一種針對含保溫層管道壁厚的檢測系統及方法

丘學東， 富 銳， 管 鑫， 王 喆

（1.中國石油化工股份有限公司廣州石化公司， 廣東 廣州 510000； 2.中機生產力促進中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

管道大量應用于石油化工行業的輸送過程中， 為減少高溫介質能量損失、隔離管道與外界外界環境，在管道外側加一層保溫層， 在保溫層外側加一層一定厚度的金屬保護層，可以避免保溫層與外界直接接觸[1]。 但惡劣的工作環境、包覆層安裝操作不恰當或自然條件等因素，會導致金屬保護層受損， 保溫層材料極易吸水的特點會加劇雨水等自然介質對管道外壁的侵蝕。 當腐蝕嚴重到一定程度，管道內運輸的易燃易爆物質將發生泄漏，會造成嚴重的環境污染、人員傷亡和財產損失[2]。

因此，對保溫層下腐蝕進行有效的監測、防護并進行全壽命周期的完整性管理是確保管道設施服役壽命延長的重要措施。

但是對帶包覆層管道的無損檢測， 往往需要先去掉管道外的包覆層，然后采用常規無損檢測方法進行檢測，最后再重新包裹上外覆蓋層。 對包覆層的處理工作不僅大大延長了檢測時間，而且增加了檢測成本，尤其是對在役運行的壓力管道，必須先停止運行再進行檢測，對企業的損失更大。 因此，研究對管道的內壁腐蝕狀況進行不拆除外覆蓋層的無損檢測技術具有重要的實際意義。

北京航空航天大學的陳興樂等人提出了一種帶包覆層鐵磁管道壁厚腐蝕的脈沖渦流檢測方法， 其在鐵磁管道脈沖渦流檢測模型時域解析解的基礎上， 利用感應電壓測量曲線，反演被檢鐵磁管道參數，從而選取參考點對應的壁厚反演結果作為參考值， 計算得到檢測點相對于參考點壁厚的變化量[7]。

蘇州熱工研究院有限公司的韓揚等人提出了一種適用于帶包覆層管道的脈沖渦流檢測方法， 其使用主機產生脈沖方波信號并向激勵線圈中通入脈沖電流， 使得待測管道產生渦流， 數據采集卡采集檢測線圈因磁場變化而產生的時域感應電壓值， 主機對所述時域感應電壓值進行處理和分析后顯示。

上述兩種方法雖然解決了帶包覆層管道壁厚的定量檢測問題，但這兩種方法要求檢測過程中探頭位置固定，防止移動和振動，在完成一個位置的壁厚檢測后，才能移動探頭至下一個位置進行檢測， 這種檢測形式不利于對長距離管道、復雜管路情況下壁厚的快速掃查。

本文提出了一種含保溫層的管道壁厚檢測系統及方法，解決了對長距離管道、復雜管路情況下壁厚快速掃查的傳統技術受限的技術問題， 可實現對保溫層下管道壁厚的定量無損檢測， 滿足對在役運行的含保溫層管道的快速掃查的需求， 實現壓力管道的全壽命周期的完整性管理。

1 檢測系統

針對含保溫層管道壁厚的檢測系統其結構如圖1 所示，包括以下功能模塊：

圖1 檢測系統的模擬試驗

（1）檢測模塊：檢測探頭包括通過脈沖激勵信號產生交變磁場的激勵線圈，以及接受磁場變化并產生感應電壓的霍爾傳感器構成。 檢測模塊具有多個檢測探頭，檢測探頭內置于一個探頭夾具中，相鄰的所述探頭夾具通過兩側底部的可拆卸的連接結構相互鉸接，形成檢測探頭陣列。

（2）主控模塊：產生頻率/占空比可調節的脈沖激勵信號，采集霍爾傳感器測量的感應電壓信號，將采集數據發送到上位機進行后端處理。

（3）上位機：接受主控模塊傳輸的數據后，對感應電壓信號進行處理，提取特征信號，實現管道壁厚的逆運算求解，完成數據的可視化以及存儲。

（4） 位置測量模塊： 測量并記錄所述系統所處的管道壁位置信息。

為了快速全面對管道壁厚進行掃查， 考慮將多個檢測探頭進行陣列放置， 同時探頭夾具需要適用平板檢測和管道檢測這兩種情況， 提出了含保溫層的管道壁厚檢測用陣列探頭夾具，如圖2 所示，每個檢測探頭內置于一個探頭夾具中， 相鄰的探頭夾具通過兩側底部的連接結構相互鉸接形成陣列。 多個探頭夾具通過鉸接的方式可以實現彎曲以完美貼合管道或平板的各種表面， 滿足陣列檢測探頭移動檢測的需求。 圖3 所示為四組檢測探頭和探頭夾具形成的陣列， 鉸接的連接結構為可拆卸的連接，因此可以根據管道壁的曲率半徑和具體尺寸，適當增減檢測探頭和探頭夾具的數量以實現更好貼合管道壁表面。 位于兩端的探頭夾具還連接有把手以便于陣列檢測探頭移動。

圖2 檢測系統檢測探頭陣列的結構示意圖

圖3 檢測探頭的結構示意圖

檢測探頭的結構示意圖如圖3 所示， 檢測探頭具有圓柱形外殼骨架，填充有鐵芯，沿著圓柱中軸線的截面圖（即圖4 的截面圖）形為中空的“工”字型，鐵芯中空的空間底部設置有霍爾傳感器， 鐵芯中空的空間其余部分填充導熱良好的環氧樹脂材料作為導熱材料， 激勵線圈繞制于鐵芯5-2“工”字型的兩側間隙處。

圖4 檢測系統的檢測方法流程

檢測探頭中各結構部件的尺寸如圖3 所示， 其中“工”字型鐵芯，內半徑為r1，外半徑為R，高度為H1；霍爾傳感器位于檢測探頭的底部中間； 激勵線圈均勻繞制而成，內半徑為r，外半徑為R，高度為Hc。

2 檢測方法

2.1 試驗工作

在實際檢測前， 預先建立脈沖電壓信號幅值和管道壁厚的關系，選取與待檢管道壁相同材質的管道壁試樣，設置n 次實驗，其中第i 次實驗（i=1，2，…，n）的試樣為管道壁厚減薄Δdi，測得脈沖電壓信號幅值的變化Δui；以Δdi為橫坐標、Δui為縱坐標線性擬合得出管道壁厚-幅值方程：

式中：a，b 為常系數，由線性擬合確定。

2.2 檢測流程

針對含保溫層管道壁厚檢測系統的檢測方法流程，如圖4 所示。

在實際檢測中，進行含保溫層的管道壁厚檢測方法，包括以下步驟：

（1）將檢測探頭放置于含保溫層的管道壁待檢區域內。

（2）通過主控模塊產生連續脈沖激勵信號，輸入到檢測探頭的激勵線圈。

（3）在被測試管道壁和檢測探頭之間的空間形成一個耦合的電磁場， 利用霍爾傳感器將探測到磁感應強度信號轉化成相對應的電壓信號。

（4）將電壓信號輸入到后端的濾波放大單元，濾除電壓信號中的雜波電壓信號并對信號進行一定倍數的放大，得到以基礎管道壁厚為參考信號的差分峰值信號。

（5）將濾波放大后得到的脈沖電壓信號進行AD 采集，提取出該脈沖電壓信號的幅值；

（6） 通過脈沖電壓信號幅值的變化反演管道壁厚的減薄情況。 測量出的脈沖電壓信號幅值的變化為Δu0，將Δu0代入所述管道壁厚-幅值方程，即求出對應管道壁厚d0。

3 檢測技術

在渦流檢測中，當管道與線圈半徑之比較大時，管道問題常采用近似方法化為平板便于進行仿真求解， 該管道模型可以簡化為三層平板結構（如圖5 所示，圖中三層自上而下分別為保護層，保溫層，管道壁），建立了帶保溫層管道壁厚2D 有限元模型。

圖5 本優化使用的有限元模型示意圖

通過研究發現，選擇合適的激勵頻率，在確保渦流的趨膚深度大于高鋼級管道壁厚的情況下， 改變管道壁厚，可以得到檢測信號與管道壁厚的分布關系圖如圖6 所示。

圖6 原始檢測信號結果示意圖

把壁厚為9.0mm 的電磁信號作為參考信號 （管道壁無腐蝕的情形），將不同管道壁厚情況下的電磁信號與參考信號進行差分，獲取差分信號和管道壁厚的關系圖，如圖7 所示。 由圖7 可看出差分信號隨管道壁厚的增大而逐漸減小。

圖7 差分峰值信號示意圖

提取差分信號的峰值與管道壁厚度進行擬合， 得到的擬合關系如圖8 所示。 從圖8 可以看出差分峰值與管道壁厚呈現良好的線性關系。據此，可根據這種線性規律對不同提離高度下， 檢測信號差分電壓的峰值與管道壁厚的線性關系進行標定， 得出在某一提離高度下檢測信號差分峰值與壁厚的擬合關系式， 進而根據該擬合關系式進行反演求解，從而實現對管道壁厚的定量檢測。

圖8 差分峰值-管道壁厚線性擬合關系圖

為提高檢測探頭在檢測管道壁厚方面的性能， 針對差分峰值較小的問題，可以考慮對檢測探頭進行優化，在優化過程中， 著重考慮的優化指標是差分信號的幅值Bz，提高差分信號對于管道壁厚的變化的靈敏度。激勵線圈的過程需要考慮4 個因素，即線圈內徑r、線圈外徑R、線圈高度Hc、繞線匝數N，優化方案中，考慮的參數為線圈內徑、線圈高度、繞線匝數這三個，由三者的參數確定之后，繞制加工結束可以得到線圈的外徑。對探頭的線圈內徑、線圈高度、繞線匝數3 種參數各考慮2 個水平進行交互作用試驗定性分析，如表1 所示。

表1 因素水平表

根據待考察因素的類型和各因素的水平， 考慮三個因素之間的相互作用，得到自由度之和：。 試驗按L8（27）正交表安排，如表2 所示。

根據表2 的試驗結果進行分析，從極差可以看出，線圈匝數對差分峰值的影響最大， 其次是線圈內徑和線圈高度。按照各參數對探頭差分峰值的影響程度，依次設計優化實驗。

根據已有的大探頭的設計優化邏輯， 即正交試驗的結果，先對探頭檢測性能影響最大的線圈匝數進行優化：

如表3 和圖9 所示，線圈匝數超過600 之后，差分峰值的增速放緩；綜合考慮差分峰值、探頭減重和減少發熱的需要，設置線圈匝數為600。

表3 線圈匝數與差分峰值的關系表

圖9 線圈匝數與差分峰值的關系圖

設置15 組從10 ～19mm 不同線圈內徑的條件下的仿真模型。

從線圈內徑-差分峰值關系表4 和圖10 的結果可以看出， 在第3 組（線圈內徑為14mm）參數設置下的線圈仿真后得到的差分峰值達到了最大，這一組的線圈參數即為本次優化得到的最優的參數。

表4 線圈內徑與差分峰值的關系表（內徑8～20mm）

圖10 線圈內徑與差分峰值的關系圖

同時引入鐵芯加強磁場，以此提高差分峰值。對鐵芯的高度H1以及厚度（即r-r1） 進行優化，保持鐵芯高度不變，在2～10mm 之間改變鐵芯厚度， 同時考慮差分峰值以及鐵芯的重量，綜合二者將鐵芯厚度定為5mm；保持鐵芯厚度為5mm，在47～63mm 之間改變鐵芯高度，同時考慮差分峰值以及鐵芯的重量將鐵芯厚度定為55mm，最終可以獲得優化后的鐵芯參數，如圖11、12 所示。優化得到檢測探頭的最優具體參數如表5 所示。

表5 最優檢測探頭參數

圖11 鐵芯厚度優化示意圖

圖12 鐵芯高度優化示意圖

檢測探頭的最優參數已給出， 根據裝置不同的應用場景以及工作情況，給出較優的探頭參數范圍，如表6 所示，其余參數并非是優化中的最優參數，但是仍具有比較良好的性能，可以滿足多種情況的需要。

表6 較優檢測探頭參數

若激勵信號與探頭的提離高度保持不變， 脈沖渦流檢測系統得到的檢測信號差分峰值隨管道壁厚度呈線性分布關系，如式所示：

式中：Δu—脈沖激勵下管道檢測電壓的差分峰值；Δd—被測管道的壁厚減薄情況；b—某一提離高度下檢測信號差分峰值與壁厚減薄的擬合關系式的截距；a—某一提離高度下檢測信號差分峰值與壁厚減薄的擬合關系式的斜率。

脈沖渦流檢測系統得到檢測信號差分峰值， 代入公式（2）求解即可得到被測管道的壁厚減薄情況，與標定管道壁厚作差即可得到剩余管道壁厚值。

4 檢測實例

霍爾傳感器選用SS495A，供電電壓為4.5～10.5V。 該檢測探頭的具體參數如表5 所示，繞線選擇1mm 線徑的漆包線， 鐵芯的材料選擇相對磁導率為10000 左右的純鐵。被測試件選擇材質為X60 鋼的不同厚度的平板，厚度依 次 為3.4、3.8、4.2、4.6、5.0、5.4、5.8、6.2、6.6、7.0、7.4、7.8、8.2、8.6、9.0mm。設置檢測探頭的提離高度為50mm。含保溫層的高鋼級管道壁厚檢測系統檢測環境如圖1 所示。依次檢測不同管道厚度區域，重復5 次，采集實驗數據，取平均值， 可以得到金屬板厚度和電壓峰值的擬合關系曲線，如圖13 所示。

圖13 提離50mm 金屬板厚度-電壓峰值線性擬合示意圖

隨著金屬板厚度的增大，對應的電壓峰值將會增加。擬合后的曲線為Δu=2.073Δd-0.01392，R2為0.9894，這證明Δu 對于Δd 有著線性的響應。Δd 每發生1mm 的變化，對應的差分峰值就會變化2.073mV。 同理改變檢測線圈的提離高度為40mm，30mm，20mm，10mm，進行相同的步驟，最終得到所有的擬合結果為表7 所示。

表7 不同提離高度下Δd 與Δu 擬合結果

隨著提離高度的減小，擬合曲線的k 呈現增大的趨勢，且整體線性度比較好，說明該系統對于高鋼級板材的厚度變化，差分電壓的峰值有良好的線性響應。而含保溫層管道在檢測過程中由于存在一定厚度的保溫層而往往存在較大的提離高度（提離高度基本對應保溫層厚度），線圈磁場強度會隨距離的增大快速衰減，本文方法基本不受提離高度增大的影響，具有極好的適應性。 將提離高度設置成40mm， 在上位機軟件中選擇提離高度為40mm 的擬合曲線進行厚度的反演實驗，結果如表8 所示。

表8 提離高度為40mm 時Δd 與Δu 擬合結果

厚度反演誤差在±0.5mm 以內，說明所提出的含保溫層的高鋼級管道壁厚檢測方法及系統具有比較良好的檢測精度；同時在上位機的軟件界面中，可以直觀的看到檢測過程中探頭的運動信息以及金屬的壁厚隨里程變化的信息，如圖13 所示。

檢測過程方便高效，檢測結果直觀清晰，軟件應用界面如圖14 所示。

圖14 上位機軟件檢測結果實時顯示示意圖

5 結束語

在長距離管道和復雜管路情況下，該檢測系統及方法能夠實現壁厚的快速掃描，解決了傳統方法在此方面的限制， 滿足了在役運行下含保溫層管道的快速掃描需求，具有重要實際應用價值。

此外，研究表明在不同的提離高度條件下，系統呈現出良好的線性響應， 尤其在存在大提離高度的含保溫層管道情況下，方法仍然能夠保持適應性。通過設定提離高度為40mm， 在實驗中獲得的厚度反演誤差在±0.5mm 范圍內，顯示出了良好的檢測精度。

綜上所述，本文提出的含保溫層管道壁厚檢測方法及系統在實際應用中具備優勢。 它克服了傳統方法的限制，不僅能夠應對復雜管路和長距離管道情況下的壁厚檢測，還提供了可視化的探頭運動信息和壁厚隨里程變化的信息，為壓力管道的完整性管理提供了創新解決方案。