CN109632940B - 一种山地管道环焊缝非接触识别定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山地管道环焊缝非接触识别定位方法，步骤如下：首先，在地面上标注管道轴线；其次、采用无接触式扫描磁力计在地面上沿着管道轴线移动，磁力计的两个磁传感器测得磁场三分量B_x1、B_y1、B_z1和B_x2、B_y2、B_z2；然后，通过数据采集软件计算梯度分量和梯度模量dQ；磁力计内设置有DGPS定位装置，同步检测点的里程与磁力计检测数据；将管道轴线等间距划分为n个检测区间，各区间依次编号C₁、C₂、…C_n；每检测一个区间后将检测的梯度分量和梯度模量数据进行采集存储并依次标注编号C₁、C₂、…C_n；通过采集的数据进行环焊缝识别。本发明的方法不受管道结构和尺寸的限制，能够应用于复杂多样的地形环境，适用于山地管道的检测。

Description

一种山地管道环焊缝非接触识别定位方法

技术领域

本发明属于管道无损检测技术领域，具体涉及一种通过非接触磁应力检测定位山地管道环焊缝的方法。

背景技术

管道内检测是目前管道检测中发展较早、技术较成熟的无损检测手段，在内检测时，一般会在检测器上加装焊缝传感器，从焊缝传感器采集到的数据中，根据焊缝点识别和匹配方法，对环焊缝进行识别。管道内检测环焊缝识别是要从焊缝传感器采集的信号中识别出环焊缝。将环焊缝检测器的探头紧贴管道内壁模拟检测器前进，采集焊缝信号，里程计同步位移。

检测器在管道中前进时，两路呈180°安装的焊缝探头分别检测管道焊缝，焊缝检测器通过环焊缝时检测环焊缝信号如图1所示。两路环焊缝检测器经过环焊缝时，检测到的环焊缝特征如图2所示，两路焊缝检测器同时检测到焊缝点时，可判定此焊缝信号为环焊缝信号。

管道焊缝传感器会受到各种干扰，传感器和管壁的贴合程度随着检测器的前进速度而变化，这会对焊缝传感器线圈采集的数据造成干扰。这些干扰均会造成焊缝识别的误差。在焊缝识别前对阈值进行设定，小于阈值的信号将被认为是噪声影响导致的信号畸变。内检测器在管道中的滚动前进和里程累计误差导致检测器所记录的里程数据与管道的实际长度存在误差，往往需要多次开挖检测坑才能找到相应的焊缝位置，这不仅增加成本，而且增加了相应的作业风险。另外，由于山区地势起伏大，管道弯头结构较多。很难满足内检测的检测要求，不适用于山地管道的检测环境。

发明内容

本发明的目的是针对现有内检测方法定位焊缝偏差较大，且不适用于山地弯曲复杂管道检测用的技术问题，提供一种山地管道环焊缝非接触式识别定位方法。

本发明提供的山地管道环焊缝非接触式识别定位方法，具体步骤如下：

S1、采用管道路径搜索器探测管道路径，在地面上标注管道轴线。

S2、采用无接触式扫描磁力计在地面上沿着管道轴线移动，磁力计水平放置，高出地面1～1.5m，磁力计轴向垂直于管道走向，移动过程中，磁力计的一个三分量磁传感器保持在管道轴线上方，测得磁场三分量B_x1、B_y1、B_z1；另一个磁传感器保持在管道一侧外缘上方，测得磁场三分量B_x2、B_y2、B_z2。两个磁传感器的三个轴向分布彼此对应相同，且均符合右手定则，磁力计移动速度小于等于1m/s。

S3、通过数据采集软件计算磁场三分量B_x、B_y、B_z于仪器X方向的梯度分量

从而计算梯度模量dQ；

梯度分量的计算公式如下：

其中，l为磁力计探棒的长度。

梯度模量dQ计算公式为：

磁力计的数据采集界面显示

和dQ。

S4、磁力计内设置有DGPS定位装置，同步检测点的里程与磁力计检测数据。将管道轴线等间距划分为n个检测区间，各区间依次编号C₁、C₂、…C_n；在检测起点、每个检测区间分割点、检测终点依次设置标示桩M₁、M₂、M₃…M_n、M_n+1；每检测一个区间后将检测的梯度分量和梯度模量数据进行采集存储并依次标注编号C₁、C₂、…C_n。优选的是，管道轴线按照100m等间距划分为n个检测区间。

S5、使用Matlab小波包信号降噪器对步骤S4采集的数据进行降噪处理，将梯度分量

和梯度模量dQ数据信号加载到小波包分析主界面，选择小波基函数、降噪方法以及分解层数，设置阀值后对信号进行分析和重构。

S6、通过降噪后的数据进行环焊缝识别，确定焊缝所在区间C_n：焊缝处的梯度分量

处于极值，梯度模量dQ也处于峰值；识别出焊缝位置后，还需要对焊缝的综合应力水平与风险等级进行评估，环焊缝的应力状况由磁异常综合指数F表示，F计算公式如下：

式中，A是矫正系数，表明了管道缺陷对磁场变化的影响；dQ_Φ是沿管道轴线方向背景静区，即大地的磁场强度梯度，A/m²；磁异常综合指数F越小，风险越高，需要立即维修。

若磁异常综合指数F＜0.2，属于高风险，需要立即维修；0.2≤F＜0.55，属于中等风险，在一定条件下监控使用，具备条件时开展计划维修；F≥0.55，属于低风险，继续使用，下一次检测根据管道完整性管理规程进行；根据该焊缝的风险等级，选择需要开挖的焊缝，定位所在里程。

S7、根据定位里程确定环焊缝所在检测区间C_n，在现场找到对应的标示桩M_n和M_n+1，在该区间丈量环焊缝所在里程，在里程点前后各划定1.5m作为环焊缝初步确定范围，然后通过无接触式扫描磁力计复检该区间，观察数据采集软件实时显示的梯度模量dQ值，当dQ值达到峰值，暂停检测，该处为焊缝的准确位置，开挖焊缝，然后对焊缝进行X射线探伤检测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用的非接触式管道磁记忆检测不需要额外的磁化设备，利用地磁场和应力作用实现管道的磁化，从而产生漏磁信号；检测操作简单快速，可实现大规模检测；而且该方法是属于外检测技术，不受管道结构和尺寸的限制，能够应用于复杂多样的地形环境，适用于山地管道的检测。

(2)通过DGPS定位功能、分区间段检测方法以及区域复检等手段实现准确定位环焊缝位置，克服了仅通过内检测里程寻找焊缝存在较大偏差的问题，里程误差≤±0.5m，从而达到降低作业风险与检测坑开挖成本费用，提升管道特别是山区管道安全与完整性管理水平的目的。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、焊缝检测器通过环焊缝时检测焊缝信号图。

图2、两路焊缝检测器通过环焊缝时检测到的焊缝信号图。

图3、本发明中非接触式扫描磁力计的使用位置示意(图中1和2分别代表1号传感器和2号传感器)。

图4、实施例中焊缝信号图。

图5、3#片X射线结果图。

图6、4#片X射线结果图。

图7、5#片X射线结果图。

图8、6#片X射线结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明选取一段长为1km的试验管道进行了实地管道检测。具体操作步骤如下：

步骤1、首先对该段被检测管道的设计及运行文件进行分析。该段管道的总长度为1km，其中管径为508mm，管道壁厚为9mm或11mm，管道设计压力为6.3MPa，实际运行压力为4.87～4.92MPa，焊缝的类型为环焊缝，预计检测周期为一周。

步骤2、在第1～2天，采用RD8000路由探测仪检测试验管道的路径，记录管道周围的地形与标志物，在地面上标记管道的轴线。利用GPS定位系统确定路径控制点或者临时参考标记点，以及检测起点位置，在路径转角处作上转角桩。上述操作的目的是在检测的时候使得操作人员始终保持在管道轴线上行走，防止检测路径偏移管道路径，并通过这些点位校核里程。

步骤3、第3天进行检测，检测人员手持无接触式扫描磁力计，磁力计距离地面的高度控制在1.0～1.5m，沿标注的管道轴线以小于1m/s的速度前进。磁力计的一个三分量磁传感器保持在管道轴线上方，测得磁场三分量B_x1、B_y1、B_z1；另一个磁传感器保持在管道一侧外缘上方，测得磁场三分量B_x2、B_y2、B_z2。磁力计的使用说明如图3所示，在实地测量时，磁力计水平放置，磁力计轴向垂直于管道走向，其中Y轴正向为管道走向，两个磁传感器(1号传感器和2号传感器)的三个轴向分布彼此对应相同，且均符合右手定则。1号传感器和2号传感器之间的间距即为磁力计探棒的长度l。

通过X、Y、Z三分量及梯度数据采集软件计算磁场三分量B_x、B_y、B_z于仪器X方向的梯度分量

从而计算梯度模量dQ。梯度分量

的计算公式如下：

其中，l为磁力计探棒的长度。即梯度分量值等于同一个检测点两个传感器的测量值的差值除以磁力计探棒的长度。

梯度模量dQ计算公式为：

磁力计的数据采集界面显示

和dQ。

步骤4、磁力计内置DGPS功能，同步检测点的里程与磁力计检测数据。将整个管道轴线划分为长度相等的10个检测区间，区间编号依次是C₁、C₂、…C₁₀。每个检测区间长度为100m。在检测起点、每个检测区间分割点、检测终点依次设置标示桩M₁、M₂、M₃…M₁₀、M₁₁。从检测起点开始，每检测一个区间后将检测数据梯度分量和梯度模量存储为excel数据表并依次标注编号C₁、C₂、…C₁₀。

步骤5、第4天，将前一天进行的步骤4中采集的数据C₁～C₁₀整合在一个excel表中，命名为C_total，使用Matlab小波包信号降噪器wavelet signal denoiser对C_total进行降噪处理，将梯度分量

和梯度模量dQ信号加载到小波包分析主界面，选择小波基函数、降噪方法以及分解层数，设置阀值后对信号进行分析和重构；

步骤6、第5天，通过降噪后的数据进行环焊缝识别，确定焊缝所在区间C_n。具体方法为：由于钢质管道环焊缝在金相、组织、应力与磁畴分布方面明显不同于管道母材，焊缝处梯度分量

处于极值，并且一般情况下

的数量级远大于

和

所以相应地，梯度模量dQ也达到峰值，通过这一特征可以确定环焊缝位置(如图4所示)。

识别出焊缝位置后，对焊缝的综合应力水平与风险等级进行评估，环焊缝的应力状况由磁异常综合指数F表示，F计算公式如下：

式中，A是矫正系数，表明了管道缺陷对磁场变化的影响；dQ_Φ是沿管道轴线方向背景静区，即大地的磁场强度梯度，A/m²。F值计算出来以后，根据表1所示的磁异常综合指数F分级标准和风险等级评价标注进行评价，得到“环焊缝异常记录”表格(表2)。表2包含了环焊缝的精确位置，以及风险等级。风险等级为Ⅰ级的焊缝异常是非常危险的，需要立即修理，因此选取1号异常环焊缝进行开挖。其中，F值的分级标准是可以根据基础数据坑和校验坑的实际情况进行修正。

表1、磁异常综合指数F分级标准和等级

表2、Ⅰ级风险等级异常焊缝记录表

步骤7、第6～7天，步骤6中确定环焊缝所在检测区间为C₇，在现场找到对应的标示桩M₇和M₈，在距离标示桩M₇63m处标记为焊缝点，在焊缝点前后各划定1.5m作为环焊缝初步确定范围；然后通过无接触式扫描磁力计复检该区域，观察数据采集软件实时显示的梯度模量dQ值，当dQ值达到峰值，暂停检测，此处即为焊缝的准确位置，开挖焊缝；然后对焊缝进行X射线拍片检测，检测结果如表3和图5～8所示，按《石油天然气钢质管道无损检测》SY/T4109-2013标准评定为Ⅳ级焊缝(不合格焊缝)，该结果与非接触式磁检测结果一致。

表3、异常焊缝X射线检测结果数据表

底片编号	缺欠位置(mm)	缺欠类型/长度(mm)	评定级别
				1#片	无	未见缺欠	Ⅰ级
2#片	无	未见缺欠	Ⅰ级
				3#片	450-750	内咬边长：300	Ⅳ级
4#片	750-950	内咬边长：200	Ⅳ级
				5#片	950-1200	内咬边长：250	Ⅳ级
6#片	1200-1300	内咬边长：100	Ⅳ级
				7#片	无	未见缺欠	Ⅰ级

上述实施例中通过采用DGPS定位功能和分区间段检测手段，设置区间标号和对应的标示桩，并且每检测一个区间后将检测数据梯度分量和梯度模量存储为excel数据表并依次标注编号C₁、C₂、…C₁₀。这使得每个检测区间的检测数据和现场的标示桩相对应，有利于准确快速找到焊缝对应的检测区间，在100m范围内丈量具体里程位置的误差较小，这样就避免了因焊缝距离检测起点过远而导致在确定焊缝里程时偏差过大的问题；同时，每检测100m存储数据，有效解决了仅仅通过DGPS功能同步里程和信号时造成的里程累计误差。例如，在100m内误差为1m，如果检测1000m，里程误差就会增大为10m，给寻找焊缝带来了困难。在100m范围内丈量里程后小范围复检可以根据信号特征精确发现焊缝位置。

综上所述，本发明提供了一种山地管道环焊缝非接触式识别定位方法，不需要额外的磁化设备，利用地磁场和应力的作用实现管道的磁化，产生漏磁信号；通过DGPS定位功能、分区间段检测方法以及区域复检等手段实现准确定位环焊缝位置，克服了仅通过内检测里程寻找焊缝存在较大偏差的问题，里程误差小，达到降低作业风险与检测坑开挖成本费用，提升管道特别是山区管道安全与完整性管理水平的目的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、探测管道路径，在地面上标注管道轴线；

S2、采用无接触式扫描磁力计在地面上沿着管道轴线移动，磁力计轴向垂直于管道走向，移动过程中，磁力计的一个三分量磁传感器保持在管道轴线上方，测得磁场三分量B_x1、B_y1、B_z1；另一个磁传感器保持在管道一侧外缘上方，测得磁场三分量B_x2、B_y2、B_z2；

S3、通过数据采集软件计算磁场三分量B_x、B_y、B_z于仪器X方向的梯度分量

从而计算梯度模量dQ；

数据采集界面显示和dQ；

S4、磁力计内设置有DGPS定位装置，同步检测点的里程与磁力计检测数据；将管道轴线等间距划分为n个检测区间，各区间依次编号C₁、C₂、…C_n；在检测起点、每个检测区间分割点、检测终点依次设置标示桩M₁、M₂、M₃…M_n、M_n+1；每检测一个区间后将检测的梯度分量和梯度模量数据进行采集存储并依次标注编号C₁、C₂、…C_n；

S5、将步骤S4采集的数据进行降噪处理；

S6、通过降噪后的数据进行环焊缝识别，确定焊缝所在区间C_n：焊缝处的梯度分量

处于极值，梯度模量dQ也处于峰值；

S7、根据环焊缝所在检测区间C_n，在现场找到对应的标示桩M_n和M_n+1，在该区间丈量环焊缝所在里程，在里程点前后各划定1.5m作为环焊缝初步确定范围，然后通过无接触式扫描磁力计复检该区间，同步检测和定位，找到焊缝准确位置，实现精确开挖。

2.如权利要求1所述的山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，所述步骤S6中，在识别出焊缝位置后还需要对焊缝的综合应力水平与风险等级进行评估，环焊缝的应力状况由磁异常综合指数F表示，F计算公式如下：

式中，A是矫正系数，表明了管道缺陷对磁场变化的影响；dQ_Φ是沿管道轴线方向背景静区，即大地的磁场强度梯度，A/m²；磁异常综合指数F越小，风险越高，需要立即维修。

3.如权利要求2所述的山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，若磁异常综合指数F＜0.2，属于高风险，需要立即维修；0.2≤F＜0.55，属于中等风险，在一定条件下监控使用，具备条件时开展计划维修；F≥0.55，属于低风险，继续使用，下一次检测根据管道完整性管理规程进行；根据该焊缝的风险等级，选择需要开挖的焊缝，定位所在里程。

4.如权利要求1所述的山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用管道路径搜索器探测管道路径。

5.如权利要求1所述的山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，磁力计水平放置，高出地面1～1.5m，磁力计轴向垂直于管道走向，两个磁传感器的三个轴向分布彼此对应相同，且均符合右手定则，磁力计移动速度小于等于1m/s。

6.如权利要求5所述的山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，梯度分量

的计算公式如下：

其中，l为磁力计探棒的长度。

7.如权利要求1所述的山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，所述步骤S4中，管道轴线按照100m等间距划分为n个检测区间。

8.如权利要求7所述的山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，所述步骤S5具体操作：使用Matlab小波包信号降噪器对步骤S4采集的数据进行降噪处理，将梯度分量

和梯度模量dQ数据信号加载到小波包分析主界面，选择小波基函数、降噪方法以及分解层数，设置阀值后对信号进行分析和重构。

9.如权利要求8所述的山地管道环焊缝非接触识别定位方法，其特征在于，所述步骤S7中，焊缝位置初步确定后，通过无接触式扫描磁力计复检该区间，观察数据采集软件实时显示的梯度模量dQ值，当dQ值达到峰值，暂停检测，此处即为焊缝的准确位置，开挖焊缝，然后对焊缝进行X射线探伤检测。

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