；用戶子程序中包含一個有限狀態機，該狀態機運行在程序的頂層，能夠根據用戶指令與系統運行情況切換至不同的狀態，并以此來調度其他線程，控制系統進行信號采集與數據傳輸。

系統上電后，MCU 根據主程序依次對硬件與軟件進行初始化。全部組件初始化完畢后，FreeRTOS開始運行，調度MCU 的軟硬件資源，有限狀態機也開始通過該系統對各部分任務進行調度，整個系統進入正常工作狀態。有限狀態機邏輯框圖如圖7 所示。

圖7 有限狀態機邏輯框圖

該程序的狀態機包括空閑、采樣、存儲與分析四個狀態。當系統啟動并正常運行時，系統處于空閑狀態，接收到不同的命令后，狀態機則會根據命令進行高效的狀態切換，系統處于不同的狀態時，能夠到達的下一狀態也不同，并且僅會執行當前狀態下的子程序與線程。

2.3.2 信號綜合分析程序設計

信號綜合分析與交互程序運行于Linux 組態嵌入式交互系統的Cortex-A7 處理器中，該處理器擁有四核心，主頻高達1.2 GHz，可在滿足波形繪制、UI 構建的基礎上，實現對大量數據的處理與計算。

系統主界面如圖8 所示。網格部分為測量波形窗口，其橫軸為時間（距離），縱軸為磁場強度，波形窗口底部分別為測量距離、測量狀態指示與采樣點間隔長度；底部為探頭各通道數據實時值，單位為nT。

圖8 系統主界面設計圖

圖9 為系統存儲界面。系統轉入存儲界面后，會顯示當前存儲路徑以及該路徑下已存儲的其他文件，存儲的文件名格式為“日期-文件編號”，文件名可通過虛擬鍵盤進行修改，設置好期望的文件名后，按下“確認存儲”鍵即可完成此次測量的存儲，存儲完成后系統將返回空閑狀態。若設置的文件名與已有文件重復，或對一段數據進行了二次存儲，系統則會給用戶發出警告信息。

圖9 系統存儲界面示意圖

在系統存儲界面下，用戶可滑動觸屏對已有文件進行選擇，選中期望的文件后可對文件進行回放或刪除操作。

3 系統測試與分析

系統設計完成后，為了驗證其可行性和可靠性，制作了一臺樣機，并在現場環境中對該樣機進行實際測試與應用。現場測試過程中，選取了東營孤島某天然氣管線上的金屬管道和輸油管道進行測試，在確定了被測管道存在的缺陷和測量范圍后，測試人員手持樣機開始采集數據。

3.1 缺陷靈敏性測試

對正常管道以及三處存在缺陷的部位進行對比測試，檢測管道磁應力測量系統對管道的缺陷部位是否靈敏。儀器對正常管道和缺陷管道進行測試，得到的磁感應強度的矢量和如表1 所示。從表中數據可知，與正常管道相比，儀器均可以檢測到焊縫、彎頭、腐蝕缺陷的應力異常值。

表1 系統磁感應強度的矢量和測試結果

3.2 重復誤差測試

確定了管道待測點后，使用管道磁應力系統進行了10 次重復測量[17-18]，測量時設備同步采集x、y、z三個方向的磁感應強度數據，經計算，系統測試的磁感應強度的矢量和及重復誤差值如表2 所示。根據表格數據可知，樣機現場定點測量最大重復誤差為0.724%，故該系統定點測量穩定性較高。

表2 系統磁感應強度的矢量和及重復誤差結果

3.3 動態管線測試

在進行系統靈敏性測試和重復誤差測試時都是對待測管道進行定點測試，為了證明樣機能檢測到管道的有效磁信號并識別應力異常點，進行了動態管線測試。測試時選取的管道為一段埋深0.5 m、長5.2 m 的鐵質輸油管道。

采集數據時，實驗人員手持樣機垂直于管道的上方，從一端沿管道軸向緩慢前進，移動速度約為2 m/min，采樣頻率為20 Hz，設備搭載了兩個Mag-690探頭，同步采集x、y、z三個方向的磁感應強度數據，樣機采集到的埋地管道磁信號示意圖如圖10 所示。從圖中可以看到有兩處較為明顯的應力集中異常部分，對這兩處進行開挖驗證，發現存在嚴重的腐蝕缺陷，說明該系統能有效檢測到埋地管道的應力集中異常部分，且應力集中異常部分與管道本身存在缺陷的部位一致。

圖10 埋地管道磁信號示意圖

4 結論

該文設計了金屬管道磁應力測量系統，完成了信號調理、多路信號采集電路等硬件設計、信號采集處理和綜合分析等軟件設計，該系統成本較低、操作簡單，經過綜合測試，驗證了該系統軟硬件設計的可行性和穩定性。由于實驗條件和探頭靈敏度的限制，該系統實際測量時能檢測的埋地管道的埋深較淺，埋深較深時，系統能檢測到的有效磁信號非常微弱，因此該系統還需要進一步優化和完善。