油气管道缺陷漏磁检测地面标记器研制

苏志毅，黄松岭，赵 伟，王 珅，奉华成

（清华大学 电机系 电力系统国家重点实验室，北京 100084）

管道运输是以管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的运输方式，目前主要用于专门由生产地向市场输送石油、煤和化学产品，是我国运输网中干线运输的一个特殊而重要的组成部分。随着我国油气进口量的不断增加和石油天然气开发利用水平的提高，管道运输业已成为与铁路、公路、水运、航空运输并列的五大运输方式之一。“十一五”期间，中国的油气管线里程以每年约5000km的速度增长，从“十五”末的4万多km发展到2011年的6.8万km［1］。

油气管道的蓬勃发展和管线里程的飞速增长对管道检测提出了严格的要求。管道在长期的使用中，会因为腐蚀、机械外力或者内力等原因在管道壁上产生缺陷，可能导致管道泄漏甚至爆炸事故的发生，严重威胁到人民的生命财产安全。目前国内外的众多专家学者已经在埋地管道的缺陷检测方面做了大量的研究工作，提出了不少行之有效的检测方法，如现场调查、X射线透射、电磁超声、涡流／磁化涡流检测法等［2］。其中，漏磁检测（Magnetic Flux Leakage，MFL）是油气管道检测最常用的方法并且有着独特的优势［3－4］。

一般，漏磁检测系统由三个主要部分组成，即管内检测、管外定位和数据分析。油气管道的长输管线一般长度在二三百公里以上，发生泄漏之后很难及时发现并查出泄漏地点，因此管道缺陷检测，尤其是对缺陷的准确定位，对于减少管道事故的发生以及避免不必要的管道停工和挖掘具有十分重要的意义。而地面标记器正是管外定位系统的核心组成部分，它通过记录内检测器从管道中经过其正下方的时间来精确定位缺陷。

根据其采用的原理，应用于管道内检测器的地面标记技术一般分为涡流、电磁波［5］、弱磁场检测和声振动检测［6］四类。笔者采用了基于弱磁检测的设计，其优点是定位精度高，成本较低，利用了内检测器上原有的永磁体激发的感应电动势，缺点是信号处理比较复杂。

1 地面标记器的工作原理

漏磁检测内检测器通常又被称为PIG，因为它在管道中运行时发出像猪叫一样的声音。其在管道中由于受到前后载体（天然气或者石油等）的压力不同而被推动向前运动，此时装设在检测器上的里程轮会随之转动，记录检测器前进的距离。理论上，里程轮可以记录缺陷的位置，但在实际运行中，由于里程轮本身的机械结构误差、里程轮磨损导致的直径变化以及PIG在行进过程中的翻转、里程轮打滑失效等原因，可能会出现实际运行距离与记录的里程数不一致的情况，致使缺陷无法精确定位。据统计，依靠里程轮记录的PIG平均每运行1km会产生1 m的误差［7］，对于现代的长输管线而言，该误差会累积至一个无法容忍的程度并导致检测的失败。

地面标记系统正是为了修正PIG里程数误差的累积而设计的，它的主要任务是标记内检测器从其正下方经过的准确时间。

通常一个地面标记系统会沿着管线在管道的正上方每隔1～2km放置一个地面标记器，如图1所示。所有标记器上都有计时器，它们互相之间以及与检测器上的计时器都是同步的。在一次完整的检测中，每个标记器都会记录下PIG经过的时间。记第i个地面标记器的位置（以它距离检测起点的距离表示）是Li，检测器经过它正下方的时间是ti（可以从标记器的记录中读出），那么缺陷的真实定位就可以按以下公式修正。L＝Li＋（t－ti）ΔL （1）式中t表示PIG检测到一个缺陷的时间；ΔL表示在两个最小的时间计数间隔中PIG运动的距离。由此，真实的缺陷位置和里程轮的记录之间的误差就可以被限制到1～2m的范围内。

图1 地面标记系统工作原理示意图

2 地面标记器的设计

2.1 地面标记器的硬件设计

文献［8］总结了近年来地面标记器的设计和改进方案。总的说来，由于地面标记器需要在野外没有电力供应的条件下保证一段长时间（一次完整的检测可能持续几十个小时）的可靠运行，它的设计应该遵循以下原则：① 具有高精度、抗干扰能力强的稳定时钟源。② 具有高灵敏度的磁探测能力。③ 低功耗，带独立电源。④ 低成本。

传统的弱磁场检测的地面标记器［9］体积庞大且功耗较大，由于地面标记器和基准时钟源一一对应，所以现场检测时操作不便，耗时较长。笔者对此做了如下的优化设计。

地面标记器的结构框图如图2所示。从霍尔传感器得到的信号经过滤波放大电路，进入主控芯片MCU的模数转换单元进行采样，形成数字序列。如果数字序列反映出有内检测器经过而引起磁场变动的信号特征，这段数字序列和对应的时间计数值就会被写入MCU的FLASH闪存中。为解决功耗大的问题，MCU在工作中大部分时间处于“休眠模式”，仅激活计时功能；当漏磁信号提示内检测器即将经过时唤醒MCU，实现采集和记录漏磁信号的功能。

图2 地面标记器的结构设计

使用霍尔元件作为检测磁场的传感器是因为它对磁场强度有很高的灵敏度［10］，而且其输出信号的幅值和极性可以方便地通过计算机编程进行调整，以满足不同项目的需要和简化信号调理电路的设计。由于目标信号是一个非周期信号，而环境磁场的干扰可以看作一个高频噪声，所以信号调理的主要作用是低通滤波以及放大信号到适合模数转换单元的量。

设计中采用了铅酸电池系统供电。铅酸电池没有记忆效应，自放电率低，但它的质量／体积比能量相对较小。其实考虑到它主要用于野外的工程实际，一定的重量反而能增加它在恶劣的气候和自然环境下的物理稳定性。而且，铅酸电池技术在近代有了重大变革，性能有了极大飞跃，主要标志是20世纪70年代发展的阀控密封铅酸电池（VRLA）。此种铅酸电池具有能量高、寿命最长（平均10年）、容量更大（是普通铅酸电池的两倍）、不漏液、安全、无污染、可回收、免维护、使用方便等特点，而且保留了成本最低的优势（相较于锂离子电池、镍镉电池和镍氢电池而言）。

考虑到在一次完整的管道检测中需要利用到大量的地面标记器，但每个标记器只需要记录并且传输少量的信息（只有时间计数值以及一小段的波形数据），所以每个标记器通过一个无线接口和上位机相连，以简化操作和提高效率。它也通过该无线接口和检测器同步时间计数。

2.2 地面标记器的软件设计

地面标记器配套的软件程序主要有4个方面的内容：计时、数据获取、干扰排除和通讯。

根据对霍尔软件的编程设置（单极性输出），当内检测器经过标记器下方时，激发的磁信号应该是一个类似半正弦形状的波形，信号到达波形顶点的时间就是检测器经过标记器的垂直轴和管道的交点的时刻。干扰的消除主要基于干扰的信号幅值和形状与目标信号的不同，因此，判断一个信号波形是否有效，除了观察信号的大小和长度是否达到阈值外，还要判断信号开始时是否保持稳定的上升趋势。程序的流程图如图3所示。

图3 地面标记器程序流程图

通讯程序作为中断子程序来处理，当地面标记器接收到来自检测器的时间信息时，标记器根据此时间信息重新设置自己的时间计数。当标记器接收到上位机的回收数据的请求时，各个标记器按编号顺序将记录的时间值逐一发送回去。

3 试验及结果

有限元分析的结果显示，当有检测器经过时，在管道以上3m处的土地中的磁场强度是高斯级的。在验证试验中，利用亥姆霍兹线圈产生1Gs的磁场，并使地面标记器在其中沿线圈轴线运动以模拟内检测器在管道中移动的情况。将采样频率设置为10kHz，移动速度为5m／s，大约记录了100个数据组成波形，如图4所示。结果显示，该系统能够有效识别并且捕捉由于检测器经过而引起的磁场强度变化激发的信号。

图4 验证试验记录的数据和波形

4 结论

基于对地面标记系统的工作原理和技术要求的详细分析，研制了一套高精度的油气管道缺陷漏磁检测地面标记器，同时编写了相应的软件程序。试验表明，系统能够准确检测到一个管内检测器在标记器以下3m的管道中经过时引起的磁场变化信号。为了简化操作和提高效率，地面标记器和检测器以及上位机之间通过无线模块连接。

［1］赵秀娟.油气管网内通外达［J］.中国石油企业，2012（12）：64－65.

［2］Liying Sun.Verification experiments for high－precision above ground marking system［C］.20108thIEEE Conference on Control and Automation.Xiamen，China，2010（9－11）：1737－1741.

［3］Katragadda G，Load W，Sun Y S，et al.Alternative magnetic flux leakage modalities for pipeline inspection［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1996，32（3）：1581－1584.

［4］Ivanov P A，Zhang Z，Yeoh C H，et al.Magnetic flux leakage modeling for mechanical damage in transmission pipelines［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1998，34（5）：3020－3023.

［5］苏宇航，吴静，奉华成，等.便携式管道检测器定位系统的研制［J］.无损检测，2012，34（4）：22－25.

［6］张鹏.基于多路声检测的地面标记器研究［D］.天津：天津大学精仪学院，2010：3－5.

［7］Ziwen W Liu，Alan P Dean.Precision positioning AGM system：United States，Us 6816110B1［P］.2004－11－09.

［8］Liying Sun，Yibo Li，Gang Du，et al.Modification design of high－precision above ground marking system［C］.2010Chinese Control and Decision Conference.China，2010：531－535.

［9］张永江，陈崇祺，周春，等.管道智能内检测地面标记系统研究［J］.化工电动化及仪表，2008，35（2）：81－83.

［10］Gwansoo Park，Eunsik Park.Improvement of the sensor system in magnetic flux leakage－type nondestructive testing［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2002，38（2）：1277－1280.