CN109765292A - 一种管道缺陷精准定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气输送管道缺陷检测领域，具体涉及一种管道缺陷精准定位装置，包括清管器骨架的前端设有驱动皮碗、铝金属安装基座以及磁源，清管器骨架后端包括漏磁检测装置，漏磁检测装置包括轭铁、筒型永磁铁、钢刷、连接套筒、霍尔元件、电子仓、里程轮和高分辨率加速度计。本发明相比现有技术具有以下优点：利用有限元软件进行仿真分析，得到效果最优的磁源，能够保证在相应磁源条件下，管道缺陷精准定位装置能对清管器旋转位姿定位的准确性；通过合理设置管道缺陷精准定位装置，提升了漏磁检测的精度，减少了进一步进行管道管壁无损检测的工序，有效降低维修成本。
Description
技术领域
本发明属于油气输送管道缺陷检测领域，具体涉及一种管道缺陷精准定位装置。
背景技术
在油气输送领域，为了保障油气运输的安全和高效，需要定期对管道等铁磁性材料进行无损检测和评估。裂纹是对各种铁磁性材料机械性能影响较大的一种缺陷，对材料的安全构成严重威胁，因此，定量检测铁磁性材料的裂纹缺陷具有重要意义。目前，常用的无损检测技术有：涡流检测、超声检测、漏磁检测等。涡流检测适用于铜等顺磁性材料，对于磁导率高的铁磁性材料，其检测信号受到的提离值影响很大；超声检测需要耦合剂；漏磁检测技术作为一种电磁无损检测方法，具有无污染、不需要耦合剂、快速、高可靠性、低成本等优点，在提离值上也优于涡流检测。
但漏磁检测技术对管道缺陷的定位精度仅能达到某一管壁环段，而不能定位缺陷在该管壁环段上具体的点。当检测到管壁缺陷后，还需对该环段的管壁进行二次检测以确定缺陷具体位置，或者直接对整个管壁环段进行维护，这会使得维修成本提高。因此寻找一种经济、高效且具有更高精度的管壁缺陷检测方法对油气输送管道运营维护有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有难以直接定位到管道缺陷环段上具体的点而增加维修成本和时间成本的问题，提供了一种管道缺陷精准定位装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种管道缺陷精准定位装置，包括清管器骨架，所述清管器骨架前端设有驱动皮碗，所述驱动皮碗前端设有铝金属安装基座，所述铝金属安装基座外端面设有矩形安装槽，所述矩形安装槽的中心点位于清管器骨架轴线上，所述矩形安装槽内设有磁源；所述清管器骨架后端包括漏磁检测装置，所述漏磁检测装置包括轭铁，所述轭铁两端外周分别套设筒型永磁铁，所述筒型永磁铁外固定设置钢刷，所述钢刷之间设有与轭铁同轴的连接套筒，所述连接套筒径向上均匀分布若干霍尔元件；所述漏磁检测装置后端连接电子仓，所述电子仓包括电源、数据处理模块和信号发射器；所述电子仓后端装设里程轮和高分辨率加速度计；
所述管道缺陷精准定位装置还包括均匀分布于油气输送管道上方地表处的弱磁检测装置以及与电子仓数据处理模块通讯连接的上位机，所述弱磁检测装置所在位置为磁测点；
基于管道缺陷精准定位装置的定位方法包括以下内容：
（1）每个所述弱磁检测装置检测该弱磁检测装置所处磁测点的磁通密度；清管器沿油气输送管道推进，依次经过弱磁检测装置；
（2）对磁源进行优化设计，得到最优磁源用于磁异常检测；
（3）对霍尔元件进行标号并记录，霍尔元件用于检测管壁有无漏磁场，所得管壁实时磁场信息经电子仓数据处理模块整合后，传输至上位机进行分析和备份；
电子仓的数据处理模块接收里程轮和高分辨率加速度计所检测的定位数据，将其整合后传输至上位机进行分析和备份；
（4）在上位机设定程序，实时分析由霍尔元件检测得到的管壁实时磁场信息，若分析到出现漏磁场，则记录出现漏磁场的时刻，将该时刻清管器通过的弱磁检测装置在该时刻检测到的磁通密度数据和里程轮、加速度计在该时刻的定位数据调出，用于判断清管器此时的旋转位姿和位置信息，结合带标号霍尔元件，精确定位处管壁缺陷的位置。
作为对上述方案的进一步改进，所述霍尔元件的数量为10，其标号n＝1-10。
作为对上述方案的进一步改进，所述弱磁检测装置为霍尔三轴传感器，所述霍尔三轴传感器检测对应检测范围内磁通密度的三个分量，霍尔三轴传感器的x、y、z轴上的磁通密度的分量分别为Bx、By、Bz；其中，霍尔三轴传感器的x轴平行于管道轴线方向，y轴在水平方向上垂直于管道轴线，z轴竖直向下；
在初始状态时，所述优选磁源的磁性南极与z轴重合，所述优选磁源相对于清管器的中心轴线中心对称设置，1号霍尔元件与优选磁源的磁性北极的延长线重合。
作为对上述方案的进一步改进，所述定位处管壁缺陷的位置包括以下内容：
（4.1）设置偏移角α，所述偏移角α为1号霍尔元件与z轴之间的夹角；设置辅助角β，所述辅助角β为检测到漏磁场的n号霍尔元件与1号霍尔元件之间的夹角；设置定位角γ，所述定位角γ为偏移角α和辅助角β之和，通过定位角γ、配合里程轮和高分辨率加速度计信息，即可确定管道缺陷的精确位置；
（4.2）因为根据相应弱磁检测装置在相应时刻检测得到磁通密度数据，所得偏移角α可能会在不同的角度，因此需要先确定偏移角α的范围，其范围的确定方法包括以下内容：
（4.2.1）通过上位机调取该时刻清管器通过的弱磁检测装置在该时刻检测所得磁通密度分量Bx的峰峰值△Tx和分量By的峰峰值△Ty；
（4.2.2）初步确定偏移角α的范围，通过磁通密度分量Bx的峰峰值△Tx进行判断，当其波峰先于波谷出现时，取为△Tx正值，反之，取为负值；
（4.2.3）进一步确定偏移角α的范围，通过磁通密度分量By的峰峰值△Ty进行判断，当其△Ty＜0，则可判断出 ；反之，则。
作为对上述方案的进一步改进，设计磁源优化方案，利用有限元分析软件进行仿真分析，得到优选磁源为由10个规格为50mm×50mm×30mm，剩余磁通密度为1T的永磁铁叠加而成；其效果等价于一个规格为50mm×50mm×300mm，剩余磁通密度为1T的永磁铁。
作为对上述方案的进一步改进，所述磁源优化方案的优化条件为，引入角度差异
性的概念，并用其作为判断磁源优劣的依据；具体内容为，角度差异性，在同一磁源方
案下，清管器各个旋转角度对应的磁通密度分量Bx的峰峰值与其平均值之差的绝
对值与其平均值之比，的值越大表明单位角度改变量对应的越
大，该方案的角度分辨率越高，而越大，表明角度整的分辨率越高，磁源方案越优；其公
式如下：
。
作为对上述方案的进一步改进，所述里程轮和高分辨率加速度计配合用于确定清管器的位置利用里程轮和加速度计所检测数据计算得到里程数据，进而用于确定清管器的位置。
作为对上述方案的进一步改进，所述弱磁检测装置设置时，其顶端距离地面0-5cm。
作为对上述方案的进一步改进，所述管道缺陷精准定位装置还包括装设于电子仓内的信号发射器和与上位机通讯连接的信号接收器，用于数据处理模块与上位机之间的数据传输。
作为对上述方案的进一步改进，所述清管器骨架的前端和后端通过连接轴连接，实现同步转动。
本发明相比现有技术具有以下优点：
（1）由永磁铁组成的磁源，无需外加电源供能，而且永磁铁性能稳定；
（2）利用有限元软件进行仿真分析，得到效果最优的磁源，能够保证在相应磁源条件下，管道缺陷精准定位装置能对清管器旋转位姿定位的准确性；
（3）通过合理设置管道缺陷精准定位装置，提升了漏磁检测的精度，减少了进一步进行管道管壁无损检测的工序，有效降低维修成本；
（4）整个管道缺陷精准定位装置容易操作，自动化程度高，能够保证精确性，减少环境污染和对员工的健康损害，定位精度高，经济效益显著。
（5）多个里程轮和高分辨率加速度计与弱磁检测装置配合作用，能够进一步提高检测的准确性。
附图说明
图1为本发明提供的清管器各个部分示意图。
图2为本发明具体实施时，清管器及霍尔三轴传感器的空间布局图。
图3为本发明具体实施时由10个永磁铁叠加而成的磁源结构图。
图4为管道缺陷精准定位装置的流程图。
图5为漏磁检测部分剖分图。
图6为实施例1的裂纹检测示意图。
图7为在选定角度偏移角α时对应磁通密度分量Bx的信号曲线图。
图8为在选定角度偏移角时对应磁通密度分量By的信号曲线图。
图9为在选定角度偏移角时对应磁通密度分量By的信号曲线图。
其中，1-磁源，2-驱动皮碗，3-连接轴，4-钢刷，5-霍尔元件，6-电子仓，7-连接套筒，8-轭铁，9-筒型永磁铁，10-弱磁检测装置，11-油气输送管道，12-上位机，13-信号接收器，14-里程轮，15-高分辨率加速度计，16-裂纹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1
如图1-6中所示，一种管道缺陷精准定位装置，包括清管器骨架，所述清管器骨架前端设有驱动皮碗2，所述驱动皮碗2前端设有铝金属安装基座，所述铝金属安装基座外端面设有矩形安装槽，所述矩形安装槽的中心点位于清管器骨架轴线上，所述矩形安装槽内设有磁源1；所述清管器骨架后端包括漏磁检测装置，所述清管器骨架的前端和后端通过连接轴3连接，实现同步转动；所述漏磁检测装置包括轭铁8，所述轭铁8两端外周分别套设筒型永磁铁9，所述筒型永磁铁9外固定设置钢刷，所述钢刷之间设有与轭铁8同轴的连接套筒7，所述连接套筒径7向上均匀分布若干霍尔元件5；所述漏磁检测装置后端连接电子仓6，所述电子仓6包括电源、数据处理模块和信号发生器；所述电子仓6后端装设里程轮14和高分辨率加速度计15；
所述管道缺陷精准定位装置还包括均匀分布于油气输送管道11上方地表处的弱磁检测装置10以及与电子仓数据处理模块通讯连接的上位机12，所述弱磁检测装置10所在位置为磁测点；所述管道缺陷精准定位装置还包括装设于电子仓内的信号发射器和与上位机通讯连接的信号接收器，用于数据处理模块与上位机之间的数据传输；其中，所述弱磁检测装置10设置时，其顶端距离地面5cm；
所述弱磁检测装置10选择霍尔三轴传感器，所述霍尔三轴传感器检测对应检测范围内磁通密度的三个分量，霍尔三轴传感器的x、y、z轴上的磁通密度的分量分别为Bx、By、Bz；其中，霍尔三轴传感器的x轴平行于管道轴线方向，y轴在水平方向上垂直于管道轴线，z轴竖直向下；
在初始状态时，所述优选磁源的磁性南极与z轴重合，所述优选磁源相对于清管器的中心轴线中心对称设置，1号霍尔元件与优选磁源的磁性北极的延长线重合；
基于管道缺陷精准定位装置的定位方法包括以下内容：
（1）每个所述弱磁检测装置10检测该弱磁检测装置10所处磁测点的磁通密度；清管器沿油气输送管道11推进，依次经过弱磁检测装置10，推进速度约为2m/s；
（2）对磁源2进行优化设计，得到最优磁源用于磁异常检测，设计磁源优化方案，利用有限元分析软件进行仿真分析，得到优选磁源为由10个规格为50mm×50mm×30mm，剩余磁通密度为1T的永磁铁叠加而成；其效果等价于一个规格为50mm×50mm×300mm，剩余磁通密度为1T的永磁铁；
所述磁源优化方案的优化条件为，引入角度差异性的概念，并用其作为判断磁源优
劣的依据；具体内容为，角度差异性，在同一磁源方案下，清管器各个旋转角度对应的磁
通密度分量Bx的峰峰值与其平均值之差的绝对值与其平均值之比，的值越大表明单位角度改变量对应的越大，该方案的角度分辨率越高，而越
大，表明角度整的分辨率越高，磁源方案越优；其公式如下：
；
（3）对霍尔元件5进行标号并记录，所述霍尔元件5的数量为10，其标号n＝1-10，霍尔元件5用于检测管壁有无漏磁场，所得管壁实时磁场信息经电子仓6的数据处理模块后，传输至上位机12进行分析和备份；
电子仓6的数据处理模块接收里程轮14和高分辨率加速度计15所检测的定位数据，将其整合后传输至上位机12进行分析和备份；
（4）在上位机12设定程序，实时分析由霍尔元件5检测得到的管壁实时磁场信息，若分析到出现漏磁场，则记录出现漏磁场的时刻，将该时刻清管器通过的弱磁检测装置10在该时刻检测到的磁通密度数据和里程轮14、加速度计15在该时刻的定位数据调出，用于判断清管器此时的旋转位姿和位置信息，结合带标号霍尔元件5，精确定位处管壁缺陷的位置。
所述定位处管壁缺陷的位置包括以下内容：
（4.1）设置偏移角α，所述偏移角α为1号霍尔元件与z轴之间的夹角；设置辅助角β，所述辅助角β为检测到漏磁场的n号霍尔元件与1号霍尔元件之间的夹角；设置定位角γ，所述定位角γ为偏移角α和辅助角β之和，通过定位角γ、配合里程轮和高分辨率加速度计信息，即可确定管道缺陷的精确位置；
（4.2）因为根据相应弱磁检测装置在相应时刻检测得到磁通密度数据，同一磁通密度所对应偏移角α可能有不同的值，因此需要先确定偏移角α的范围，其范围的确定方法包括以下内容：
（4.2.1）通过上位机调取该时刻清管器通过的弱磁检测装置在该时刻检测所得磁通密度分量Bx的峰峰值△Tx和分量By的峰峰值△Ty；
（4.2.2）初步确定偏移角α的范围，通过磁通密度分量Bx的峰峰值△Tx进行判断，当其波峰先于波谷出现时，取为△Tx正值，反之，取为负值；
（4.2.3）进一步确定偏移角α的范围，通过磁通密度分量By的峰峰值△Ty进行判断，当其峰峰值△Ty＜0，则可判断出；反之，则。
下面通过图7-9通过距离进一步对偏移角α的范围的确定进一步解释，弱磁检测装置选择霍尔三轴传感器，在油气输送管道埋深2米的条件下进行试验（试验中，当清管器进入弱磁检测装置对应的检测点两侧20米范围内才会对其产生一个较明显的磁场影响，因此用测点坐标来表示清管器在该范围内的位置，在实际应用中，根据弱磁检测装置的选择和油气输送管道埋深可以对其测点坐标进行相应的调整），其中纵坐标是磁通密度，横坐标为清管器在弱磁检测装置两侧20m范围内的位置，其中横坐标20000mm处为检测点：
选择偏移角为示例，如图7中所示，偏移角时，波峰先于波谷出现，峰峰值为正；偏移角时，波谷先于波峰出现，峰峰值为负。由于偏移角、时，其磁通密度Bx曲线基本重合，所以需要对这两组α做进一步区分。
如图8、9中所示，利用磁通密度By做进一步区分，当△Ty＜0时，；反之，则。从而可以判断出α的具体值。所对应的峰峰值分别为2733.791nT、-3125.31nT、-3124.69nT和2733.657nT；
综合两方向上的磁异常信号，可以得出清管器的旋转位姿，综合清管器的位置，便可计算出缺陷的精确位置。
其中，在偏移角α的不同情况下，表1为在偏移角α不同角度的条件下对应的峰峰值△Ty，表2为在偏移角α不同角度的条件下对应的峰峰值△Tx：
表1
| α | 峰峰值△Ty | α | 峰峰值△Ty |
| 0 | -0.48189 | 190 | 372.9173 |
| 10 | -368.934 | 200 | 731.9393 |
| 20 | -727.849 | 210 | 1066.746 |
| 30 | -1062.57 | 220 | 1366.988 |
| 40 | -1363.02 | 230 | 1624.267 |
| 50 | -1620.18 | 240 | 1830.951 |
| 60 | -1827.6 | 250 | 1982.403 |
| 70 | -1978.31 | 260 | 2075.641 |
| 80 | -2070.39 | 270 | 2105.508 |
| 90 | -2101.06 | 280 | 2074.641 |
| 100 | -2070.57 | 290 | 1982.715 |
| 110 | -1978.54 | 300 | 1831.586 |
| 120 | -1827.44 | 310 | 1624.988 |
| 130 | -1620.92 | 320 | 1367.867 |
| 140 | -1363.78 | 330 | 1067.495 |
| 150 | -1063.52 | 340 | 732.6037 |
| 160 | -728.847 | 350 | 373.9498 |
| 170 | -369.898 | ||
| 180 | -0.57951 |
表2
| α | 峰峰值△Tx | α | 峰峰值△Tx |
| 0 | 2929.354 | 190 | -3507.18 |
| 10 | 2881.315 | 200 | -3362.1 |
| 20 | 2733.791 | 210 | -3124.69 |
| 30 | 2495.162 | 220 | -2804.48 |
| 40 | 2171.981 | 230 | -2416.32 |
| 50 | 1777.357 | 240 | -1973.44 |
| 60 | 1323.553 | 250 | -1511.65 |
| 70 | 829.185 | 260 | -1060.4 |
| 80 | 529.4635 | 270 | -657.039 |
| 90 | -657.712 | 280 | 530.6944 |
| 100 | -1059.87 | 290 | 829.2383 |
| 110 | -1512.3 | 300 | 1322.767 |
| 120 | -1974.31 | 310 | 1776.888 |
| 130 | -2415.89 | 320 | 2171.969 |
| 140 | -2804.9 | 330 | 2495.29 |
| 150 | -3125.31 | 340 | 2733.657 |
| 160 | -3362.09 | 350 | 2880.932 |
| 170 | -3507.64 | ||
| 180 | -3556.99 |
如图6中所示，在油气输送管道11上有裂纹16，在相应时刻，由霍尔元件5检测到漏磁场，该漏磁场数据经电子仓6中数据处理模块的处理，由信号发射器和信号接收器13将该信号传输至上位机12；上位机12中设定的程序判断出此时管壁有缺陷后，会将此时清管器通过的弱磁检测装置10检测到的磁通密度数据调出，通过对磁通密度X和Y分量的峰峰值△T进行分析，从而得到偏移角α的值，然后根据霍尔元件检测数据，得到辅助角β的值，在图6中为2号霍尔元件与1号霍尔元件之间的夹角，进而得到定位角γ的值，然后配合里程轮和高分辨率加速度计得到清管器位于油气输送管道11的位置，定位角γ能确定此时裂纹16位于油气输送管道11的角度，便于后续精确挖掘和维修。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种管道缺陷精准定位装置，其特征在于，包括清管器骨架，所述清管器骨架前端设有驱动皮碗，所述驱动皮碗前端设有铝金属安装基座，所述铝金属安装基座外端面设有矩形安装槽，所述矩形安装槽的中心点位于清管器骨架轴线上，所述矩形安装槽内设有磁源；所述清管器骨架后端包括漏磁检测装置，所述漏磁检测装置包括轭铁，所述轭铁两端外周分别套设筒型永磁铁，所述筒型永磁铁外固定设置钢刷，所述钢刷之间设有与轭铁同轴的连接套筒，所述连接套筒径向上均匀分布若干霍尔元件；所述漏磁检测装置后端连接电子仓，所述电子仓包括电源、数据处理模块和信号发射器；所述电子仓后端装设里程轮和高分辨率加速度计；
所述管道缺陷精准定位装置还包括均匀分布于油气输送管道上方地表处的弱磁检测装置以及与电子仓数据处理模块通讯连接的上位机，所述弱磁检测装置所在位置为磁测点；
对霍尔元件进行标号并记录，所述霍尔元件用于检测管壁有无漏磁场，所得管壁实时磁场信息经电子仓数据处理模块整合后，传输至上位机进行分析和备份；
电子仓的数据处理模块接收里程轮和高分辨率加速度计所检测的定位数据，将其整合后传输至上位机进行分析和备份；
所述弱磁检测装置检测所在磁测点的磁通密度；
所述上位机设定程序，实时分析由霍尔元件检测得到的管壁实时磁场信息，若分析到出现漏磁场，则记录出现漏磁场的时刻，将该时刻清管器通过的弱磁检测装置在该时刻检测到的磁通密度数据和里程轮、加速度计在该时刻的定位数据调出，用于判断清管器此时的旋转位姿和位置信息，结合带标号霍尔元件，精确定位处管壁缺陷的位置。
2.如权利要求1所述一种管道缺陷精准定位装置，其特征在于，所述霍尔元件的数量为10，其标号n＝1-10。
3.如权利要求2所述一种管道缺陷精准定位装置，其特征在于，所述弱磁检测装置为霍尔三轴传感器，所述霍尔三轴传感器感应检测点磁通密度的三个分量，霍尔三轴传感器的x、y、z轴上的磁通密度的分量分别为Bx、By、Bz；其中，霍尔三轴传感器的x轴平行于管道轴线方向，y轴在水平方向上垂直于管道轴线，z轴竖直向下；
在初始状态时，所述优选磁源的磁性南极与z轴重合，所述优选磁源相对于清管器的中心轴线中心对称设置，1号霍尔元件与优选磁源的磁性北极的延长线重合。
4.如权利要求3所述一种管道缺陷精准定位装置，其特征在于，设计磁源优化方案，利用有限元分析软件进行仿真分析，得到优选磁源为由10个规格为50mm×50mm×30mm，剩余磁通密度为1T的永磁铁叠加而成；其效果等价于一个规格为50mm×50mm×300mm，剩余磁通密度为1T的永磁铁。
5.如权利要求1所述一种管道缺陷精准定位装置，其特征在于，所述弱磁检测装置设置时，其顶端距离地面0-5cm。
6.如权利要求1所述一种管道缺陷精准定位装置，其特征在于，所述管道缺陷精准定位装置还包括装设于电子仓内的信号发射器和与上位机通讯连接的信号接收器，用于数据处理模块与上位机之间的数据传输。
7.如权利要求1所述一种管道缺陷精准定位装置，其特征在于，所述清管器骨架的前端和后端通过连接轴连接，实现同步转动。
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