基于多向场指纹法的金属管道裂纹检测

2022-12-02何晓明周永杰甘芳吉

长江科学院院报 2022年11期

何晓明，周永杰，刘润，甘芳吉

(1.青海师范大学物理与电子信息工程学院，西宁 810016； 2.四川大学机械工程学院，成都 610065)

1 研究背景

油气管道作为使用最广泛的石油天然气输送媒介，普遍面临着各种缺陷的威胁，包括腐蚀缺陷以及裂纹缺陷等。这些缺陷，如果不加以及时的检测和预防，将会引发严重的灾难事故。场指纹技术(Field Signature Method，FSM)作为一种非常安全的无损检测技术(Non-destructive testing，NDT)，最初被用于监测海底管道焊接部位的缺陷，发展至今，能以较高精度检测均匀腐蚀、局部腐蚀、坑蚀等缺陷[1-5]。但是FSM的裂纹检测能力较差，主要体现在两个方面：第一是裂纹检测角度单一，第二是裂纹深度检测精度较差。

本文提出了一种多向场指纹技术(Multi-direction Field Signature Method，MDFSM)，通过向被测管道施加不同方向的激励，提升FSM对多角度裂纹的识别能力，其次选取不同方向激励下最强的一组信号进行裂纹深度求解，可以大幅度提高对裂纹深度检测的精度。

2 场指纹技术原理

传统的场指纹技术，是一种基于电位降技术的无损检测技术。如图1所示，按照一定的规则，在被测管道相应的区域布置测量电极矩阵，在被测管道两端布置一对电流激励电极。为了消除激励电流涌动及背景噪声的干扰，系统中引入了一个参考板。整个被测管道可以等效成一个电阻链网络模型，一对测量电极之间的管道金属可以等效成一个电阻。通过电流激励电极向被测管道施加恒流激励电流，当管道发生腐蚀时，金属体厚度减小，等效电阻阻值增大，测量电极间的信号幅值会增大，通过测量信号的变化即可判断管道的腐蚀情况。

图1 FSM测量原理

FSM在安装完成之后，将最初测得的电压值作为原始电压，安装时测得的壁厚作为原始壁厚。在FSM运行过程中，测得的电压与原始电压作比较，再利用原始壁厚值将电压的变化值计算转变成壁厚的变化值。每一对测量电压的变化情况可以用场指纹系数(Fingerprint Concept，FC)来衡量[6-9]，即

(1)

式中：Vi，j；i+1，j(t0)、Vi，j；i+1，j(tx)分别为电极(i，j)和(i+1，j)在t0和tx时刻的电压；Vref(t0)、Vref(tx)分别为标准电极对在t0和tx时刻的电压。

但是裂纹缺陷对FSM测量信号的作用机理，与腐蚀缺陷相比有很大的不同。任意形态的腐蚀缺陷均能引起FSM被测信号发生较为明显的改变，但并非所有裂纹缺陷均能引起测量信号发生显著变化，比如当裂纹角度与激励电流的方向夹角过小，则裂纹缺陷对被测管道电场分布的改变非常小，不足以引起明显的信号变化。建立如图2 所示的平板仿真模型，其中T为平板厚度，W为平板宽度，α为裂纹缺陷深度，θ为裂纹与激励电流的夹角，Iin1为电流输入电极，Iout1为电流输出电极，V为测量电压，d为相邻电极的间距。在平板两侧水平方向注入激励电流，裂纹缺陷的深度范围为2～6 mm，角度范围为0°～180°。仿真的信号变化数据如表1所示。

图2 FSM平板仿真模型

表1 不同角度裂纹的FC

选取90°仿真数据，利用MatLab拟合裂纹深度求解公式，有

(2)

利用式(2)计算得到的裂纹深度误差如表2所示。

由表1和表2可以看出，当裂纹与激励电流夹角呈90°时，信号变化最大，且裂纹深度计算误差越小。随着裂纹与激励电流夹角逐渐减小，测量信号变化逐渐减小，而裂纹深度计算误差逐渐增大，最大相对误差达到了79.61%。

表2 裂纹深度计算相对误差

由表2可知，当裂纹与激励电流的夹角≤40°时，裂纹深度计算误差将急剧增大。同时考虑到实际工程应用中，周围环境噪声等因素的干扰，0°裂纹所产生的测量信号很有可能无法被仪器系统检测到，也即是说当裂纹与激励电流的夹角过小时，将无法被测量系统所识别到。

3 多向场指纹法裂纹求解

为了提升FSM的裂纹检测精度，本文提出一种多向场指纹法，即MDFSM。如图3所示，MDFSM将传统的一组激励，改为3组不同方向的激励。

图3 多向场指纹技术原理

按照图3所示的激励方式，对不同角度的裂纹缺陷，施加不同方向的激励电流，其测量信号的变化程度有很大的差异。

由表1和表2还可知，裂纹与激励电流的夹角越小，其信号幅值越小，裂纹深度计算误差就越大。通过施加不同方向的激励，能够保证裂纹与某个方向的激励电流的夹角>40°，从而保证任意角度裂纹均能被检测系统识别，同时也能提升裂纹深度的求解精度。本文选取3种激励下FC最大的一个信号作为最终的求解信号，最大的FC代表了裂纹与激励电流呈最大夹角，计算了0°～40°裂纹的深度(该夹角为裂纹与水平激励电流的夹角)，如表3所示。

由表3可知，利用多向场指纹法求解裂纹深度，可以大幅度提升其检测精度。

表3 多向电位降法裂纹深度计算相对误差

4 试验验证

如图4所示，试验选择了两块45#钢板，分别在钢板上加工一个裂纹缺陷，缺陷深度分别为2 mm和5 mm，裂纹角度为0°和45°(与钢板水平方向夹角)。搭建如图5所示的试验装置，激励电流由信号发生器AFG2021产生的源信号经过功率放大器ATA-304放大后产生。测试信号经过放大后由数据采集卡EM18B-12采集并发送给计算机，进行相应的数据处理。