CN105738467B - 一种磁记忆多提离值管道内检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁记忆多提离值管道内检测系统及其检测方法，检测系统是在底座上环形均布多个采用柔性铰链平行四杆机构的弹性组件，每个弹性组件末端嵌装磁路模块，磁路模块包括提离值逐级相差等值的多级磁场传感器；检测方法是以检测里程为横轴、磁场强度为纵轴得到多级磁场信号曲线，然后横轴上平移得到不同提离值下对应于相同位置的磁场信号曲线，再对相邻两条磁场信号曲线做差，最后对差值数据求方差，方差曲线上出现尖峰的位置即为焊缝位置或缺陷位置。本发明能够防止因管道内感应磁场不平滑造成缺陷位置的误判与漏判，有效提高诊断的分辨力和检测精度；并且对后期数据的处理难度变小，检测方法省时省力，非常适用于管道内检测器的应用。

Description

一种磁记忆多提离值管道内检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及管道内检测领域，具体的说，是涉及一种磁记忆多提离值管道内检测系统及其检测方法。

背景技术

目前，管道内检测技术是应用最为广泛的维护管道安全性与完整性的有效方法。英、法、德等国研制的管道内检测机器人已经实用化，但是他们不出售产品和技术，只提供在线检测服务，收取高昂的检测费用，垄断着管道检测市场，且检测全程无隐私，使得我国石油生命线暴露无遗。而我国管道内检测技术水平较低，采用的超声波和漏磁检测方法较为落后，且各有不足，无法满足我国日益增长的管道检测需要。

金属磁记忆检测技术是一种新型的无损检测技术，它利用金属的磁记忆效应，通过记录地磁场作用下的金属构件表面的漏磁场信息，可对构件微观缺陷和应力与变形集中区进行辨识，不仅可以实现已有管道损伤的检测，还能对因焊接、施工、介质内压、地基沉降、热膨胀等因素造成的尚未形成体积缺陷的应力集中区实施有效的评价，从而对管道运行的安全隐患进行有效的预防。

目前基于磁记忆原理的管道内检测设备多是将磁记忆检测设备加在管道清管器(PIG)上，由管道输送介质作用在清管器动力节皮碗上的压差推动内检测器在管道内行进。管道内径尺寸并不均匀，且沿着管道存在一定范围内的变化。在检测过程中可能遇到管道截面变形、内壁凸起或凹坑、过弯管等因素。若检测单元中的磁场传感器固定，其在行进过程中与管道内壁的距离会产生变化，由于磁记忆检测对内检测的提离值(即磁场传感器与管壁距离)十分敏感，因此现有的内检测器检测单元的检测环轮多采用四连杆结构，主要包括传感器滚轮、传感器盒、检测支架、扭簧和固定支座，其扭簧使检测支架滚轮始终与管道内壁紧密相贴，为装置提供支撑的同时具有良好的通过性，可使磁场传感器与管道内壁保持一定程度上的距离恒定。但这种机械结构的稳定性不佳，装配复杂，不够灵敏，且在通过管道内变径处传感器的检测角度可能会发生偏转，磁场信号的切向值与法向值会产生一定误差。

另外，现有内检测器都是通过对采集到的漏磁场信号法向分量H(y)的过零点和最大梯度值的位置进行联合分析来判断管道内的缺陷位置，但是在检测过程中发现一些构件的感应磁场是不平滑的，存在波峰波谷等各种与缺陷信号类似的特征，难以区分。采用这种常用的磁记忆梯度值方法，感应磁场信号凹凸的地方也会出现梯度值的尖峰，与缺陷信号的尖峰形状接近、大小相似，很容易造成缺陷位置的误判和漏判。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出一种在管道内径变化时能够进行自适应形变、保证磁场传感器与管道内壁的提离值始终不变、检测角度稳定、多传感器多提离值检测的磁记忆多提离值管道内检测系统，并且提出了利用该检测系统的多提离值管道内检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种磁记忆多提离值管道内检测系统，包括底座，所述底座上环形均布有多个弹性组件，每个所述弹性组件的末端嵌装有磁路模块；

所述弹性组件采用由弹性不导磁材料制成的柔性铰链平行四杆机构，所述弹性组件的末端与被测管道内壁接触的外侧面呈完全适配于管道内壁的圆弧形，且该圆弧形外侧面与管道内壁为过盈配合；

所述磁路模块包括水平方向等间距布置且竖直方向等间隔的3-5级磁场传感器，即3-5级所述磁场传感器的提离值逐级差值相等，以能够采集多提离值下的磁场信号。

其中，所述底座上环形均布有6-12个所述弹性组件。

其中，所述磁路模块以整体灌胶的方式封装固定于所述弹性组件末端设置的凹槽中。

其中，所述弹性组件的末端与被测管道内壁接触的外侧面设置为耐磨材料。

其中，提离值最大的所述磁场传感器，其提离值为3-5mm。

其中，多级所述磁场传感器的提离值逐级相差1mm。

其中，提离值最小的所述磁场传感器紧贴于所述弹性组件末端所设置凹槽的内顶面。

其中，所述磁路模块中提离值最大的所述磁场传感器直接固定于底层电路板，其他提离值的所述磁场传感器通过转接电路板固定于所述底层电路板，以使3-5所述级磁场传感器在竖直方向上逐级相差等高。

一种磁记忆多提离值管道内检测方法，采用上述磁记忆多提离值管道内检测系统进行，包括如下步骤：

(1)将检测系统作为一个检测节连接到清管器上形成管道内检测器，保证检测系统的所述底座和清管器同轴，并且将每个所述磁路模块通过导线与清管器的电子控制舱相连；所述弹性组件末端的圆弧形外侧面与管道内壁为过盈配合，在检测过程中每个所述磁路模块的各级磁场传感器提离值保持不变，并且始终检测管管道内壁磁场的切向与法向分量；

(2)管道内检测器运行时，多级所述磁场传感器在轴向上依次通过同一管道位置，以检测里程为横轴，磁场强度为纵轴，分别得到多级所述磁场传感器的磁场信号曲线；

(3)由于多级所述磁场传感器在水平方向上等间距，将磁场信号曲线在横轴上进行平移，得到被测管道在不同提离值下对应于相同位置的磁场信号曲线；

(4)对相邻的每两条磁场信号曲线做差，得到相邻磁场信号曲线的差值数据；

(5)对步骤(4)得到的差值数据求方差并得到方差曲线，在方差曲线上出现尖峰的位置表示方差产生突变，即为焊缝位置或缺陷位置。

本发明的有益效果是：

(一)本发明采用多磁场传感器进行多提离值检测，能够防止因管道内感应磁场不平滑造成缺陷位置的误判与漏判，有效提高诊断的分辨力和检测精度；并且对后期数据的处理难度变小，相比用单一探头进行多次改变提离值的重复检测，本发明的多提离值检测方法省时省力，非常适用于管道内检测器的应用。

(二)本发明的弹性组件采用柔性铰链平行四杆机构，具有结构简单紧凑、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高，运动平稳、易维护、空间尺寸小和可一体化加工等诸多优点，平行四杆机构能够令磁场传感器始终紧密贴合管道内壁，使得在运行过程中各级磁场传感器的提离值始终不发生改变，且能够保证在管道变形处受到径向压力时，磁路模块只发生平移而不发生偏转，使得磁场传感器的角度不变，始终检测法向与切向的磁场，大大提高检测精度；采用柔性铰链结构可以消除传动过程中的回退空程和机械摩擦，获得超高的位移分辨率。

(三)本发明的检测系统结构非常简单，易于安装，应用灵活；且各弹性组件与各磁路模块间均是相互独立的，当某个发生损坏可以方便的进行置换。

附图说明

图1是磁记忆多提离值管道内检测系统的结构示意图；

图2是磁记忆多提离值管道内检测系统的等轴测图；

图3是弹性组件的侧视图；

图4是弹性组件末端受径向压力F后的形变仿真图；

图5是试件钢板的多提离值检测曲线图：

(a)切向方向多提离值检测曲线，(b)法向方向多提离值检测曲线；

图6是磁路模块的结构示意图；

图7是磁路模块的侧视图；

图8是磁路模块与弹性组件装配后的剖视图；

图9是磁场传感器的磁场信号仿真图。

图中，1、弹性组件；2、底座；3、磁路模块；4、磁场传感器；5、转接电路板；6、底层电路板。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1和图2所示，本实施例提出了一种磁记忆多提离值管道内检测系统，主要由底座2、弹性组件1、磁路模块3组成。底座2为圆形平台结构，十二个弹性组件1均布的环形阵列于底座2上表面的圆周，每个弹性组件1的末端设置有凹槽，凹槽内安装磁路模块3。磁路模块3以整体灌胶的方式封装固定于弹性组件1的凹槽中，这种整体灌胶的一体式结构可以提高磁饱和度及检测精度；并且磁路模块3密封在弹性组件1内不外露并不会影响检测精度，同时可提高检测作业的可靠性。弹性组件1的数量根据被测管径大小进行选择，管径越大，弹性组件1可安装的数量越多，只要保证磁路模块3中的磁场传感器4对管道内壁有效覆盖即可；当然弹性组件1(即磁场传感器4)的排布越密，检测越有效，具体可根据检测要求与检测成本进行调整。出于磁路模块3的尺寸要求与弹性组件1的结构要求，弹性组件1的厚度有一定限制。检测系统在底座2上设置十二个弹性组件1较为稳妥。如果管径较小，安装空间不足，可以采用两台检测系统，每一台检测系统的底座2上设置六个弹性组件1，两台检测装置同时固定到清管器(PIG)的节上相错30°安装，也能够达到12个弹性组件同时安装在一个底座2的相同效果。

装配时先把磁路模块3放入弹性组件1末端的凹槽内，并留出连接线，然后使用环氧树脂灌入空隙处封装，风干24小时，将磁路模块3封好固定，再将十二个封装好的弹性组件1底部用螺栓固定到底座2上，与传统的清管器(PIG)其他节相连接，而磁路模块3通过导线连到PIG的电子控制舱。

弹性组件1采用弹性耐磨的不导磁材料制成，如聚氨酯和铍青铜、钛合金等一些无磁金属，本实施例选用钛合金。如图3所示，弹性组件1的结构采用柔性铰链平行四杆机构，其末端与管道内壁接触的外侧面呈完全适配于管道内壁的圆弧形。底座2尺寸固定，十二个弹性组件1末端所形成的圆环外圈直径略大于管道内径，即弹性组件1末端的圆弧形外侧面与管道内壁始终为过盈配合。

弹性组件1采用柔性铰链平行四杆机构，其优势在于当弹性组件1末端受到管壁变形所给的径向压力时，能够始终紧密贴合管壁，可保证其中磁路模块3提离值的恒定。更为重要的是由于其受力特点，弹性组件1末端只发生平移而不产生偏转，可以保证封装在末端的磁场传感器4始终检测管壁磁场的切向与法向分量。将本发明中弹性组件1的结构导入COMSOL有限元分析软件后得到的受力仿真结果如图4所示，线条区域表示弹性组件1原始形状，灰色区域表示受力后的形变状态。可以清晰的看到，当弹性组件1末端受到管道变形给的一个径向的压力F后，弹性组件1发生了径向平移，没有发生角度偏转，在轴向上引入的误差可以忽略不计。

柔性铰链平行四杆机构所采用的直圆弧形柔性铰链设计是一种可逆弹性支撑结构，它利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，代替了平行四杆的机械结构，消除了传动过程中的回退空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率，具有结构简单紧凑、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高，运动平稳、易维护、空间尺寸小和可一体化加工等许多优点。(吴鹰飞的《单边直圆柔性铰链转动刚度的精确计算公式》论文中对柔性铰链的受力有详细的分析计算；沈剑英,杨世锡,周庆华等.单平行四杆柔性铰链机构的输出位移和耦合误差分析[J].机床与液压,2004中对这种结构的具体尺寸设计与误差分析有详细的阐述)

内检测器放入管道内，弹性组件1发生弹性形变，其末端与管道内壁接触的圆弧形外侧面紧密贴合管壁不留空隙，当管道内径发生变化时，检测装置的形状会进行自适应的改变，因此弹性组件1能够始终保证紧密贴合于管道内壁，从而保证各级磁场传感器4的提离值不发生改变。并且，弹性组件1采用的柔性铰链平行四杆机构可以保证磁路模块3始终检测法向和切向的磁场，在管道变形处受到径向压力时角度不发生偏转，大大提高了检测精度。

针对管道内感应磁场不平滑易造成缺陷位置的误判漏判现象，本发明采用了一种磁记忆多提离值管道内检测方法，其原理是：通过建立磁偶极子模型，分析缺陷在材料表面或近表面的情况下提离值(磁场传感器与被测构件的距离)对磁信号的影响，并经过实验验证，发现在提离值改变时被测构件的感应磁场与其缺陷漏磁场存在不同的表现。随着提离值的增加会使磁记忆信号减小，但这种减小是不均匀的。

从相同起止的位置，沿相同的轨迹，提离值分别为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm时被测构件缺陷铁板的磁场分布测量结果如图5所示。由磁记忆理论知，在缺陷位置，切向方向磁场信号具有最大值，法向方向梯度出现峰值。由图5可见在提离值本身较小时，随提离值的增加，漏磁场信号减小剧烈，切向方向信号峰值减小，法向方向梯度值减小，在提离值较大时漏磁场信号减小较为缓慢，调整缺陷的深度和宽度参数后发现这种特性不随之改变。而被测构件表面的感应磁场信号随提离高度是相对平稳减小的，即缺陷位置的漏磁场对提离值的变化较为敏感。

由此提出了多提离值的检测方法，在竖直面内设置多个等间隔的磁场传感器4，同时采集不同提离值下的磁场信号，并采用基于方差法的信号处理方法。通过对多提离值的磁场信号进行分析，可以将缺陷信号特征提取出来，有效区分一些构件表面上容易混淆的缺陷磁场信号和不平滑的感应磁场信号，从而对缺陷进行定位，提高诊断的分辨力。

如图6和图7所示，磁路模块3共设置有三个磁场传感器4，同时采集三个提离值下的磁场信号。每个磁路模块3中应至少有三个磁场传感器4，磁场传感器4的数量通常为三至五个。由于管道内的感应磁场信号十分为微弱，故提离值要较小才能有效采集磁场信号，本实施例设置相邻两级磁场传感器4的提离值差值为1mm。考虑到磁场传感器4的厚度限制，无法在同一竖直面放置多个提离值差为1mm的磁场传感器，故本发明的磁路模块3中采用一种梯形板的设计结构。将三个磁场传感器4在水平方向上等距离放置，并且令其高度依次相差1mm，即三个磁场传感器4的提离值逐级相差1mm。在底层电路板6上直接放置有提离值最大(上限为5mm)的第一级磁场传感器4，在其旁边焊一个厚度为1mm的转接电路板5，以转接第二级磁场传感器4，使第二级磁场传感器4引脚连接到底层电路板6上，并起垫高作用，保证第一级磁场传感器4与第二级磁场传感器4高度相差1mm。同理在第二级磁场传感器4旁的第一层转接电路板5上焊第二层转接电路板5，使第三级磁场传感器4引脚连接到底层电路板6上，保证第二级磁场传感器4与第三级磁场传感器4高度相差1mm，第三级磁场传感器4的提离值最小。本实施例选用HMC1043磁场传感器4，实际应用时考虑到弹性组件1末端凹槽的尺寸限制，尽量选取尺寸较小的磁场传感器4均可。

如图8所示，磁路模块3放置在弹性组件1末端的凹槽内，采用环氧树脂封装。第三级磁场传感器4紧贴弹性组件1凹槽的顶端，三级磁场传感器4呈梯度分布，由外到内提离值依次相差1mm。当内检测器在管道内运行时，提离值最小的第三级磁场传感器4最先通过，然后第二级磁场传感器4和第一级磁场传感器4依次通过。

利用本实施例的磁记忆多提离值管道内检测系统的检测方法如下：

该检测系统装配好后，将其通过螺栓固定连接到传统的清管器(PIG)上作为一个检测节，保证底座2和PIG同轴；并且将每个磁路模块3通过导线与PIG的电子控制舱相连；已经连接检测装置的清管器，可称为“管道内检测器”。在检测过程中每个磁路模块3的各级磁场传感器4提离值将会保持一致，在出现管道形变或变径的位置也不会发生变化，并且始终检测管壁磁场的切向与法向分量。

管道内检测器运行时，三级磁场传感器4在轴向上依次通过同一管道位置，以检测里程(mm)(数据由PIG上的里程轮提供)为横轴，磁场强度(A/m)为纵轴，分别得到三级磁场传感器4的三条磁场信号曲线，三级磁场传感器4信号间有一定距离差，磁场信号仿真图如图9所示。

由于三级磁场传感器4在水平方向上等间距，对图9的三条磁场信号曲线在横轴上进行平移，即可得到被测管道在三个不同提离值下对应于相同位置的磁场信号曲线。

对相邻的每两条磁场信号曲线做差，得到相邻磁场信号曲线的差值数据，本实施例中是对提离值1mm与2mm，2mm与3mm的磁场信号分别求差值。

对上述差值数据求方差并得到方差曲线，在管道正常位置各曲线分隔均匀，方差基本不发生变化，方差曲线近似为直线，而方差曲线上出现明显尖峰的位置表示方差产生突变，即为焊缝位置或缺陷位置。这是因为随着提离值的增加，在缺陷位置上的漏磁场幅值大小发生不均匀减弱，各相邻磁场信号曲线的间隔值相差较大，即间隔值的方差较大；而无缺陷区域测得的磁场信号各曲线间隔值近似相等，方差较小。

本发明中弹性组件1所采用的柔性铰链平行四杆机构除了适用于上述方法外，还可以应用于已有的磁记忆管道内检测装置中，代替检测单元检测轮中的四连杆机械结构。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁记忆多提离值管道内检测系统，其特征在于，包括底座，所述底座上环形均布有多个弹性组件，每个所述弹性组件的末端嵌装有磁路模块；

所述弹性组件采用由弹性不导磁材料制成的柔性铰链平行四杆机构，所述弹性组件的末端与被测管道内壁接触的外侧面呈完全适配于管道内壁的圆弧形，且该圆弧形外侧面与管道内壁为过盈配合；

所述磁路模块包括水平方向等间距布置且竖直方向等间隔的3-5级磁场传感器，即3-5级所述磁场传感器的提离值逐级差值相等，以能够采集多提离值下的磁场信号；当内检测系统在管道内运行时，3-5级所述磁场传感器依次通过；

所述磁路模块中提离值最大的所述磁场传感器直接固定于底层电路板，其他提离值的所述磁场传感器通过转接电路板固定于所述底层电路板，以使3-5级所述磁场传感器在竖直方向上逐级相差等高。

2.根据权利要求1所述的一种磁记忆多提离值管道内检测系统，其特征在于，所述底座上环形均布有6-12个所述弹性组件。

3.根据权利要求1所述的一种磁记忆多提离值管道内检测系统，其特征在于，所述磁路模块以整体灌胶的方式封装固定于所述弹性组件末端设置的凹槽中。

4.根据权利要求1所述的一种磁记忆多提离值管道内检测系统，其特征在于，所述弹性组件的末端与被测管道内壁接触的外侧面设置为耐磨材料。

5.根据权利要求1所述的一种磁记忆多提离值管道内检测系统，其特征在于，提离值最大的所述磁场传感器，其提离值为3-5mm。

6.根据权利要求5所述的一种磁记忆多提离值管道内检测系统，其特征在于，多级所述磁场传感器的提离值逐级相差1mm。

7.根据权利要求1所述的一种磁记忆多提离值管道内检测系统，其特征在于，提离值最小的所述磁场传感器紧贴于所述弹性组件末端所设置凹槽的内顶面。

8.一种磁记忆多提离值管道内检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的磁记忆多提离值管道内检测系统进行，包括如下步骤：

(1)将检测系统作为一个检测节连接到清管器上形成管道内检测器，保证检测系统的所述底座和清管器同轴，并且将每个所述磁路模块通过导线与清管器的电子控制舱相连；所述弹性组件末端的圆弧形外侧面与管道内壁为过盈配合，在检测过程中每个所述磁路模块的各级磁场传感器提离值保持不变，并且始终检测管管道内壁磁场的切向与法向分量；

(2)管道内检测器运行时，多级所述磁场传感器在轴向上依次通过同一管道位置，以检测里程为横轴，磁场强度为纵轴，分别得到多级所述磁场传感器的磁场信号曲线；

(3)由于多级所述磁场传感器在水平方向上等间距，将磁场信号曲线在横轴上进行平移，得到被测管道在不同提离值下对应于相同位置的磁场信号曲线；

(4)对相邻的每两条磁场信号曲线做差，得到相邻磁场信号曲线的差值数据；

(5)对步骤(4)得到的差值数据求方差并得到方差曲线，在方差曲线上出现尖峰的位置表示方差产生突变，即为焊缝位置或缺陷位置。