油气管道涡流变形检测探头研制

2020-12-29辛佳兴李晓龙朱宏武陈金忠

科学技术与工程 2020年33期

辛佳兴, 李晓龙，朱宏武，陈金忠，孟涛

(1.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249； 2.中国特种设备检测研究院压力管道事业部，北京 100029)

随着中国经济的发展对于石油天然气等能源需求的日益增加，管道作为五大运输方式之一，得到了快速发展的契机[1]。由于管道安装运行过程中存在应力集中、地壳运动、热变形等问题，管道在运行过程中可能会发生不同程度的变形，造成油气运输速率下降等问题，埋下极大的安全隐患[2-3]。近年来，管道安全问题日益突出，及时发现管道变形、排除安全隐患，对于保证能源的正常运输、避免重大事故的发生有着重大的意义[4]。

管道变形检测探头作为管道变形检测器的重要组成部分，根据其原理的不同主要包括传统的机械式检测探头和非接触式检测探头[5]。接触式变形检测探头其工作原理是周向布置的管道变形检测臂与管道相接触，管道发生变形时检测臂旋转一定的角度，固定在检测臂底端的磁旋转编码检测芯片记录这一角度变化，输出相应的模拟量信号，经过后期的数据处理，通过标定模拟量与管道形变的关系达到管道变形检测的目的；非接触式管道变形检测探头是根据电涡流检测、超声波检测等技术，实现对管道直径变化、金属损失、内外缺陷的非接触式检测。相对机械式的管道变形检测方式，其检测精度高，并且不与管壁直接接触，避免了机械臂与管内壁的机械性损伤情况的发生，但其检测可靠性相对较差。

对于电涡流管道检测，中外学者进行了大量的研究[6-9]。李春雨等[10]搭建了管道内检测的试验系统，实现了管道内壁缺陷的检测和内外壁缺陷的识别；徐琛等[11]采用低频涡流结合LMS(least mean square)算法的数字交流不平衡电桥的方法检测管道形变，检测精度达到1 mm；乔天骄等[12]设计了双频涡流检测系统，并以提离值为例验证该方法抑制干扰的有效性；Piao等[13]利用涡流检测的方法，设计了涡流检测探头并进行工程实验，实现了管道内外壁缺陷识别和定量检测。基于此，研制变形检测探头实现对油气管道及井下套管的变形检测[14]。首先介绍电涡流距离检测的基础理论，设计复合检测探头的机械结构及电路系统，利用数值模拟的方法探究涡流管道变形检测的可行性，最后进行实验验证。

1 电涡流测距理论

电涡流传感器通常分为反射式和投射式两种。反射式传感器通常用于距离、表面缺陷检测，投射式常用于待测件厚度检测。

基于电涡流距离检测理论，其反射式检测原理如图1所示。激励线圈中通有频率为f、幅值为Vmax(激励电压幅值)的交变电压信号，在空间内会产生一个交变的磁场H1，置于该交变磁场中的金属导体表面就会产生感应涡流场，同时涡流场会激发出交变二次磁场H2。空间内某一点的磁场强度H为

V表示线圈中的激励电压信号；d表示激励线圈与被测试件件的距离；ur表示被测金属导体的磁导率；σ表示被测金属导体的电导率图1 涡流测距原理图Fig.1 Schematic diagram of eddy current ranging

H=H1+H2

(1)

磁场强度H不仅与涡流效应有关，还与被测金属导体的磁导率、电导率、激励线圈几何参数、激励参数有关，同时受探头线圈与被测金属导体之间的距离d的影响。采用控制变量法，只改变探头线圈与被测导体之间的距离d，则H变为距离d的单值函数，即

H=H(d)

(2)

确定点的磁场强度与只与距离d的变化有关。通过磁性敏感元件将复合磁场的强度H转化为电压信号，则该信号随着激励线圈与被测体表面之间的距离d改变，可以通过对电压信号的采集和处理达到标定d的目的。依据该理论研制管道涡流变形检测探头。

2 管道复合变形检测探头的设计

传统的机械式管道变形检测探头是基于磁旋转编码检测技术的接触式管道检测探头，由于固定臂底座的内检测器骨架的周向尺寸限制，因此只能布置固定数量的管道变形检测探头，其周向布置的数量将直接决定管道内检测的环向变形检测效率。

设计的变形检测探头，主要包含两大模块，机械结构模块和电路系统模块，同时结合了磁旋转编码检测技术和涡流检测技术。

如图2所示，当检测探头工作时，磁旋转编码检测元件采集检测臂旋转角度来标定管道的形变量h2；涡流检测模块根据涡流距离检测原理检测h1和h3。在周向布置的探头数量一定的条件下，提出的涡流管道检测探头环向检测覆盖范围是机械检测臂式检测探头的3倍，能为管道的内检测采集更多的形变信息，达到减少检测盲区，提高检测效率的目的。

h1、h3为涡流检测模块检测的管道变形量；h2为磁旋转编码模块检测的管道变形量图2 复合检测探头检测管道变形示意图Fig.2 Schematic diagram of pipelinedeformation detected by composite detection probe

2.1 机械结构设计

管道变形检测探头作为管道变形检测器的关键部件，其三维结构如图3所示。

涡流检测探头动态检测原理如图4所示，检测探头在管道内随检测器以速度v向前运动，当检测探头接触管道变形区域时，平行四边形四杆机构会随着管道的形变旋转一定的角度，探头底座的磁旋转编码检测芯片记录这一角度信息并输出一定的电压信号，达到检测管道的变形h2的目的；同时涡流测距模块基于涡流测距原理检测h1和h3。

θ为四杆机构与探头底座的夹角；1为探头底座，起到固定管道变形检测传感器的作用；2为磁旋编码检测模块，检测四杆机构的角度θ的变化量；3为扭力弹簧，使探头时刻保持与管道内壁接触；4为四杆机构，使涡流检测模块始终与管道的轴线保持水平； 5为连接支架，连接四杆机构和槽形外壳；6部件由运算放大电路、磁性芯片及激励线圈组成，是涡流检测模块的关键部分； 7为槽形外壳，为激励线圈、磁性敏感元件及相关电路板提供支撑及保护结构图3 管道涡流变形检测探头三维结构Fig.3 3D structure of the pipe eddy current deformation detection probe

图4 涡流探头管道变形动态检测示意图Fig.4 Schematic diagram of dynamic deformation detection of composite probe pipeline

VCC表示芯片供电； GND表示芯片接地；VREF表示电路基准电压；TMR900x表示磁性芯片型号图5 运算放大电路电路图Fig.5 Circuit diagram of operational amplifier

2.2 电路系统设计

设计的电路系统如图5所示，该电路主要由磁性敏感元件、高精度放大器、高精度电阻、电容组成。其主要功能包含滤波、放大、芯片固定等。

图5中，D3.3表示电路的供电电压；VREF表示基准电压； OUT表示电路的输出电压信号。R101 & C101、R102 & C102、R106 & C106组成高通滤波网络，其中：

R101=R102=R106=R1

(3)

C101=C102=C106=C1

(4)

式中：R1表示阻值为R1的电阻；C1表示电容值为C1的电容。

高通截止频率(f1)为

(5)

R103 & C103、R104 & C104、R107 & C107组成低通滤波网络，其中

R103=R104=R107=R2

(6)

C103=C104=C107=C2

(7)

式中：R2表示阻值为R2的电阻；C2表示电容值为C2的电容。

低通截止频率(f2)为

(8)

增益倍数设定为

(9)

式(9)中:Av表示电路的放大倍数。

磁性敏感元件采用多维公司生产的Z轴垂直感应TMR2503，它是一种利用的磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应元件，相对于各向异性磁阻 (anisotropic magneto resistance, AMR)元件和巨磁阻(giant magneto resistance, GMR)元件具有更大的电阻变化率，同时拥有良好的温度稳定性、高灵敏度、低功耗、更好的线性度等优点[15]；放大器选用底噪声运算放大器SGM722。

3 数值模拟

利用Maxwell有限元分析软件，电涡流检测原理建立简化的涡流变形检测模型[16]。涡流变形检测仿真模型如图6所示，包括激励线圈、求解路径(A1点，磁性元件位置)、被测试件及周围空气介质，增加激励线圈与被测试件的距离d由1 mm变化到15 mm，步进为1 mm，模拟被测管道的变形量，利用瞬态求解器求解。

设置待检测平板材料设置为碳钢，材料电导率为2×106S/m，试件厚度为7 mm，激励电压分别设置为0.5、0.6、0.7、0.8 V其余模型参数设置如表1所示。

脉冲涡流检测中的特征信号有波峰值、过零点、波谷值等，但信号的过零点在不同d下不会发生变化。对于铁磁性材料，由于其材料对磁场信号的吸收性等缘故，几乎不存在过零时间，因此峰值、谷值、峰峰值成为常用的铁磁材料脉冲涡流响应特征[17]，提取以上任一值均可作为电涡流传感器标定d变化的特征量。如图7所示，采用A1点的磁感应强度波峰值Bm作为传感器的信号特征。

Ф1表示激励线圈外径；Ф2表示激励线圈内径； S表示线圈与芯片间距；h为激励线圈高度图6 涡流变形检测仿真模型Fig.6 Eddy current deformation detection simulation model

表1 仿真模型部分参数Table 1 Partial parameters of the simulation model

3.1 激励电压幅值变化对d检测影响

研究表明激励电压的增加不会改变磁感应信号的峰值时间[18]，因此对于激励电压幅值变化的仿真模型直接提取 0.5、0.6、0.7、0.8 V峰值时间对应的A1点的磁感应强度信号即峰值信号，绘制如图8所示的A1点磁感应强度峰值在不同激励电压下随d变化曲线。

从图8可看出，对于各条曲线的变化规律而言，各点处的磁感应强度峰值随d增加而减小，其变化呈现出变化急促(a)、缓慢(b)、稳定(c)三个阶段。

a区域为陡峭区，在该区域内，线圈与被测板间的距离较小，磁畴磁化作用明显，磁感应强度峰值信号随提离值变化较大，表明电涡流传感器在该区域内对管道形变量敏感；b区域为渐变区，d在该区域变化时，线圈与被测板间的距离较大，线圈与被测板间的偶合作用减弱，磁感应强度峰值信号变化斜率随着d变化放缓，表明电涡流传感器在该区域内对管道形变量敏感程度降低；c区域为稳定区域，线圈与被测板间的距离过大，磁感应强度峰值信号随着d的变化基本不变，说明在该区域内，传感器无法对d进行有效的测量。

对比4条曲线(图8)可知，当激励电压幅值线性增加时，在任意d下，A1点的磁感应强度峰值随着激励电压的幅值增加而增加；在确定的d下，相邻两条曲线间的差值B1、B2、B3大致相等，表明无论在变化陡峭区a、渐变区b、平缓区c，A1点的磁感应强度峰值与激励电压的幅值呈现出线性的变化关系。

图7 A1点磁感应强度随时间变化曲线Fig.7 Time-dependent curve of magnetic induction intensity at point A1

图8 A1点磁感应强度峰值在不同激励电压下随d变化曲线Fig.8 A1 point magnetic induction intensity peak with d value change curve at different excitation voltages

3.2 激励线圈内径变化对d检测影响

由于在工程应用中激励线圈最大尺寸有所限制，因此不改变其高度和外径，研究其内径变化对d检测的影响。

确定激励电压幅值为0.7 V,激励频率为500 Hz，激励线圈内径依次为3、5、7 mm，研究A1点的磁感应强度峰值信号随着d的变化规律。d由1 mm变化至12 mm，激励线圈内径不同时，提取A1点的磁感应强度峰值信号绘制图9曲线。

对图9所示的曲线分析可知，在任意d下，A1点磁感应强度峰值均随线圈内径的增加而减小，并且线圈内径越小A1点的磁感应强度峰值越大。分析原因是线圈的外径和匝数确定，内径越小线圈的电阻值越小，在激励电压一定的条件下，实际通过线圈的电流越大，因此A1点感应出更强的磁场。

对比3条曲线中A1点磁感应强度峰值随d值变化规律可以发现，线圈内径为3、5 mm传感器的检测量程L1为0～10 mm；线圈内径为7 mm时涡流传感器检测的量程L2为8 mm，减小了2 mm。因此在其他参数不改变的条件下，可认为减小线圈内径对于提高涡流探头的量程更为有利。

图9 A1点磁感应强度峰值在不同线圈内径下随d值变化曲线图Fig.9 A1 point magnetic induction intensity peak with d value change situated at different coil diameters

4 实验验证

搭建的涡流检测实验系统主要包括：BP4610信号发生器、激励线圈、磁性敏感芯片、运算放大电路、碳钢被测板、NI usb6218数据采集卡、上位机软件和PC机组成。

系统中各部分主要功能为：BP4610作为信号发生模块，产生激励方波电压信号并由导线传入至激励线圈；激励线圈在周期性脉冲方波电压信号的作用下在空间内产生交变的一次磁场H1；碳钢被测试板在H1的激励下，在其表面产生涡流场，该涡流场激发出二次磁场H2；磁性芯片测量H1和H2的复合磁场信号，并输出对应的电压信号；运算放大电路对磁性芯片输出的模拟量电压信号进行滤波放大处理，并输出给采集卡；数据采集卡采集模拟量电压信号转变为数字信号输送至上位机软件，对数据进行分析处理。

涡流距离检测实验系统如图10所示，进行涡流距离检测的实验验证。

实验中，为了简化实验，对仅对激励电压幅值变化对d值检测影响进行实验验证。

固定漆包线圈激励电压的频率为500 Hz，改变激励电压的幅值分别为0.5、0.6、0.7、0.8V，同时改变检测探头与被测件的距离d，步进为1 mm进行验证性实验。经过数据处理，提取不同d下传感器输出电压的峰值Vm，利用Origin绘制如图11所示曲线。

如图11所示，电涡流传感器输出电压峰值信号同样呈现出逐渐减小的变化规律，同一激励电压下，传感器输出电压峰值信号存在a1、b1、c1变化急促、缓慢、和稳定3个区域；不同激励电压下，当d一定时，传感器输出的电压峰值信号随着漆包线圈激励电压峰值的增加呈现出正相关的变化规律。该实验验证了仿真的正确性。