（机械电子工程专业论文）工业管道漏磁无损检测方法与装置的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 长期以来，工业管道在运行维护过程中，一直缺乏高效可靠的检测手段。工业管道 由管体和弯头构成各种复杂走向的管路。本文为开发“石化储运设备新一代检测系统”， 深入地研究了工业管道的检测方法和装置。对管道管体的检测，本文提出了基于永磁磁 化的局域漏磁无损检测方法，采用永久磁铁作为励磁磁源，检测传感器只覆盖被测管道 管体的某一局部区域，当其沿管体周向或者轴线方向移动时，有效探测相应的扫描带， 通过变化扫描路线实现管体的无漏探伤。将检测元件与磁化器封装在一起，形成一个独 立的检测单元，随着被测管道直径和壁厚的变化，通过增加或减少检测单元的数量，实 现对管道的可重构和可拼装的灵活组合探伤。针对管道弯头的检测，提出了基于永磁漏 磁检测原理的弯头整体磁化方法，利用与弯头连接的管道作为辅助导杆，在弯头两端辅 助导杆上外加磁化器构成励磁回路，形成对弯头的整体磁化。磁化器和检测探头完全分 离，在检测管道弯头时，磁化器固定不动，检测探头沿弯头的外轮廓进行扫描，实现该 部位的无漏检测。本文通过优化磁化器达到了用少量的检测装备实现对多规格管道灵活 探伤的目的。在此基础上，研制了h t p i i 型数字化工业管道检测仪。大量的实验应用 表明，上述探伤方法和装置结构简单，检测效率高，检测性能稳定可靠，现场适应能力 强，能够被广泛推广使用。 关键词：工业管道；无损检测：漏磁；局域磁化；可重构；模式识别 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 0 v e ral o n gp e r i o do ft i m e 也e r eh a sb e e nn oh i g h e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t ym e t h o dt o i n s p e c tt h ei n d u s t r yp i p e l i n ei ni t sr u n n i n ga n dm a i n t e n a n c e ag r e a tv a r i e t yo f d i r e c t i o n p i p e l i n e sa r e a l lm a d eu po f s t r a i g h tp i p e sa n dm a n yb e n d s f o rd e v e l o p i n g “t h en e w g e n e r a t i o ni n s p e c t i o ns y s t e mo ft h ep e t r i f a c t i o ns t o r i n g a n ds h i p p i n ge q u i p m e n t s ”，t h i s d i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h e i n s p e c t i o n m e t h o d sa n di n s t r u m e n t sf o rt h e p i p e l i n ed e e p l y b a s e do nt h ep e r m a n e n tm a g n e tm a g n e t i z a t i o nm e t h o d s ，t h el o c a la r e am a g n e t i cf l u x l e a k a g en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d sf o rs t r a i g h tp i p e si np i p e l i n e sa r ep r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h ei n s p e c t i o nt r a n s d u c e r so n l yc o v e rw i t ho n el o c a la r e ao ft h ei n s p e c t e d p i p e w h e nt h et r a n s d u c e r sm o v ea l o n gt h ea x i a lo rc i r c l ed i r e c t i o no ft h ep i p e l i n e s ，t h e yo n l y m a g n e t i z ea n di n s p e c tt h ec o r r e s p o n d i n gs c a n a r e a i tc a ni n s p e c tt h ew h o l ep i p e l i n e t h r o u g hc h a n g i n gt h es c a n n i n gl i n e s t h ei n s p e c t i o n a n dm a g n e t i z a t i o nc o m p o n e n ta r e e n c a p s u l a t e dt o g e t h e ra n df o r r nas i n g l ei n s p e c t i o nu n i t t h ei n s p e c t i o nu n i tc a nb ea d d e d o r c u td o w nw i t l lt h ev a r i e t yo f p i p e l i n e ss p e c i f i c a t i o ns ot h a ti tc a nb ea s s e m b l e da n dr e b u i l t t or e a l i z et h ef l e x i b l ea n dc o m b i n e di n s p e c t i o nf o rt h ep i p e l i n e s a ti n s p e c t i n gt h eb e n d si n t h ep i p e l i n e s ，an e wm e t h o di s p r o p o s e db a s e do nt h ep e r m a n e n tm a g n e tm a g n e t i z a t i o n m e t h o d st h a tu s e so n ef i x e dm a g n e t i z e rt o m a g n e t i z et h ew h o l eb e n da n do n es i n g l e t r a n s d u c e rt os c a nt h eb e n ds u r f a c et oi n s p e c tt h ew h o l eb e n d i tm a k e su s eo ft h ep i p e l i n e s j o i n t e dw i t ht h eb e n da sa na s s i s t a n tm a g n e t i cs t a f fa n dm a k e st h em a g n e t i z e rm a g n e t i z et h e w h o l eb e n d t h eg o a lt h a ti n s p e c t st h eg r e a tv a r i e t ys p e c i f i c a t i o no f p i p e l i n e sw i t haf e w e q u i p m e n t si sr e a l i z e d a n dt h ei n s t r u m e n t s h t p i id i g i t a ln o n d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e m f o rt h e p i p e l i n e a r em a n u f a c t u r e d t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t s s h o wt h e s em e t h o d sa n d i n s t r u m e n t sh a v e s p e c i f i ca d v a n t a g e s s u c ha s s i m p l es t r u c t u r e ，h i g h a d a p t a t i o n ， h i g h - e f f i c i e n c y , h i g h r e s o l u t i o n ，h i g h s t a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n dt h e yc a nb ee x t e n d e d w i d e l y k e y w o r d s ：i n d u s t r yp i p e l i n e ；n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ；m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ；l o c a la r e a m a g n e t i z a t i o n ；r e b u i l d ；p a r e r nr e c o g n i t i o n l i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 - 1 1 课题的来源 1 绪论 本课题来源于中国石油化工集团公司的科研项目“石化储运设备新一代检测系统开 发”( 编号3 0 0 0 0 3 ) 。该项目包括工业管道漏磁无损检测仪和储罐数字化无损检测仪两部 分。本学位论文研究工业管道漏磁无损检测仪部分。 1 1 2 课题的提出 一、： 业管道的特点以及主要的损伤形态 工业管道是能源和化工行业常用的传输工具，它们或埋于地下，或架在空中，根 据传输介质和压力的不同，工业管道的材质和规格随着变化。具有以下特点： ( 1 ) 工业管道由于材质、结构部位( 如直管、弯管等) 及使用环境不同，会造成各部位 的腐蚀状况与劣化程度的差异。 ( 2 ) 工业管道遍及装置的整个区域，范围广数量大，很难经济的实旋跨越全程全面的检 测。 f 3 ) 我国现役的工业管道，由于历史原因，中低压管道普遍存在焊接质量较差，缺陷较 多的问题。 工业管道的主要损伤形态有【l 】： ( 1 ) 管道内壁腐蚀与冲刷 管道内的介质及其流动会引起管道内壁表面的腐蚀与冲刷，导致壁厚均匀减薄或非 均匀减薄。 ( 2 ) 外表面腐蚀 管道外壁表面由于大气或土壤中含有的酸性湿润气氛引起的腐蚀。特别是有保温层 的管道，由于雨水的渗入或洁露更易引起保温层下外表面的腐蚀。 ( 3 ) 应力腐蚀开裂 华中科技大学硕士学位论文 常发生于残余应力较高的焊口部位，有磨削或弯曲加工痕迹的高残余应力处等。 ( 4 ) 疲劳裂纹 常发生在应力集中的角焊缝、承受交变弯矩作用的焊缝或缺陷处。 二、工业管道检测的必要性 工业管道被认为是能源和化工行业传输液态和气态介质的最为安全经济的方法。然 而，像所有的工程设备一样，工业管道也可能发生故障。近年来，有许多工业管道发生 事故，引起世人关注。例如，1 9 9 3 年委内瑞拉一条天然气管道发生泄漏，气体爆炸，烧死 5 1 人：1 9 9 4 年美国新泽西州的一条工业管道泄漏，造成火灾，致使1 人死亡5 1 人受伤。 还有其他些国家如俄罗斯、巴基斯坦、加拿大和英国等国家也有工业管道发生事故的 报道1 2 1 。 我国的工业管道也曾不同程度地发生各种事故，据不完全统计，截至1 9 9 0 年，我 国仅输油工业管道在近2 0 年时间里，共发生大小事故6 2 8 次。天然气工业管道和石化 管道也曾多次发生事故，后果更为严重，特别是工业管道泄漏造成了严重的环境污染， 给人民生命财产造成极大的损失( 2 】。 工业管道投入运行的中期和后期是事故的高发期，特别是服务后期，工业管道事故 发生的可能性随着服务年限的增加急剧增加，而我国多数工业管道服务都已有2 0 多年 了，到了事故高发期，必须尽快采取有效措施，最大限度地减少事故的发生【2 j 。 另外，国内工业管道检测技术的研究水平及应用水平都较低，处在起步阶段，尚未 制定统一的标准。这就造成了我国的工业管道修复大都是由于工业管道发生泄漏、爆破 后被追进行的抢修。若掌握高水平的工业管道检测技术，变抢修为计划检修，有计划地 更换个别管段，即可避免上述灾害，大大减少工业管道维修费用。此外，对管道的运行 状态不清楚往往使决策者做出错误决策，导致由于盲目地报废某些管道再建新管道而造 成浪费。例如，我国有一条工业管道曾多次发生泄漏，最后决定将其全线报废另建新管 道。在拆除旧工业管道时发现，大部分钢管没有腐蚀或只有轻微腐蚀，估计要更换的工 业管道不足十分之一。因此，大力发展和普及工业管道检测技术是十分必要的1 2 j 。 工业管道事故发生后被动维护付出的主要代价和损失包括如下几个方面【2 1 ： ( 1 ) 工业管道泄漏导致输送介质损失； ( 2 ) 工业管道事故发生后，导致介质停输造成的损失； ( 3 ) 【业管道事故造成的人身安全伤害损失； 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 j 工业管道事故造成的环境污染： ( 5 j 工业管道事故发生后，对工业管道进行抢修要付出代价，而工业管道抢修工程 比主动维护时进行的有计划的维修难度要大得多，付出的代价也大得多。其中环境污染 造成的损失危害最为严重，其经济损失是难以估量的1 2 j 。 基于以上原因，本课题致力于研制这套数字化工业管道无损检测系统，以减少各种 事故和损失的发生。 1 1 3 课题的目的和意义 由于能源储备量的增加，管道在水、油品、天然气等原料、中间产品、或最终产品 的储存和输送过程中发挥着不可替代的作用，其安全稳定运行直接关系到国计民生，对 石油化： 生产和人民生活起着重要作用。党中央、国务院和国家经贸委对安全工作十分 重视，中央领导对安全工作做过多次批示，国家经贸委也专门下发文件，要求做好安全 防范工作，加大投入解决管道的事故隐患问题。 长期以来，管道在运行维护过程中，一直缺乏高效可靠的检测技术手段，在检测时 往往只能做一些外观检查、壁厚测量和表面探伤，超声波和射线探伤实施困难，检测项 目少，效率低，缺陷检出率低，使设备和管道在运行过程产生的一些腐蚀、裂纹等缺陷 难以及时发现，对事故隐患不能很好预报、评估和处理，使生产上存在着诸多隐患，威 胁着石化企业的安全生产工作。国外在管道检测上起步较早，而且投入了大量资金，进 行专业，f 发。目前，已经形成一些检测仪器和技术，但有的为垄断技术，不向中国提供， 一些提供的产品和技术价格十分昂贵，难以在我国推广，要解决我国管道检测问题，在 资金和服务方式上都存在巨大困难，自行开发相关的产品和仪器是切实可行的办法。 本项目的技术开发成功后，可以形成管道全厚度范围内的腐蚀、裂纹等缺陷检测能 力，尤其能反映管道内部腐蚀状态，形成评估管道安全性的强有力手段，对维护石油化 工生产安全、稳定、长周期运行及维护人民生活有十分重要的意义。 在经济效益方面，本产品的前景广阔，仅中石化集团公司下属的生产企业管线数量 在1 5 亿千米以上，如按平均6 年检验一次计算，每年检验管线约3 0 0 0 千米，检验工作 量巨大，检测设备和检测技术服务需求大，据估算，全国需管道检测仪5 0 0 台，仪器产 值可达6 0 0 0 万元以上。应用本项目技术检测管道，如按市场占有率1 0 计，检验市场 份额可达1 5 亿元以上，而且，目前国家正在加大油品战略储备的期限，大批管道将要 华中科技大学硕士学位论文 建造和投入使用，因此，无论是销售市场还是检测技术服务市场，经济效益都很明显 推广的价值巨大。 1 2 工业管道无损检测国内外研究概况 目前，一些发达国家的管道检测水平较高，基本形成了成熟的系列技术。如采用以 微机网络系统为基础的scada 技术对管道运行情况进行监控，对管道变形、壁厚， 涂层及腐蚀情况进行详细的监测，其清管和检测为智能化新技术，可以以数据及图形方 式再现管道的详尽情况【2 1 。相对而言，国内管道检测技术的研究水平及应用水平都较低， 处在起步阶段，尚未制定统一的标准。 管道检测可分为管外检测和管内检测两大类拉j 。所谓管外检测是将检测设备放在管 道外部检测并了解管道的缺陷情况。管道内检测则是把检测仪器置入管道内，使之随管 道中流动介质移动或自行移动，以获取管道缺陷的信息。检测仪将管道的有关信息采集 并存储起来，利用计算机将所记录到的管道信息进行处理分析，从而了解管道的状况。 对二f 架空或暴露在外边的管道，可以采用管道内或者外检测技术。但对于埋于地下 或海底的管道多采用管道内检测，国际上主要采用管道智能检测猪口l ( i n t e l l i g e n tp i g g i n g ) 进行埋地输油管道的在役检测。 目前，国内外对工业管道进行无损检测的方法主要有：超声波、磁粉、涡流、漏磁 以及c l 射线等几种方法。 1 2 1 超声波探伤方法 超声波探伤的原理是：将高频声波脉冲导入被检测的材料，当声波传输的过程中遇 到缺陷时，一部分声波会被反射回，产生回波，系统可检测到这些回波，并进行放大处 理，转换成数字信号，呈现在屏幕上，从而获得被测材料的缺陷状况1 6 j 。 在： 业管道的检测中，一般将超声探头置于被检测管道的内部。当超声探头对管壁 发出一个超声脉冲后，探头首先接受到由管壁的内表面反射回的脉冲，该脉冲与基准脉 冲之恻的间距是很容易测量的f7 1 。然后，超声探头又会接收到由管壁的外表面反射回的 脉冲，这个脉冲与内表面的脉冲之间的间距反映了管壁的厚度。超声探头沿管壁的圆周 方向进行旋转，不断的向管壁发射脉冲，管道径向的缺陷将被检测到。随着超声检测探 头沿管道轴向前移，就完成了对整段管道的检测。超声波技术主要适用于壁厚测量，并 4 华中科技大学硕士学位论文 且精度比较高，从原理上讲，超声波检测属于点接触式检测，检测效率低，同时由于需 要耦合剂，实现快速检测比较困难。近年来，为了适应快速检测的要求，人们在不断研 究超声波的耦合技术，如空气耦合、电磁超声、激光超声和直接磁致伸缩耦合等技术。 德国采用水淋超声耦合技术实现工业管道壁厚和纵向裂纹的综合检测，它能满足从多个 探伤面同时进行多种缺陷全面检测的需要，并能实现自动扫描、数字化控制和数据采集， 从而提高了探伤的速度和超声波探伤的可靠性。 1 2 2 荧光磁粉探伤方法 荧光磁粉探伤是近年来广泛应用的探伤方法，应用领域比较广。磁粉受到漏磁场的 吸引，沉积在表面缺陷上，当采用普通磁粉探伤时，由于工业管道表面的氧化色与磁粉 颜色反差低，观察时缺陷处磁痕不够清晰、磁痕易脱落而造成误检或漏检。采用荧光磁 粉探伤则可解决上述问题：在铁磁性粉末外面包覆一层荧光物质，当荧光磁粉受到漏磁 场作用沉积在缺陷上时，在紫外线灯光的照射下，荧光磁粉表层的荧光物质激发出黄绿 色的荧光，显示出缺陷的形状和位置。荧光磁粉探伤灵敏度高，容易检测到微小裂纹， 但检测结果受到人为因素的影响较大。磁粉探伤主要用于工业管道焊缝等短范围内的探 伤。近年来，人们逐渐将计算机成像技术引入磁粉探伤中，通过采用c c d 摄像头将磁 粉的图像拍摄下来，通过图像采集卡将其输入到计算机中，利用图形识别技术，将图像 与缺陷对应起来，从而实现磁粉探伤的自动化。该技术的主要问题是设备结构复杂，对 环境要求高，一般要有专用的暗室“。 1 ，2 3 涡流探伤方法 用一个高频振荡器供给激磁线圈产生激磁电流，并在被检测件中感应出涡状电流， 涡流又产生自己的磁场，涡流磁场的作用消弱激磁磁场的变化。由于涡流磁场中包含着 管材状况等各种信息( 如钢管材料中存在的各种缺陷) ，仪器通过检测线圈把涡流磁场 信号检出，进行滤波、鉴相、放大等处理，并抑制非缺陷的各种噪声信号( 如材料性能 的差异、运动不平稳等) ，以此来判别管材中缺陷的存在。涡流探伤有点探头式和穿过 式两种基本方法，主要用于工业管道表面缺陷的检测，如果要检测工业管道内表面的缺 陷，需要从工业管道内部穿过，结构复杂。 常规涡流检测具有检测灵敏度高、不需要耦合剂、易实现高速自动化等优点。但是 华中科技大学硕士学位论文 对铁磁性管的检测来说，由于渗透深度受到严重限制，磁导率变化的严重影响难以消除。 然而，远场涡流检测受集肤效应及磁导率变化的影响较小，对管道的内外壁缺陷具 有相同的检测灵敏度，受提离效应的影响也小，从而弥补了常规涡流检测的局限性7 j 。 远场涡流检测所用探头一般为内通过式探头，它由两个螺线管线圈组成：一个为激 励线圈，另一个为检测线圈。与常规涡流检测不同之处在于检测线圈不是紧靠着激励线 圈，而是在离激励线圈2 3 倍管内径以外的“远场区”i i ”。 在远场区域，尽管激励线圈与检测线圈均在管内，但以非直接耦合的能量占主要成 分，在远场能量传递路径上的任何缺陷，无论内缺陷或外缺陷都能在远场区检测线圈中 引起信号幅值和相位的变化，这就是远场涡流检测的依据。目前，国内外对远场涡流检 测技术的研究日渐深入，但是实用的技术还不够成熟【i ”。 1 2 4 漏磁探伤方法 漏磁探伤的基本原理是：通过外加强大的磁场对铁磁性材料进行磁化，当被磁化的 铁磁材料存在缺陷时，即在材料表面形成漏磁场，检测线圈或霍尔元件检测到漏磁场并 将其转化为电流或电压的大小，依此反映出缺陷的大小和位置。其原理如图11 所示。 图1 1 漏磁场检测原理图 由于涡流探伤方法只能检测构件表面和近表面缺陷，国外7 0 年代中期开始研制漏 磁探伤设备，以后推出了多种漏磁探伤仪，比较深入研究了漏磁场的分布及信号处理方 法，主要结论是：裂纹深度与信号峰峰值呈线性关系，在恒定磁场检测情况下，存在远 场磁场。比较有名的厂家是德国的f o r s t e r 公司和美国的t u b o s c o p e 公司【2 7 2 8 1 。 漏磁检测法具有速度快、灵敏度高、穿透能力强、不受油水影响等特点，对管道内 6 华中科技大学硕士学位论文 郄缺陷鲍检测具寅较好的灵敏度，成本悠、操终麓单，缀逶会鼹于检测铰磁性工业管道。 1 2 5c t 成像法 c 1 成像法可以显示工业管道内的剖面图像，对腐蚀和堵塞不但一嗣了然，而且还 可以定量的驻示腐蚀后的壁厚和堵塞后的堵塞率，是种较为理想的检测方法，但是普 通的c ，r 成像装嚣用大电流、高功率的强x 射线源，用几百个检测器组成阵列，在几百 个方向上取投影数据，设备大而且笨重，无法到现场应用。有的采用小而轻的弱y 射线 源，用少量检测器，采用特殊的c t 重建算法，并用开剖分结构制作了适用现场的工业 管道c t 检测仪，成功的应用于现场l ”。o j 。 各种方法的比较如下表1 所示： 表1 各种检测方法对照表 l 检测方法瘸途特点 嗣黢性 趣声波探惦楗辩不涟缕性瓣捻出、洋对瑶挂缺陷皱惑：探测距嵩丈；装置 不赢麓；a 为霜素夫 盎型)鹱溅羹等，j 、巧、轻、赞甩低 适用于所有菲多建牲拳l督捻窭裹瑶袋铰、锋孔、折叠、缝陈、蔫清洗和去污；强髓捡出表面 ：的开 渗透法探伤 # 吸牧材料游漏等表蔷开口映籀；西挟酪；易骰指示；有毒 逶臻手糙辩淘薜疑陷豹 对体狡性缺络捡穗率较离；对于 咤6 m m对裂纹都样的蕊性缺陷，r 肯裂纹 x 射线探伤 拯溅方法辩钢板霹辨试盘审0l m 鹩钢丝平行的x 射线照相时，才能捡出 适罱予磁性材料的表赫撩作簿便、矗魂、灵敏度高；检测成 能榆测出缺陷的位鬣和表面跃度，但 磁粉探伤 帮近表面缺陷检测本低不能确定深度；只限于铁磁性材料 具有导电性的铁磁性材能检测出试件表面及近表面内缺陷： 只是一种间接的测氨方法，对仪器指 料和非铁磁性材料能分选金属材料检畿其成分、晟微示使与工件的结构特钲之间关系必 涡流梭测 组织和其它物理性质的差异；能检测须加以仔细分析；探伤前表面装进行 出试件的各种尺寸、涂料厚度、腐蚀清理，除去对揉伤柯影响的附着物 状况和变形状况 适用于铁磁性材料的缺 操作简便、商观、灵敏度高；成本低、检测前需清理寝面，但要求不高：村 陷检测效率商：能穿透涂层；不受内部流动 料越厚需要的磁化能力越强 濑磁捻溅 介质影响：尤其能够检测出内表i 苴f 的 缺陷 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题的研究策略及论文的主要工作 1 3 1 课题的研究策略 本课题研究对象为石化行业连续架空的工业管道。管道的走线复杂，规格繁多。根 据双方协议，采用管道外检测方式。鉴于漏磁法具有明显适应石化工业管道无损检测的 优点，本课题采用漏磁法对工业管道进行检测。课题采取以下研究策略： 1 将工业管道漏磁无损检测技术的研究分为磁化、信号获取、信号分析三个部分， 研究时充分考虑三者的结合、协调与配套。 2 针对架空工业管道规格繁多，走线复杂等实际情况，结合以往的漏磁检测传感器 的研究成果，提出并深入研究管道管体部分局域磁化方法和弯头部分整体磁化、单独扫 描方法，保证对管道的磁化达到检测的要求。 3 针对管道规格繁多的特点，对传感器的研究，采用检测传感器模块化和可拼装、 可重构的研究方案，同时研制系列检测探头，使仪器能够根据管道规格的变化合理的拼 装和组合若干个传感器模块以满足磁化和检测的要求。 4 对于信号的分析处理与缺陷的评估方法的研究，在充分利用计算机应用技术与人 工智能知识的前提下，深入研究局部异常信号识别和评估的方法和技术。 5 及时将研究成果转化为相应的技术装置，并通过实验室试验和现场试验对装置进 行考核，以发现新问题，从而进一步改进和完善装置。 1 3 2 论文的主要工作 研制一套便携式石化工业管道无损检测系统。主要包括检测传感器、位置编码器和 计算机系统等内容。检测系统沿工业管道进行移动扫描，磁化器对工业管道进行磁化， 当管道上存在有缺陷时，引起周围部分磁场发生变化，检测元件检测到这一磁场变化并 将其转化为电信号，编码器控制计算机进行信号采集，实现缺陷的空间定位，最后，编 制相应的信号处理软件，对缺陷进行分析，给出数字化的检测结果。 本文研究的重点放在检测磁化器、检测探头、信号调理采集模块、信号分析和处理 软件的设计上。在整个研究工作期间，作者对天津石化在役工业管道进行了调研，充分 考虑了各种因素，实现了检测探头的系列化和检测传感器的可拼装与可重构设计，开发 了h t p i 型数字化工业管道无损检测仪，在参加了大量的实验室试验和现场试验后，对 华中科技大学硕士学位论文 仪器进行了大量的改进并开发了h t p i i 型数字化工业管道无损检测仪。 本学位论文共分七章，各章的内容概括如下： 第一章为绪论，首先概述了本学位论文课题的来源和意义，然后综合介绍了国内外 关于工业管道无损检测方法的研究情况。对论文所做的工作进行了简述。 第二章介绍了数字化工业管道无损检测系统的总体设计。分析了这套系统的技术难 点，并分别针对这些难点提出了相应的解决方案。 第三章介绍了工业管道漏磁无损检测仪的检测原理和实现方法，提出并深入研究了 管道管体部分的局域磁化方法和弯头部分的整体磁化、单独扫描方法及其具体的实现方 式。 第四章介绍工业管道漏磁无损检测仪的结构设计，包括管体和弯头两部分检测仪的 磁化器设计和检测探头的设计等内容。 第五章介绍数字化工业管道无损检测系统信号处理方法。包括模拟信号的预处理方 法、信号的特征描述、数字信号处理分析方法以及处理软件的设计等内容。 第：六章介绍系统基础实验情况。 第七章对全文进行了总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 数字化工业管道无损检测仪的总体设计 数字化工业管道无损检测仪主要用于液态和气态介质输送过程中管道设备的安全检 测，解决管道内外部裂纹、腐蚀等主要缺陷的检测与评价，从而获得管道的运行状况， 提供管道安全性能评价的准确信息，为管道设备的科学管理提供依据。 漏磁检测具有速度快、灵敏度高、穿透能力强、不受油水影响等特点，对管道内部 缺陷的检测具有较好的灵敏度，且成本低、操作简单，很适合用于检测铁磁性工业管道。 因此，根据工业管道的特点，采用漏磁无损检测方法实现对工业管道的检测。 本章主要论述了数字化工业管道无损检测仪的总体设计方案，并分析采用此方案设 计时必须解决的技术难点，同时提出解决各难点的可行方法。 2 2 数字化工业管道无损检测仪总体设计 2 2 1 数字化工业管道无损检测仪系统构架 本文研制的工业管道无损检测仪包括两套装置，一套专用于检测工业管道管体部 分，另一套用于检测工业管道弯头部分。但是这两套装置从系统的构架上讲是相同的， 如图2 1 为系统的基本构架。 工业管道( 管体和弯头) 兰刊型等等薹差距离脉冲编码器 l 1 t = _ = j e = = = = = ；= = = = l 一1 、丫 磁化器( 磁化部分) 区垂巫卜区巫巫砸 缺陷信号分析软件 图2 1 数字化工业管道无损检测仪系统 显示 打印 1 0 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 日= 一= 一 本文将系统分为三大部分：检测传感器部分( 包括磁化器部分和检测探头部分) ， 信号采集及预处理部分和计算机信号处理部分。磁化器部分将被测构件( 管体和弯头) 磁化到一定程度，这部分要考虑既要将被测构件磁化到一定程度，又要减小磁化器的重 量，减，j 、磁化器与被测构件之间的吸引力等问题；检测探头由磁敏感传感器拾取漏磁信 号并转换成电信号。信号处理转换则包括信号预处理电路及信号转换传输两部分，检测 探头得到的电信号经过信号预处理电路进行必要的放大、滤波等处理后，进行a d 转换， 送往计算机。计算机信号处理显示部分就是一套完整的信号处理显示软件，可以按照要 求显示检测的结果。 2 2 2 数字化工业管道无损检测仪技术指标、技术难点及实现方案 根据工业现场的需要，对这套无损检测仪要达到的技术指标，项目合作双方协商达 成以下技术协议： l 仪器便携、防爆、单个传感器重量小于l o k g ，尺寸小于2 0 0 3 0 0 3 0 0 m m ； 2 穿透能力3 0 m m 以上； 3 扫描速度0 6 m m i n ： 4 可穿透5 m m 厚涂层检测； 5 数字化存储，可与计算机互接通讯调用； 6 声光报警，报警值可调； 7 用衰减比或残余壁厚显示壁厚减薄； 8 检测性能技术指标满足g b l 2 6 0 6 1 9 9 9 ； 9 管道直径范围巾1 9 中6 0 0 m m ，探头配套。 要实现以上技术指标，必须要解决以下几个技术难点： ( i )工业管道的尺寸规格繁多( 直径从中i 9 m m 到中6 0 0 m m ) ，不可能对每种规格 的管道分别设计一套磁化和检测装置，也就是说要求所设计的检测仪器有 较广的直径适应范围。 ( 2 ，l 由于工业管道连续架设在空中且管道间距比较小，不便拆卸，必须在架上 检测，因此不能够采用穿过式的磁化和检测设计，必须考虑如何实现管道 整周不漏检。 ( 3 ：l工业管道弯头部分由于形状特殊，必须研究较特殊的磁化以及检测方法， 设计专用的磁化和检测装置。 1 1 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 )要求仪器能够在不去掉涂层时进行检测，即仪器能够穿越涂层。 ( 5 )信号采集转换电路和检测分析软件的设计，必须在现有成果的基础上，改 善信号采集转换电路，寻求更好的信号处理方法，能够定量识别缺陷，能 够更加直观的显示检测的结果。 针对上述的技术难点，采用下面的解决方案： ( 1 )与天津石化机械研究所合作对天津石化公司在役的工业管道进行了较为详细 的调研，根据调研的结果确定所要研制的磁化器和检测探头的尺寸规格。调研结果如下 表2 1 昕示。 表2 1 天津石化部分管道统计表 按直径排序 序 管道规格、数量 直径数量 号壁厚( m m ) ( m m )( 根) l1 8 2 ，3 2 l 22 52 51 9 33 238 5 43 833 4 5 4 53 54 9 65 364 4 7 5 7 3 5 ，5 1 7 9 86 0 539 5 53 0 97 646 3 l o8 94 5 7 61 3 l l l1 0 8 4 ，5 6 i 1 21 1 48 62 1 1 31 3 381 2 1 41 5 95 1 02 1 1 51 6 5 27 12 5 1 62 1 9 61 6 1 72 7 31 21 7 18 3 1 851 03 1 7 4 1 0 1 92 7 71 0 7 2 04 2 6 1 0 ，1 3 7 2 15 3 c1 23 2 2 6 3 ( 38 2 按数量排序 管道规格、数量 序 直径数量 号( m m ) 壁厚( m m ) ( 根) l6 3 082 2 5 3 01 23 3 2 7 7 1 07 44 2 6 1 0 ，1 3 7 53 1 8 51 0 3 1 7 4l o 61 3 381 2 72 1 961 6 82 7 31 21 7 92 52 51 9 l o1 8 2 ，3 2 1 l i1 1 48 62 l 1 21 5 95 1 02 i 】31 6 527 i2 5 1 46 0 5 3 9 ，5 5 3 0 1 53 833 4 1 65 ( 1 64 4 1 7 4 53 54 9 l81 0 8 4 ，5 6 1 1 97 6 46 3 2 03 238 5 2 l8 94 5 761 3 l 2 25 735 51 7 9 1 2 华中科技大学硕士学位论文 瑟表为部分生产_ 厂及生产装置( 一番亿厂、二磊化厂、三石纯厂、热电厂、纯工厂、 化纤厂) 的统计，只反映一个趋势。另外这里仅统计管道的数量丽不是长度，医此统计结 果不能反映出将来现场工作量的大小和检测元件的损耗情况。管道规格分布图如下圈 2 2 所示。 图2 2 天津石化工业管道规格分布图 根据统计谤况，按照管道的外强将管道细分为以下几种规格：中3 2 、审5 7 、0 8 9 、 1 1 4 、枣1 5 9 、2 7 3 ，煮径，j 、予零3 2 帮大子2 7 3 等8 种。其中蒋六稀配蔽专稻韵稳 测探头，屠嚣秽月通用的捞装搽头；依照瑟划分，垮磁化器分为：l 号磁化器专用予检 测直径为中3 2 及其以下的篱道，2 号磁化器专用于检测囊径为中5 7 m 8 9 的管道，3 号 磁化器专用于检测直径为1 1 4 中1 5 9 的管道，4 号磁化器用于检测直径为中2 7 3 及其 以上的管道。 嘏据管道的实际馕焉清凝对其迸行麓分，可以保证对凡释常鬣或大甭量的管道遗行 壤确的缺陷检测，也怒够对小期量、特殊尺寸蠡冬管遵述行检测，躐小了设计靛难度，避 免了不必要的浪费。 ( 2 )针对工业管道规格较多，且连续架设在空中的实际情况，不能采用整体穿过 式的磁化和检测方式，否则磁化器和检测探头将无法适应规格多变的工业管道的磁化和 梭溅，也不箍逶鹿管邋具体走线对捡溅豹要求。 对管道管抟部分豹捡测，采用弱域磁化窝检测瓣方法寒熬决这个藏遂。虢是在厨淘 上和轴向上都进行局部的磁化和检测，装霆沿管道的轴向进行扫撼，一次扫糖仅捡测篱 道的一部分，一个扫描带。这里采用可重构、可拼装的设计思路：将具有一定磁化和检 测能力的检测传感器作为鏊本的传感器模块，根据管道规格的不同，以磁化足够和检测 华中科技大学硕士学位论文 方便为前提，合理地将若干个传感器模块组装在一起对管道进行检测。虽然这样增大了 工作量，但是却解决了问题，只要合理的设计磁化器和检测探头的结构，就可以减少工 人的劳动量、提高检测效率。 如图2 3 所示，为这种磁化检测方式的简单描绘。 ( 3 )管道弯头的检测也是要解决如何有效方便的进行磁化和检测的问题。弯头的 形状非常特殊，和管道配合使用，其规格也非常多。不能采用局部的磁化方法，只能够 对弯头进行整体的磁化，磁化部分和检测部分完全分离，磁化器固定不动，检测探头运 动实现对弯头的扫描和检测。 图2 _ 3 局域磁化和检测方法示意图 ( 4 )对于能否穿透涂层，需要大量的试验验证磁化器的磁化能力和检测元件的检 测能力。由于保温层会给检测带来干扰和不便，所以仍然要求去除一定层的保温材料后 再对管道进行检测。 ( 5 )如何对检测得到的信号进彳亍处理和分析是本课题的又一个重点问题。磁场信 号经过霍尔元件转变成电压信号以后，还要经过必要的放大、滤波等预处理之后才能进 入采集转换电路，在以往研究成果的基础上，将通用的采集转换电路经过改善，应用于 工业管道的检测，使处理效果更符合分析的需要，同时研究更实用的信号处理与识别方 法，提高信号分析的定量程度。 2 2 3 数字化工业管道无损检测仪评价指标 性能、价格和可靠性是评价一个系统比较重要的三个要素。对于数字化工业管道无 损检测仪来说，其评价指标主要包括以下几个方面： 4 华中科技大学硕士学位论文 1 仪器系统的性能 仪器性能能否满足用户的要求是评价的首要因素。上文对这套仪器系统进行了较为 全面和系统的分析，提出了解决仪器系统关键问题的可行方案，在设计过程中还必须不 断的对所开发的仪器进行实验室和现场试验，不断的发现和解决仪器存在的毛病和问 题，提高仪器的性能。 2 仪器系统的可靠性 检测仪器系统的可靠性在无损检测中显得尤为重要。在设计时必须采用正确的设计 和质量控制方法，尽量避免把故障引进系统；另一方面，在检测系统中采用容错技术， 可通过增加硬件冗余、时间冗余、信息冗余和软件冗余等技术来掩蔽故障的影响。 3 仪器系统工作的效率 包括仪器允许的检测速度、信号转换和处理速度、检测结果的输出速度等方面。必 须考虑缺陷结果显示的及时性和检测仪器的覆盖范围。所以在磁化足够的前提下，应尽 量增大一次扫描和检测的范围，同时选用速率较快的信号转换器件和处理器件，减小分 析处理时间。 4 仪器操作的方便性 这套仪器是手动的，因此必须考虑仪器使用的方便性，既要较快的完成检测，又要 减小检测人员的劳动强度。这就要求必须设计合理的结构减小仪器在操作过程中所需要 的动力。 2 3 小结 本：乏研究了采用漏磁检测法来实现数字化工业管道无损检测仪开发的总体设计方 案，根据检测对象的不同将检测仪分为管体检测仪和弯头检测仪两种；根据系统各部分 的功能不同，将检测仪分为检测传感器部分、信号预处理及转换部分和计算机信号处理 部分。分析了检测系统的技术难点，并针对这些难点分别提出了可行的解决方案，提出 了根据管道规格的变化将磁化器和检测探头系列化的设想，提出了管体部分局域磁化检 测方法和弯头部分整体磁化方法，以及检测传感器可拼装、可重构的设计思路。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 工业管道漏磁无损检测原理和实现方法 为实现工业管道的快速检测，根据总体设计的要求，采用漏磁检测方法对工业管道 进行检测。漏磁检测方法主要考虑对被测对象的磁化和对缺陷信号的拾取这两个问题。 漏磁法检测时，缺陷处漏磁场信号的产生由磁化器决定，铁磁性材料被磁化的强度与磁 化器磁场信号的大小、分布有着直接的关系，并影响着检测时的缺陷可检测性、分辨能 力、灵敏度、信噪比等因素。因此，磁化器的磁化方式、方向、强度等的选择非常重要。 虽然从本质上讲，漏磁法应用于不同的检测对象和不同的检测环境时基本原理是一 样的，但是对于具体的检测对象，实现的方法却有很大的不同。本章主要研究漏磁法检 测应用到工业管道( 包括管体部分和弯头部分) 检测时的原理和实现方法问题。 3 2 工业管道管体部分漏磁无损检测实现方法 3 2 1 工业管道漏磁检测的永磁磁化方式 永磁磁化方式以永久磁铁作为励磁源。它是种不需电流源的磁化方式，与直流恒 定电流磁化方式具有相同的特性，但在磁化强度的调整上不及直流磁化方式方便，其磁 化强度一般通过磁路设计来保证。 在永磁磁化方式中，永久磁铁可以采用永磁铁氧体、铝镍钴永磁、稀永磁等，永 磁铁氧体价格低廉，矫顽力高但剩磁低；铝镍钴永磁剩磁高但矫顽力低：稀土永磁价格 较贵，但矫顽力很大，剩磁较高，是永磁材料发展上的第三代材料。对于不同的永久磁 铁，在磁路设计上应根据各自的磁特性，充分发挥其优点，以使磁路达到最优。 由于永久磁铁，特别是稀土永磁，具有磁能积高、体积小、重量轻、无需电源等特 点，在磁性检测中将得到很好地应用。以永久磁铁为磁源的磁性检测装置具有使用方便、 灵活、体积小、重量轻等特点，所以永磁磁化方式是在线磁性检测设备中磁化被测构件 的优选方式。 在励磁磁源选择后，随着磁源在磁路中的布置位置不同又可产生多种方法。在这些 1 6 华中科技大学硕士学位论文 方法的实施中软磁材料是不可缺少的，起着引导磁场和减小磁阻等作用。软磁材料有电 工钢片、坡奠合金、工业纯铁、低碳钢等。在交流磁化中选用电工钢片：在恒定磁场磁 化中可选择多种软磁材料，其中以工业纯铁和低碳钢价格最便宜，机械加工性能较好。 在磁路设计中软磁材料截面积尺寸的选择以不产生饱和为原则，确保软磁材料的高导磁 率【3 5 】。 由于工业管道的直径范围比较宽，而且实际布置比较紧密，呈一个连续的整体，不 可能采用穿过式的磁化方式，只能够考虑移动和连接比较简便的磁化方式，因此直流和 交流磁化方式不能满足要求。另外，永磁材料发展很快，采用体积很小的永久磁铁可以 提供很强的磁场，满足工业管道磁化的需要，因此在工业管道检测方法中，越来越多地 倾向于采用永久磁铁实现工业管道的磁化。 选用稀永磁铁作为磁源对工业管道进行磁化，还需要进一步研究永磁方式下，如 何实现对工业管道的磁化。 3 2 2 永磁方式下工业管道管体部分磁化和检测方法研究 3 2 2 1 管体部分局域磁化和检测的理论研究 在以往对细长导磁构件如油管唧、钢丝绳【3 8 、抽油杆等的检测中，一般采用的 是轴向蜀部磁化，周向整体磁化的磁化方式，结合整周检测的检测方法，实现沿构件轴 向一次扫描整个周向无遗漏的探伤。这种磁化方式可以对轴向上磁化器段内的整个圆周 实现比较均匀的磁化，并且，由于它们的规格相对较少，直径变化范围不大，所以，采 用一种直径规格的构件对应一种尺寸探头的设计方法。然而，