CN108375628B - 一种周向电磁场管道内壁裂纹检测系统及定量评估方法 - Google Patents

一种周向电磁场管道内壁裂纹检测系统及定量评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于周向电磁场的管道内壁裂纹检测系统及评估方法，包括台架、管道、探头、夹具、活塞杆、液压缸、计算机、PLC、驱动器、电机、油泵、安全阀、调速阀、信号发生器、功率放大器和采集卡，所述活塞杆安装在与液压缸内孔同轴的活塞中心，所述探头依靠中心孔安装在活塞杆的端部，探头同轴放置在管道内部，所述计算机分别与PLC、采集卡和信号发生器连接，所述驱动器通过电机与油泵连接，所述信号发生器通过功率放大器与探头内的激励线圈连接，探头内的柔性电路板上的放大器与采集卡连接。本发明的有益效果是：借助环形电场和交变磁场实现管道内壁轴向和周向裂纹的定量和定位评估，能够一次性全面定量和定位评估管道内壁所有裂纹。

Description

一种周向电磁场管道内壁裂纹检测系统及定量评估方法
技术领域
本发明涉及一种裂纹定量检测系统，特别涉及一种基于周向电磁场的管道内壁裂纹检测系统及评估方法。
背景技术
管道内壁应力腐蚀裂纹是引起管道泄漏的重要因素。开展管道内壁裂纹定量检测系统设计对于及时评估裂纹尺寸，有效预防管道破裂具有重要意义。一般情况下管道内壁应力腐蚀开裂为轴向方向，环形焊缝位置容易出现周向开裂。传统漏磁技术难以检测轴向裂纹；涡流检测技术定量精度差，难以有效评估裂纹的尺寸；超声检测技术对管道内壁浅层裂纹检测效果差；内穿式ACFM探头能够在管道内壁提供360°环形电流场，实现轴向裂纹的检测，但并未给出管道内壁裂纹定量方法，同时对周向裂纹检测效果差。本发明利用周向电磁场技术，改进了内穿式ACFM探头的结构，减小检测传感器与管道内壁之间的间距，避免磁场信号穿过激励线圈造成衰减，借助环形电场实现轴向裂纹的定量和定位评估，借助交变磁场实现周向裂纹的定量和定位评估，能够一次性全面定量和定位评估管道内壁所有裂纹。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术不足，利用周向电磁场检测技术，借助环形电场和交变磁场实现管道内壁轴向和周向裂纹的定量和定位评估，能够一次性全面定量和定位评估管道内壁所有裂纹。
一种周向电磁场管道内壁裂纹检测系统及定量评估方法，包括台架、管道、探头、夹具、活塞杆、液压缸、计算机、PLC、驱动器、电机、油泵、安全阀、调速阀、信号发生器、功率放大器和采集卡，所述液压缸安装在设有四根桩腿的台架上，液压缸两端分别设有吸液口甲、排液口甲、吸液口乙和排液口乙，吸液口甲、排液口甲、吸液口乙和排液口乙分别安装有电磁阀甲、电磁阀乙、电磁阀丙和电磁阀丁，所述管道由依靠螺栓固定在台架滑槽内的两个夹具夹持，所述活塞杆安装在与液压缸内孔同轴的活塞中心，所述探头依靠中心孔安装在活塞杆的端部，探头同轴放置在管道内部，所述管道与液压缸同轴，所述计算机分别与PLC、采集卡和信号发生器连接，PLC分别与电磁阀甲、电磁阀乙、电磁阀丙、电磁阀丁和驱动器连接，所述驱动器通过电机与油泵连接，油泵排油口通过安全阀与调速阀连接，所述调速阀与液压缸的吸液口甲和吸液口乙连接，油泵的吸油口、安全阀的泄油口、液压缸的排液口甲和排液口乙分别与油箱相通，所述信号发生器通过功率放大器与探头内的激励线圈连接，探头内的柔性电路板上的放大器与采集卡连接。
所述探头由锰锌铁氧体磁芯、支撑架、柔性电路板、激励线圈和保护套组成，所述锰锌铁氧体磁芯为一端设有凸台且轴向中心设有安装孔的圆柱形磁芯，所述激励线圈从锰锌铁氧体磁芯的凸台端紧密缠绕至另一端，所述支撑架为非导磁性尼龙材料，支撑架从锰锌铁氧体磁芯一端套在激励线圈外侧，所述柔性电路板安装在支撑架的中心凹槽内，所述保护套为耐磨聚四氟乙烯材料，保护套同轴安装在支撑架外侧，所述柔性电路板周向设有等距的若干数量两轴隧道磁电阻传感器，所述两轴隧道磁电阻传感器的灵敏轴分别沿着探头轴向方向和径向方向，所述两轴隧道磁电阻传感器与分别焊接在柔性电路板对应位置的放大器连接。
所述一种周向电磁场管道内壁裂纹检测系统的定量评估方法，包括如下步骤：
(1)通过夹具将待检管道固定在台架上，管道内孔与液压缸同轴，将探头安装至活塞杆的端部；
(2)利用计算机控制信号发生器发出频率为1K Hz幅值为5V的正弦激励信号，正弦激励信号经过功率放大器后加载至探头内的激励线圈；
(3)激励线圈在内部和外部轴向方向形成交变磁场回路，交变磁场在锰锌铁氧体磁芯作用下聚集并传导至管道内壁，交变磁场在管道2内壁感应出360°环形均匀电场；
(4)计算机通过PLC控制电磁阀甲和电磁阀丁分别打开液压缸的吸液口甲和排液口乙，同时控制电磁阀丙和电磁阀乙分别关闭吸液口乙和排液口甲，PLC通过驱动器驱动电机匀速转动，电机带动油泵从油箱内吸油，油泵将液压油通过安全阀、调速阀和吸液口甲注入液压缸的无杆腔，液压油通过活塞和活塞杆带动探头沿着管道内壁一定速度v前进；
(5)当探头经过管道内壁的轴向裂纹时，360°环形电场垂直穿过轴向裂纹，电场在轴向裂纹两端发生聚集，在轴向裂纹中心处电流变的稀疏，探头内部柔性电路板上的两轴隧道磁电阻传感器分别测得轴向裂纹处轴向磁场Bx和径向磁场Bz，轴向磁场Bx在轴向裂纹处产生向上峰值，径向磁场Bz在轴向裂纹两端产生方向相反的峰值，通过计算轴向磁场Bx与背景磁场之间差值D对轴向裂纹深度进行有效评估，通过探头速度v和运动时间t计算径向磁场Bz两个反向峰值之间间距L计算轴向裂纹的长度，依据两轴隧道磁电阻传感器检测的磁场信号最大峰值位置确定轴向裂纹位于管道内壁周向方向的位置；
(6)当探头经过管道内壁的周向裂纹时，激励线圈外部的交变磁场会在管道内壁周向裂纹处泄露并形成漏磁场，柔性电路板上的两轴隧道磁电阻传感器分别测得周向裂纹处轴向漏磁场Ba和径向漏磁场Br，轴向漏磁场Ba在周向裂纹位置处产生狭窄的波谷，同一位置的径向漏磁场Br在周向裂纹两侧产生峰值相反的峰值，轴向漏磁场Ba与背景磁场之间的波谷深度H反映周向裂纹的深度，径向漏磁场Br的峰谷间距W反映周向裂纹的宽度，周向裂纹特征信号会被若干个周向方向两轴隧道磁电阻传感器探测到，通过计算具有明显周向裂纹特征信号的两轴隧道磁电阻传感器数目估算周向裂纹的弧度和在管道内壁上的位置；
(7)计算机通过PLC控制电磁阀丙和电磁阀乙打开液压缸的吸液口乙和排液口甲，同时控制电磁阀甲和电磁阀丁关闭吸液口甲和排液口乙，PLC通过驱动器驱动电机匀速转动，电机带动油泵从油箱内吸油，油泵将液压油通过安全阀、调速阀和吸液口乙注入液压缸的有杆腔，液压油通过活塞和活塞杆带动探头沿着管道内壁反向匀速前进至退出管道内孔，完成管道内壁裂纹的全面定位和定量评估。
附图说明
附图1是本发明的整体剖视图。
附图2是本发明的结构示意图。
附图3是本发明的探头示意图。
附图4是本发明的支撑架示意图。
附图5是本发明的柔性电路板和激励线圈结构示意图。
附图6是本发明的轴向裂纹检测示意图。
附图7是本发明的周向裂纹检测示意图。
上图中：台架1、桩腿1.1、滑槽1.2、管道2、轴向裂纹2.1、周向裂纹2.2、探头3、锰锌铁氧体磁芯3.1、支撑架3.2、柔性电路板3.3、激励线圈3.5、保护套3.6、夹具4、活塞杆5、活塞5.1、液压缸6、排液口乙6.1、电磁阀丁6.1.1、吸液口乙6.2、电磁阀丙6.2.1排液口甲6.3、电磁阀乙6.3.1、吸液口甲6.4、电磁阀甲6.4.1、计算机7、PLC8、驱动器9、电机10、油泵11、油箱11.1、安全阀12、调速阀13、信号发生器14、功率放大器15、采集卡16、径向磁场Bz17、轴向磁场Bx18、轴向漏磁场Ba19、径向漏磁场Br20。
具体实施方式
结合附图1-7，对本发明作进一步的描述：
如图1-2所示，本发明包括台架1、管道2、探头3、夹具4、活塞杆5、液压缸6、计算机7、PLC8、驱动器9、电机10、油泵11、安全阀12、调速阀13、信号发生器14、功率放大器15和采集卡16，所述液压缸6安装在设有四根桩腿1.1的台架1上，液压缸6两端分别设有吸液口甲6.4、排液口甲6.3、吸液口乙6.2和排液口乙6.1，吸液口甲6.4、排液口甲6.3、吸液口乙6.2和排液口乙6.1分别安装有电磁阀甲6.4.1、电磁阀乙6.3.1、电磁阀丙6.2.1和电磁阀丁6.1.1，所述管道2由依靠螺栓4.1固定在台架1滑槽1.2内的两个夹具4夹持，所述活塞杆5安装在与液压缸6内孔同轴的活塞5.1中心，所述探头3依靠中心孔3.4安装在活塞杆5的端部，探头3同轴放置在管道2内部，所述管道2与液压缸6同轴，所述计算机7分别与PLC8、采集卡16和信号发生器14连接，PLC8分别与电磁阀甲6.4.1、电磁阀乙6.3.1、电磁阀丙6.2.1、电磁阀丁6.1.1和驱动器9连接，所述驱动器9通过电机10与油泵11连接，所述油泵11排油口通过安全阀12与调速阀13连接，所述调速阀13与液压缸的吸液口甲6.4和吸液口乙6.2连接，油泵11的吸油口、安全阀12的泄油口、液压缸6的排液口甲6.3和排液口乙6.1分别与油箱11.1相通，所述信号发生器14通过功率放大器15与探头3内的激励线圈3.5连接，探头3内的柔性电路板3.3上的放大器3.3.2与采集卡16连接。
如图3-5所示，探头3由锰锌铁氧体磁芯3.1、支撑架3.2、柔性电路板3.3、激励线圈3.5和保护套3.6组成，所述锰锌铁氧体磁芯3.1为一端设有凸台且轴向中心设有安装孔3.4的圆柱形磁芯，所述激励线圈3.5从锰锌铁氧体磁芯的凸台端紧密缠绕至另一端，所述支撑架3.2为非导磁性尼龙材料，支撑架3.2从锰锌铁氧体磁芯3.1一端套在激励线圈3.5外侧，所述柔性电路板3.3安装在支撑架3.2的中心凹槽内，所述保护套3.6为耐磨聚四氟乙烯材料，保护套3.6同轴安装在支撑架3.2外侧，所述柔性电路板3.3周向设有等距的若干数量两轴隧道磁电阻传感器3.3.1，所述两轴隧道磁电阻传感器3.3.1的灵敏轴分别沿着探头3轴向方向和径向方向，所述两轴隧道磁电阻传感器3.3.1与分别焊接在柔性电路板3.3对应位置的放大器3.3.2连接。
所述一种周向电磁场管道内壁裂纹检测系统的定量评估方法，主要包括如下步骤：
(1)通过夹具4将待检管道2固定在台架1上，管道2内孔与液压缸6同轴，将探头3安装至活塞杆5的端部；
(2)利用计算机7控制信号发生器14发出频率为1K Hz幅值为5V的正弦激励信号，正弦激励信号经过功率放大器15后加载至探头3内的激励线圈3.5；
(3)激励线圈3.5在内部和外部轴向方向形成交变磁场回路，交变磁场在锰锌铁氧体磁芯3.1作用下聚集并传导至管道2内壁，如图7所示，交变磁场在管道2内壁感应出360°环形均匀电场，如图6所示；
(4)计算机7通过PLC8控制电磁阀甲6.4.1和电磁阀丁6.1.1分别打开液压缸的吸液口甲6.4和排液口乙6.1，同时控制电磁阀丙6.2.1和电磁阀乙6.3.1分别关闭吸液口乙6.2和排液口甲6.3，PLC8通过驱动器驱动电机10匀速转动，电机10带动油泵11从油箱11.1内吸油，油泵11将液压油通过安全阀12、调速阀13和吸液口甲6.4注入液压缸6的无杆腔，液压油通过活塞5.1和活塞杆5带动探头3沿着管道2内壁以一定速度v前进；
(5)如图6所示，当探头3经过管道2内壁的轴向裂纹2.1时，360°环形电场垂直穿过轴向裂纹2.1，电场在轴向裂纹2.1两端发生聚集，在轴向裂纹2.1中心处电流变的稀疏，探头3内部柔性电路板3.3上的两轴隧道磁电阻传感器3.3.1分别测得轴向裂纹2.1处轴向磁场Bx18和径向磁场Bz17，轴向磁场Bx18在轴向裂纹2.1处产生向上峰值，径向磁场Bz17在轴向裂纹2.1两端产生方向相反的峰值，通过计算轴向磁场Bx18与背景磁场之间差值D对轴向裂纹2.1深度进行有效评估，通过探头速度v和运动时间t计算径向磁场Bz17两个反向峰值之间间距L计算轴向裂纹2.1的长度，依据两轴隧道磁电阻传感器3.3.1检测的磁场信号最大峰值位置确定轴向裂纹2.1位于管道2内壁周向方向的位置；
(6)如图7所示，当探头3经过管道2内壁的周向裂纹2.2时，激励线圈3.5外部的交变磁场会在管道2内壁周向裂纹2.2处泄露并形成漏磁场，柔性电路板3.3上的两轴隧道磁电阻传感器3.3.1分别测得周向裂纹2.2处轴向漏磁场Ba19和径向漏磁场Br20，轴向漏磁场Ba19在周向裂纹2.2位置处产生狭窄的波谷，同一位置的径向漏磁场Br20在周向裂纹2.2两侧产生峰值相反的峰值，轴向漏磁场Ba19与背景磁场之间的波谷深度H反映周向裂纹2.2的深度，径向漏磁场Br20的峰谷间距W反映周向裂纹2.2的宽度，周向裂纹2.2特征信号会被若干个周向方向两轴隧道磁电阻传感器3.3.1探测到，通过计算具有明显周向裂纹特征信号的两轴隧道磁电阻传感器3.3.1数目估算周向裂纹2.2的弧度和在管道2内壁上的位置；
(7)计算机7通过PLC8控制电磁阀丙6.2.1和电磁阀乙6.3.1打开液压缸的吸液口乙6.2和排液口甲6.3，同时控制电磁阀甲6.4.1和电磁阀丁6.1.1关闭吸液口甲6.4和排液口乙6.1，PLC8通过驱动器9驱动电机10匀速转动，电机10带动油泵11从油箱11.1内吸油，油泵11将液压油通过安全阀12、调速阀13和吸液口乙6.2注入液压缸6的有杆腔，液压油通过活塞5.1和活塞杆5带动探头3沿着管道2内壁反向匀速前进至退出管道2内孔，完成管道内壁裂纹的全面定位和定量评估。
本发明的有益效果是：采用周向电磁场检测技术实现管道内壁轴向和周向裂纹的定量、定位评估；改进探头结构，采用柔性电路板将两轴磁场传感器集成在探头上，大大减小阵列传感器的设计难度；柔性电路板使得传感器与管道内壁更接近，避免电磁场信号穿过激励线圈造成衰减。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种周向电磁场管道内壁裂纹定量评估方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)通过夹具将待检管道固定在台架上，管道内孔与液压缸同轴，将探头安装至活塞杆的端部；
(2)利用计算机控制信号发生器发出频率为1K Hz幅值为5V的正弦激励信号，正弦激励信号经过功率放大器后加载至探头内的激励线圈；
(3)激励线圈在内部和外部轴向方向形成交变磁场回路，交变磁场在锰锌铁氧体磁芯作用下聚集并传导至管道内壁，交变磁场在管道(2)内壁感应出360°环形均匀电场；
(4)计算机通过PLC控制电磁阀甲和电磁阀丁分别打开液压缸的吸液口甲和排液口乙，同时控制电磁阀丙和电磁阀乙分别关闭吸液口乙和排液口甲，PLC通过驱动器驱动电机匀速转动，电机带动油泵从油箱内吸油，油泵将液压油通过安全阀、调速阀和吸液口甲注入液压缸的无杆腔，液压油通过活塞和活塞杆带动探头沿着管道内壁一定速度v前进；
(5)当探头经过管道内壁的轴向裂纹时，360°环形电场垂直穿过轴向裂纹，电场在轴向裂纹两端发生聚集，在轴向裂纹中心处电流变的稀疏，探头内部柔性电路板上的两轴隧道磁电阻传感器分别测得轴向裂纹处轴向磁场Bx和径向磁场Bz，轴向磁场Bx在轴向裂纹处产生向上峰值，径向磁场Bz在轴向裂纹两端产生方向相反的峰值，通过计算轴向磁场Bx与背景磁场之间差值D对轴向裂纹深度进行有效评估，通过探头速度v和运动时间t计算径向磁场Bz两个反向峰值之间间距L计算轴向裂纹的长度，依据两轴隧道磁电阻传感器检测的磁场信号最大峰值位置确定轴向裂纹位于管道内壁周向方向的位置；
(6)当探头经过管道内壁的周向裂纹时，激励线圈外部的交变磁场会在管道内壁周向裂纹处泄露并形成漏磁场，柔性电路板上的两轴隧道磁电阻传感器分别测得周向裂纹处轴向漏磁场Ba和径向漏磁场Br，轴向漏磁场Ba在周向裂纹位置处产生狭窄的波谷，同一位置的径向漏磁场Br在周向裂纹两侧产生峰值相反的峰值，轴向漏磁场Ba与背景磁场之间的波谷深度H反映周向裂纹的深度，径向漏磁场Br的峰谷间距W反映周向裂纹的宽度，周向裂纹特征信号会被若干个周向方向两轴隧道磁电阻传感器探测到，通过计算具有明显周向裂纹特征信号的两轴隧道磁电阻传感器数目估算周向裂纹的弧度和在管道内壁上的位置；
(7)计算机通过PLC控制电磁阀丙和电磁阀乙打开液压缸的吸液口乙和排液口甲，同时控制电磁阀甲和电磁阀丁关闭吸液口甲和排液口乙，PLC通过驱动器驱动电机匀速转动，电机带动油泵从油箱内吸油，油泵将液压油通过安全阀、调速阀和吸液口乙注入液压缸的有杆腔，液压油通过活塞和活塞杆带动探头沿着管道内壁反向匀速前进至退出管道内孔，完成管道内壁裂纹的全面定位和定量评估。
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