CN108845000A - 一种脉冲场指纹法测量管道缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量管道缺陷的方法，包括：通过管道两端的电流激励电极向被测管道施加脉冲激励，在管道中心区域布置测量电极，将测量电极测量所得的信号进行傅里叶处理，即可分解得到包含各种不同频率信息的离散信号，通过分析离散信号即可定量求解缺陷尺寸。本发明保证了测量结果对仪器系统漂移的不敏感性，此外本发明能够测量绝对壁厚损失，且避免了参考板与管道本体之间的温度差所引起的测量误差。

Description

一种脉冲场指纹法测量管道缺陷的方法

技术领域

本发明涉及管道缺陷在线监测技术领域，尤其涉及一种脉冲场指纹法测量管道缺陷的方法。

背景技术

油气管道长期面临着腐蚀等缺陷的威胁，利用各种检测手段对在役管道进行检测是保障管道安全的重要措施。目前常用的无损检测技术(Nondestructive testing，NTD)包括：超声波测厚法(Ultrasonic thickness measurement，UT)、涡流检测法(Eddy current，EC)、射线检测法(Radiology)、声发射检测法(Acoustic emission，AE)等。这些无损检测技术都有各自的优点，但同时也有一些不可忽略的不足之处。比如超声波测厚技术的有效检测面积很小，容易发生漏检现象；涡流检测技术的检测精度易受多种干扰因素的影响，例如被测对象几何参数、外界电磁干扰、被测材料特性等；射线检测的放射激励源会对人体和环境产生伤害；声发射技术对缺陷的评价存在一定的主观因素，不够精确，也不能实时报警。而场指纹技术(Field Signature Method，FSM)是一种基于电位降技术(Potential Drop，PD)的金属管道腐蚀在线监测该技术与上述其它技术相比，有其独特的优势，包括：属于长期在线监测技术、没有元器件暴露在高温、高压、腐蚀等环境中、不存在监测部件损耗的问题、工作温度范围广(-40℃～500℃)、能够以较高精度检测均匀腐蚀、冲蚀、坑蚀。因此FSM技术是一种具有良好应用前景的管道无损检测技术，近几年也得到了越来越广泛的应用。

FSM是一种金属管道/压力容器腐蚀的无损在线监测技术，在被测对象(金属管道、压力容器等)的外壁按照一定规则焊接上测量电极矩阵；在被测管道的外壁上添加一块参考板，该参考板与被测管道外壁之间填充有绝缘材料。参考板的材质与被测对象的材质相同，参考板上布置参考电极，用于消除电流涌动、温度变化以及背景噪声等对测量造成的影响；然后再接上激励电流电缆，测量电极上接上测量电缆，安装若干温度传感器，在管道外壁安装金属保护罩，最后再用环氧树脂浇灌到金属保护罩中，形成对测量探针、测量电缆和激励电流导线的保护层，则FSM的管道部分即安装完成。

整个FSM系统可以简化成图1所示的结构框图，图中，1-被测管道，2-测量电极，3-激励电流注入点，4-控制单元，5-PC机，6-参考板，轴向上的两个相邻测量电极构成一个测量电极对，每一个测量电极对所对应的被测金属区域可以等效成一个体电阻。当管道发生腐蚀时，管道的壁厚减小，也即是在测量电极矩阵确定的情况下，等效体电阻的长度和宽度都不会发生改变，只有等效电阻的厚度会减小，导致等效电阻的体电阻值增加，因此在恒流源的激励下，测量电极对之间的电压变化即代表了相应被测区域的厚度变化。

FSM在安装完成之后，将系统安装之时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做比值运算，再利用原始壁厚值将电压的变化值折算成壁厚的变化值。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：

式中：V_i(t₀),V_i(t_x)，—电极对i在t₀和t_x时刻的电压；V_ref(t₀)，V_ref(t_x)—参考电极对在t₀和t_x时刻的电压。

由FC值可以得到管道的壁厚(Wall Thickness)计算公式：

式中WT(t_x)为当前被测管道的壁厚，WT(t₀)原始管道壁厚。

然而传统的FSM技术还是存在一些不足之处，具体包括：

⑴测量结果极易受漂移信号干扰。由公式(1)可知，在FSM长达10年以上的服役期间，每次测量得到的电压都需要与系统安装之初测量所得的原始电压做比值运算，而随着元器件老化、外界环境发生改变等，FSM仪器系统必然会发生各种漂移，最终对测量结果产生很大的不利影响。图2所示为西南某油气田某套FSM系统的壁厚损失监测数据，中间类似直线的虚线代表零值，可以看出其测量数据发生了很严重的波动，甚至出现了壁厚损失为负值的不合理现象。

⑵只能测量相比壁厚损失。由公式(2)可知，FSM只能根据原始壁厚值求得相对壁厚损失量，管道的加工误差或者原始壁厚的标定误差等都会壁厚损失量的求解带入不利影响。根据前述所述，FSM的管道部分得打了良好胶封保护，一般不会发生故障，然而相对而言FSM仪器电路损坏的概率较高，更换新的电路之后需要对管道壁厚进行重新标定，而这项工作对于埋地管道或者海底管道而言是很难完成的。

⑶管道与参考板间的温度差会极大地影响监测数据的稳定性。如前所述，管道本体与参考板之间填充有绝缘层，这势必会导致管道与参考板之间存在一定的温度差，因此需要在管道和参考板上分别安装温度传感器，以修正温度差引入的误差。而一旦温度传感器发生故障，则整个FSM系统的数据将会被破坏掉，尤其是埋地管道或者海底管道，由于不变维修，这种失效是非常致命的。图3所示为某海底管道FSM系统的壁厚损失监测数据，由于温度传感器失效，其壁厚损失监测值出现了大范围的负值。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种脉冲场指纹法测量管道缺陷的方法。

一种测量管道缺陷的方法，包括：通过管道两端的电流激励电极向被测管道施加脉冲激励，在管道中心区域布置测量电极，将测量电极测量所得的信号进行傅里叶处理，即可分解得到包含各种不同频率信息的离散信号，通过分析离散信号即可定量求解缺陷尺寸。

进一步地，如上所述的测量管道缺陷的方法，所述布置测量电极的方法为：在管道上布置若干测量电极，轴向上的两个相邻测量电极构成一个测量电极对，每一个测量电极对所对应的被测金属区域可以等效成一个体电阻，在脉冲激励的作用下，测量电极对之间的电压变化即所述测量所得的信号。

进一步地，如上所述的测量管道缺陷的方法，利用下式计算管道的缺陷深度：

d＝-2.332x+13.18

其中，d为缺陷深度，x代表零相位所对应的趋肤深度值。

进一步地，如上所述的测量管道缺陷的方法，所述缺陷的零相位采用下式计算得到：

首先，将测得的电压信号进行离散傅里叶处理，将被测信号离散成包含各种频率的离散信号：

式中△t为采样间隔，R(f)为实部分量，I(f)为虚部分量，φ为相位；

其次，计算缺陷信号的相位与无缺陷信号相位之差，如下式：

有益效果：

本发明采用脉冲激励，同时去掉了参考板，将测量信号通过离散傅里叶处理，得到包含各种频率信息的离散信号，然后根据缺陷信号相位与无缺陷信号相位之差，即可求解出缺陷深度等信息。由于PFSM不再需要测量原始电压信号，且利用相位求解缺陷，在原理上即保证了测量结果对仪器系统漂移的不敏感性。此外PFSM能够测量绝对壁厚损失，且避免了参考板与管道本体之间的温度差所引起的测量误差。

附图说明

图1为现有技术FSM系统结构框图；

图2为西南某套油气田某FSM系统的壁厚损失监测数据图；

图3为某海底管道FSM系统的壁厚损失监测数据图；

图4为本发明PFSM的结构原理框图；

图5为不同深度缺陷的相位图；

图6为不同深度缺陷信号的与无缺陷信号的相位差；

图7为拟合曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了克服传统直流FSM技术的不足，本发明提出了一种脉冲场指纹技术(PulseField Signature Method，PFSM)，即将传统的直流激励变为脉冲激励，同时去掉了参考板。图4所示为PFSM的结构原理框图，通过管道两端的电流激励电极向被测管道施加脉冲激励，在管道中心区域布置测量电极，管道中心内部有一缺陷，将测量电极测量所得的信号进行傅里叶处理，即可分解得到包含各种不同频率信息的离散信号，通过分析离散信号即可定量求解缺陷尺寸。图中，r为内径，R为外径，壁厚为T,缺陷深度为d,测量探针间距为L。

为了分析特定频率下的离散信号与缺陷的关系，下面以单一频率激励作为分析对象。假设向完整的、没有缺陷的被测管道输入角频率为ω、频率为f的交流激励电流(2πf＝ω)：

式中t为时间。则根据趋肤效应可知，其趋肤深度为：

式中μ₀为空气磁导率，μ_r为相对磁导率，σ为被测管道材料的电导率。据此可以得出被测管道外壁的电流密度：

式中R为管道的外半径，而管道的电场分布情况满足如下条件：

式中E(R)表示管道外壁某一点的电场(可视作是测量电极所在点的电场)，k的定义如下：

根据欧姆定律可知：

如果测量电极的间距为L，则测量电极两端的电压为：

根据公式(3)～(9)，可以得出：

式中A、B、C、D为与激励频率、被测材料电导率、被测材料磁导率相关的常数参量。

定义测量电极电压信号的相位：

式中γ_IM和γ_RE分别代表电压信号的虚部和实部。则测量电极两端的电压可以表示为：

由公式(12)可知，如果向被测管道施加的激励电流的频率为0，即直流电流，则测量电压为：

再考虑测量探针所对应的管道内壁存在长度为l、深度为d的缺陷的情况。如果激励电流的频率足够高，即趋肤深度很浅，则此时缺陷对测量电极两端的电压影响较小；随着激励电流频率的降低，当缺陷达到或超过趋肤深度所处位置时，缺陷对量电极两端的电压将产生较大的影响，此时测量电极所对应的测量区域的电流密度将发生改变，此时的测量电极两端的电压为：

由公式(14)可知，在一定频率的激励电流的作用下，缺陷会改变测量电极电压的幅值和相位。2016年有人提出了一种变频交流场指纹技术，即向金属管道施加频率从高到低的激励电流，使趋肤电流按照一定的规律逐渐从管道外壁向管道内壁渗透，然后通过电压缺陷导数的极值求解缺陷。然而这种方法在实际操作方面存在诸多不便之处，例如针对不同材质的被测管道，激励电流必须根据被测材料的电导率、磁导率等作出相应的调整，这就要求硬件系统具有灵活可调的频率输出以及高稳定性的恒流输出；其次，对于壁厚为10mm的被测管道，加入要求检测精度为0.1mm，则需要使趋肤电流以0.1mm的梯度向被测管道注入100个不同频率的电流，如需提高检测精度，则需要更小的趋肤电流梯度、施加更多不同频率的激励电流，测量过程非常耗时繁琐。

假如向被测管道施加脉冲激励，将测得的信号进行离散傅里叶(discreteFourier transform，DFT)处理，则可以将被测信号离散成包含各种频率的离散信号，即：

式中△t为采样间隔，R(f)为实部分量，I(f)为虚部分量，为相位。根据前文所示，这些离散信号的相位中即包含有缺陷信息，因此可以利用离散信号的相位信息求解缺陷。如图4所示，假如金属管道的外径为100mm，壁厚为10mm，长度为1000mm，管道正中外壁有一间距为30mm的测量电极，在电极对所处区域的管道内壁加工一长度为20mm的缺陷，缺陷的深度分别为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm。向该金属管道施加一脉冲激励，将测量得到的信号进行离散傅里叶处理，分别求得不同深度缺陷的相位，如图5所示。为了更好地分析缺陷与完整无缺陷管道信号的差异，定义了零相位(zero phase)的概念，即缺陷信号的相位与无缺陷信号相位之差：

据此，可以得到缺陷的零相位，如图6所示。根据图6，可以得到缺陷深度与零相位所对应的趋肤深度值之间的拟合曲线，如图7所示，两者的拟合函数关系如下：

d＝-2.332x+13.18 (17)

式中d为缺陷深度，x代表零相位所对应的趋肤深度值。由该公式可知，PFSM技术能够测量绝对壁厚值，同时由于去掉了参考板，可以有效避免温度差造成的不利影响。

直流FSM技术因其独特的优点，在油气管道腐蚀监测领域得到了越来越广泛的应用，但其本身又存在数据易发生漂移、只能测量相对壁厚损失、管道本体与参考板之间的温度差容易引起测量误差等不足。据此本发明提出了一种脉冲场指纹技术(PFSM)，该技术采用脉冲激励，同时去掉了参考板，将测量信号通过离散傅里叶处理，得到包含各种频率信息的离散信号，然后根据缺陷信号相位与无缺陷信号相位之差，即可求解出缺陷深度等信息。由于PFSM不再需要测量原始电压信号，且利用相位求解缺陷，在原理上即保证了测量结果对仪器系统漂移的不敏感性。此外PFSM能够测量绝对壁厚损失，且避免了参考板与管道本体之间的温度差所引起的测量误差。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种测量管道缺陷的方法，其特征在于，包括：通过管道两端的电流激励电极向被测管道施加脉冲激励电流，在管道中心区域布置测量电极，将测量电极测量所得的信号进行傅里叶处理，即可分解得到包含各种不同频率信息的离散信号，通过分析离散信号即可定量求解缺陷尺寸。

2.根据权利要求1所述的测量管道缺陷的方法，其特征在于，所述布置测量电极的方法为：在管道上布置若干测量电极，轴向上的两个相邻测量电极构成一个测量电极对，每一个测量电极对所对应的被测金属区域可以等效成一个体电阻，在脉冲激励电流的作用下，测量电极对之间的电压信号变化即所述测量所得的信号。

3.根据权利要求2所述的测量管道缺陷的方法，其特征在于，利用下式计算管道的缺陷深度：

d＝-2.332x+13.18

其中，d为缺陷深度，x代表零相位所对应的趋肤深度值。

4.根据权利要求3所述的测量管道缺陷的方法，其特征在于，所述缺陷的零相位采用下式计算得到：

首先，将测得的电压信号进行离散傅里叶处理，将被测信号离散成包含各种频率的离散信号：

式中△t为采样间隔，R(f)为实部分量，I(f)为虚部分量，为相位；

其次，计算缺陷信号的相位与无缺陷信号相位之差，如下式：