CN114963966A - 管道轴向应变检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种管道轴向应变检测装置，管道轴向应变检测装置包括：信号发生器，被配置成产生并发出激励电流；功率放大器，被配置成对激励电流进行放大，输出放大后的激励电流；磁化器，被配置成响应于接收放大后的激励电流产生交变磁场；检测器，被配置成收集处于交变磁场的待检测管道的内管壁表面因巴克豪森噪声引起的动态磁场信号，并将动态磁场信号转变成电压信号；数据采集卡，被配置成将电压信号转化为数字信号；以及处理器，被配置成接收数字信号并对数字信号进行分析，根据分析结果确定管道的轴向应变状态，实现了对管道的全覆盖式检测，避免了开挖管道的过程，对复杂环境中管道的微小变形进行精准的测量，预防管道事故的发生。

Description

管道轴向应变检测装置

技术领域

本发明涉及管道应变检测技术领域，具体地涉及一种管道轴向应变检测装置。

背景技术

近年来，随着我国经济建设的快速发展，科学技术和现代工业的进步，国内的工业化水平逐渐提高，油气管道建设也在不断扩大，伴随着油气管道建设里程的增加，其存在的安全隐患也在不断提高。由于管道输送的具有一定压力的易燃、易爆或具有腐蚀性等特点的气态或液态介质，一旦管道中存在裂纹、腐蚀等缺陷，其发生泄漏或爆炸的概率将会大大提高，甚至可能引发灾难性事故，对人民的生命及财产造成危害。由于长输油气管道的特性，管道往往经过一些地质条件不稳定区域或自然灾害区，如地震区、冻土区、流沙区等，这些区域常常发生沉降、滑坡、断层蠕变、地震地面位移、冻胀及融沉等灾害，这些灾害，使得管道形成应力集中，管线钢在这种长期载荷作用下，会产生应力腐蚀并最终可将导致材料宏观缺陷，对管线整体造成严重后果，所以在管道运行过程中，要通过管道的轴向应变，以获取准确的管道变形以及轴向应力检测，使用无损检测对管道进行质量鉴定和寿命评估，可以直接有效的发现这些类型的安全隐患，防止重大事故的发生。

长距离油气管道位移及应变检测，传统的方式是通过对地质信息进行调查，确定地震易发区域，在经过这些区域的管道上安装应变片或位移监测装置，用以监测管道的位移和应变。但是，这种方式需要开挖管道，并且只能监测管道的局部区域，局限性太大。近年来发展起来的一项新兴的光纤光栅传感技术，与传统电类传感技术相比，抗腐蚀、重量轻、灵活方便等特性，但由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，只能应用于工作环境较好或是待测结构要求精小的情况。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种管道轴向应变检测装置，该管道轴向应变检测装置，结构组成简单，能对管道的轴向应变情况进行高效检测。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种管道轴向应变检测装置，包括：

至少一个应变检测传感设备，包括：

信号发生器，被配置成产生并发出激励电流；

功率放大器，被配置成对激励电流进行放大，输出放大后的激励电流；

磁化器，被配置成响应于接收放大后的激励电流产生交变磁场；

检测器，被配置成收集处于交变磁场的待检测管道的内管壁表面因巴克豪森噪声引起的动态磁场信号，并将动态磁场信号转变成电压信号；

数据采集卡，被配置成将电压信号转化为数字信号；以及

处理器，被配置成接收数字信号并对数字信号进行分析，根据分析结果确定管道的轴向应变状态。

在本发明实施例中，管道轴向应变检测装置还包括用于对至少一个应变检测传感设备进行定位的定位设备，处理器和定位设备集成为一体或设置在定位设备内。

在本发明实施例中，至少一个应变检测传感设备围绕定位设备周向间隔分布，并通过弹性件与定位设备连接；

定位设备用于可移动地设置在管道的内部，至少一个应变检测传感设备用于紧贴在管道的内管壁。

在本发明实施例中，弹性件的内部设有连接应变检测传感设备和处理器的通信导线。

在本发明实施例中，应变检测传感设备还包括：

信号放大器，被配置成接收电压信号并对电压信号进行放大，以产生放大后的电压信号；

数据采集卡，进一步被配置成：将放大后的电压信号转化为数字信号。

在本发明实施例中，处理器被配置成接收数字信号并对数字信号进行分析，根据分析结果确定管道的轴向应变状态包括：

处理器，进一步被配置成：

对数字信号进行突变检测分析，根据突变检测分析结果确定管道的轴向应变状态。

在本发明实施例中，处理器被配置成对数字信号进行突变检测分析，根据突变检测分析结果确定管道的轴向应变状态包括：处理器进一步被配置成：

判断数字信号的变化率是否超出预设变化率；

在数字信号的变化率超出预设变化率的情况下，对数字信号进行幅值检测，并根据幅值检测结果确定管道发生轴向应变。

在本发明实施例中，处理器被配置成对数字信号进行幅值检测，并根据幅值检测结果确定管道发生轴向应变包括：处理器进一步被配置成：

判断变化率超出预设变化率的数字信号的幅值是否超出预设幅值范围；

在变化率超出预设变化率的数字信号的幅值超出预设幅值范围的情况下，确定管道发生轴向应变。

在本发明实施例中，磁化器包括：

激励线圈，被配置成接收激励电流产生交变磁场；

第一磁芯，被配置成对交变磁场进行增强，以产生增强后的交变磁场；

检测器，进一步被配置成：

收集处于增强后的交变磁场的待检测管道的内管壁表面因巴克豪森噪声引起的动态磁场信号，并将动态磁场信号转变成电压信号。

在本发明实施例中，检测器包括第二磁芯和检测线圈，巴克豪森噪声的频率处于第二磁芯的磁场变化频率范围内，巴克豪森噪声的频率处于检测线圈的频率响应范围内。

通过上述技术方案，管道轴向应变检测装置包括信号发生器、功率放大器、磁化器、检测器、数据采集卡和处理器，信号发生器、功率放大器和磁化器依次作用产生了交变磁场，处于交变磁场中的管道内管壁产生巴克豪森噪声，并因巴克豪森噪声引起动态磁场信号，检测器收集动态磁场信号后将其转换电压信号，数据采集卡将电压信号转化为数字信号并将数字信号发送给处理器进行分析，处理器之后根据分析结果确定管道的轴向应变状态，该管道轴向应变检测装置在管道内运行，从而实现对管道的全覆盖式检测，避免了开挖管道的过程，对复杂环境中管道的微小变形进行精准的测量，预防管道事故的发生。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中管道轴向应变检测装置的组成示意图；

图2是本发明实施例中管道轴向应变检测装置的使用示意图；

图3是本发明实施例中管道轴向应变检测装置测试结果第一示意图；

图4是本发明实施例中管道轴向应变检测装置测试结果第二示意图

图5是本发明实施例中管道轴向应变检测装置测试结果第三示意图

图6是本发明实施例中管道轴向应变检测装置测试结果第四示意图。

附图标记说明

1-管道1；2-应变检测传感设备；201-信号发生器；202-功率放大器；203-磁化器；2031-第一磁芯；2032-激励线圈；204-检测器；2041-第二磁芯；2042-检测线圈；205-数据采集卡；206-信号放大器；3-定位设备；301-处理器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明实施例提供一种管道轴向应变检测装置，如图1所示，该管道轴向应变检测装置包括：

至少一个应变检测传感设备2，包括：

信号发生器201，被配置成产生并发出激励电流；

功率放大器202，被配置成对激励电流进行放大，输出放大后的激励电流；

磁化器203，被配置成响应于接收放大后的激励电流产生交变磁场；

检测器，被配置成收集处于交变磁场的待检测管道1的内管壁表面因巴克豪森噪声引起的动态磁场信号，并将动态磁场信号转变成电压信号；

数据采集卡205，被配置成将电压信号转化为数字信号；以及

处理器301，被配置成接收数字信号并对数字信号进行分析，根据分析结果确定管道1的轴向应变状态。

本实施例中的应变检测传感设备2包括信号发生器201、功率放大器202、磁化器203、检测器和数据采集卡205，定位设备3包括与数据采集卡205信号连接的处理器301。该管道轴向应变检测装置处于工作状态时，信号发生器201产生激励电流，进一步地，本实施例中的信号发生器201是基于直接数字合成技术的DDS(Direct Digital Synthesis)信号发生器，其产生的信号稳定，且能输出正弦波、方波(方波的占空比可以在1％～99％进行调节)、三角波和锯齿波等多种函数波形；优选地，本实施例中信号发生器201产生的激励电流为正弦激励电流，且该正弦激励电流为毫安级(即mA级)的正弦波形激励电流；功率放大器202能够将毫安级的正弦波形激励电流进行放大，以便输出足够大的激励电流使其应用于后续的检测过程，本实施例中的功率放大器202优选为Exse Audio的TDA2050-1型单声道功放板。

由于管道1为铁磁材料，其内部存在许多由磁畴壁分割的磁畴，内部磁畴排序毫无规律，但磁性相互抵消，所以在宏观上铁磁材料不显磁性。如果将铁磁材料置于外加磁场中，受磁场影响，磁畴会沿着外磁场的方向，重新排序，此时对外显磁性，铁磁材料内部的空隙、位错及非金属夹渣等缺陷及微小变形使磁畴的结构复杂化，并且阻碍畴壁的运动。因为铁磁材料内部微观结构决定磁性特征，并且磁畴的畴壁位移敏感地受材料微观结构变化和表面受力情况的影响，所以运用巴克豪森法测量的信号受磁畴位移影响，可以反映出金属材料内部微观结构变化情况。因此本发明实施例的管道轴向应变检测装置在功率放大器202的下游设置接收放大后的激励电流并产生交变磁场的磁化器203，之后管道1内管壁的表层则处于该交变磁场中，处于交变磁场的管道1内管壁表层被激发产生巴克豪森噪声，之后又在巴克豪森噪声的作用下产生动态磁场信号；检测器将上述过程产生的动态磁场信号收集起来，之后将收集的动态磁场信号转换为电压信号。

数据采集卡205能够将电压信号转换成数字信号，再将数字信号传输给处理器301进行分析，处理器301根据分析结果判断管道1是否发生轴向应变，其中，本实施例的数据采集卡205优选为方控SK2011A型综合采集卡，处理器301中具有与方控SK2011A型综合采集卡配套的AsmDll动态链接库以实现Labview软件对普通数据采集卡的支持，能在较大程度上节约成本，最大自由度对电压信号分析和保存。

在本发明一个实施例中，管道轴向应变检测装置还包括用于对至少一个应变检测传感设备2进行定位的定位设备301，处理器301和定位设备3集成为一体或设置在定位设备3内。

具体地，定位设备3具有定位功能(如GPS定位功能)，能测量出应变检测传感设备2所处的位置并将上述位置信息发送给处理器301，处理器301根据分析结果确认管道1的轴向应变状态后，若管道1发生轴向应变，则处理器301再结合定位设备3检测到的应变检测传感设备2的位置信息，可进一步确定管道1内管壁上发生轴向应变的具体位置，

在本发明一个实施例中，至少一个应变检测传感设备2围绕定位设备3周向间隔分布，并通过弹性件与定位设备3连接；

定位设3备用于可移动地设置在管道的内部，至少一个应变检测传感设备2用于紧贴在管道的内管壁。

具体地，如图2所示，本实施例中的管道轴向应变检测装置包括用于对管道1的轴向应变进行检测的应变检测传感设备2和用于对轴向应变位置进行定位的定位设备3，应变检测传感设备2的数量为多个，多个应变检测传感设备2周向间隔均匀地紧贴在管道1的内管壁上并环绕在定位设备3的周围，多个应变检测传感设备2和定位设备3之间均通过软弹簧连接，定位设备3能带着应变检测传感设备2在管道1的内部移动，使得管道1的轴向应变检测过程可在管道1中完成，无需挖开管道1且不受管道1所处环境的影响，实现了管道1的轴向应变的无损检测，且该管道轴向应变检测装置在管道1内运行，从而实现对管道1的全覆盖式检测，使得管道1在空间上无检测盲区，还可以精确定位发生轴向应变的位置。

在本发明一个实施例中，弹性件的内部设有连接应变检测传感设备2和处理器301的通信导线，上述通信导线实现了应变检测传感设备2和处理器301之间的有线通信连接。

在本发明另一个实施例中，弹性件的内部没有设置通信导线，应变检测传感设备2和处理器301之间形成无线通信连接。

在本发明的一个实施例中，定位设备3为管道中心线内检测器，其可以准确地描述出管道1在空间中的形状，实现了对管道1的中心线位置的准确测量，有利于对管道1的轴向应变位置进行精准定位。

在本发明一个实施例中，管道轴向应变检测装置还包括：

信号放大器206，被配置成接收电压信号并对电压信号进行放大，以产生放大后的电压信号；

数据采集卡205，进一步被配置成：将放大后的电压信号转化为数字信号。

具体地，检测器输出的电压信号是毫伏级(即mV级)的，为更便利地对后续的数字信号进行分析，需要先将毫伏级的电压信号进行放大，并输出放大后的电压信号给数据采集卡205，为保证数据采集卡205能收到充分放大后的电压信号，信号放大器206的放大倍数范围为100倍-300倍，本实施例中将信号放大器206的放大倍数优选为200倍；进一步地，本实施例中的信号放大器206优选为LM358双运算放大器，其内部包含两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，可适用于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，且其噪声低、精度高，可近地测量，能较好地满足放大需求。

在本发明一个实施例中，处理器301被配置成接收数字信号并对数字信号进行分析，根据分析结果确定管道1的轴向应变状态包括：

处理器301，进一步被配置成：

对数字信号进行突变检测分析，根据突变检测分析结果确定管道1的轴向应变状态。

具体地，处理器301对接收到的数字信号进行分析时，是对数字信号的突变情况进行检测，再根据突变检测的结果判断管道1内部是否发生轴向应变。

在本发明一个实施例中，处理器301被配置成对数字信号进行突变检测分析，根据突变检测分析结果确定管道1的轴向应变状态包括：处理器301进一步被配置成：

判断数字信号的变化率是否超出预设变化率；

在数字信号的变化率超出预设变化率的情况下，对数字信号进行幅值检测，并根据幅值检测结果确定管道1发生轴向应变。

处理器301将接收到的数据进行绘制，可得到数字信号的曲线变化图，对上述数字信号的曲线变化图进行分析以确定数字信号的平稳状态，具体地，判断图中的数字信号是否在较短的预设时间范围内发生变化，即数字信号的变化率是否超出预设变化率，若数字信号的变化率没有超出预设变化率，则数字信号没有发生突变；若数字信号的变化率超出预设变化率，则需要进行下一步的分析，在根据下一步的分析结果判断管道1是否发生轴向应变。

在本发明一个实施例中，处理器301被配置成对数字信号进行幅值检测，并根据幅值检测结果确定管道1发生轴向应变包括：处理器301进一步被配置成：

判断变化率超出预设变化率的数字信号的幅值是否超出预设幅值范围；

在变化率超出预设变化率的数字信号的幅值超出预设幅值范围的情况下，确定管道1发生轴向应变。

在确定数字信号的变化率超出预设变化率后，对数字信号的变化率超出预设变化率的部分进行进一步分析，即判断该部分的幅值是否超出预设幅值范围，若该部分的幅值超出预设幅值范围，则确定管道1发生轴向应变；若该部分的幅值超出预设幅值范围，则确定数字信号发生了突变，进而确定管道1发生轴向应变；若该部分的幅值没有超出预设幅值范围，则确定数字信号没有发生突变，进而确定管道1没有发生轴向应变。

在本发明一个实施例中，磁化器203包括：

激励线圈2032，被配置成接收激励电流产生交变磁场；

第一磁芯2031，被配置成对交变磁场进行增强，以产生增强后的交变磁场；

检测器，进一步被配置成：

收集处于增强后的交变磁场的待检测管道1的内管壁表面因巴克豪森噪声引起的动态磁场信号，并将动态磁场信号转变成电压信号。

具体地，磁化器203包括第一磁芯2031和套设在第一磁芯2031外围以作为磁化线圈的激励线圈2032，为了保证管道1内管壁被测量部位的局部剧烈磁化而产生巴克豪森噪声，第一磁芯2031选用高磁导率、低电阻率、低铁损和叠装系数好的软磁性材料(-30Q120取向硅钢)制作，即将上述硅钢片进行切割、粘连以及叠装制成第一磁芯2031，激励线圈2032为缠绕在第一磁芯2031上的漆包线。

在本发明一个实施例中，检测器包括第二磁芯2041，巴克豪森噪声的频率处于第二磁芯2041的磁场变化频率范围内；检测器还包括检测线圈2042，巴克豪森噪声的频率处于检测线圈2042的频率响应范围内，以便检测器能由巴克豪森噪声引起的动态磁场信号进行顺畅地转换。

采用本实施例中的管道轴向应变检测装置对实际管道1进行测试时，处理器301绘制的数字信号的曲线变化图如图3-6所示，具体地：

图3对应的是管道1的第一检测区域，第一检测区域的第一管段的周壁上由于没有平底孔、矩形槽、焊缝的影响，数字信号的变化不大；后续当管道轴向应变检测装置经过具有焊缝、平底孔的第二管段时，数字信号产生突变(即数字信号的变化率超出预设变化率，且数字信号变化部分的幅值超出预设幅值范围)，在经过具有平底孔的第三管段时，也出现同样的规律，即数字信号产生突变；

图4对应的是管道1的第二检测区域，第二检测区域的第一管段的周壁上由于没有平底孔、矩形槽、焊缝的影响，数字信号较平稳；但后续当管道轴向应变检测装置经过具有矩形槽、焊缝区域时，数字信号产生突变形成一个波峰信号；在经过具有矩形槽的第三管段时，同样也产生突变形成一个波峰信号；

图5对应的是管道1的第三检测区域，管道轴向应变检测装置经过没有缺陷的第三检测区域的第一管段时，数字信号较平稳；但后续当管道轴向应变检测装置经过该检测区域具有焊缝区域的第二管段时，数字信号突变产生一个波峰波谷信号；

图6对应的是管道1的第四检测区域，管道轴向应变检测装置经过该检测区域具有矩形槽缺陷第一管段时，数字信号突变产生一个波谷信号；但后续当管道轴向应变检测装置经过该检测区域具有矩形槽、焊缝的第二管段时，数字信号突变产生一个波峰信号；在该检测区域的第三管段没有缺陷，数字信号较平稳。

本发明实施例提供的一种管道轴向应变检测装置，管道轴向应变检测装置包括信号发生器、功率放大器、磁化器、检测器、数据采集卡和处理器，信号发生器、功率放大器和磁化器依次作用产生了交变磁场，处于交变磁场中的管道内管壁产生巴克豪森噪声，并因巴克豪森噪声引起动态磁场信号，检测器收集动态磁场信号后将其转换电压信号，数据采集卡将电压信号转化为数字信号并将数字信号发送给处理器进行分析，处理器之后根据分析结果确定管道的轴向应变状态，该管道轴向应变检测装置在管道内运行，从而实现对管道的全覆盖式检测，使得管道在空间上无检测盲区，还可以精确定位发生轴向应变的位置；进一步地，使用该管道轴向应变检测装置也避免了开挖管道的过程，适用于条件恶劣地区(如山地、沼泽等)；此外，该管道轴向应变检测装置还实现了无损检测，灵敏度高，对复杂环境中管道的微小变形能够进行精准的测量，预防管道事故的发生。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种管道轴向应变检测装置，其特征在于，包括：

至少一个应变检测传感设备，包括：

信号发生器，被配置成产生并发出激励电流；

功率放大器，被配置成对所述激励电流进行放大，输出放大后的激励电流；

磁化器，被配置成响应于接收所述放大后的激励电流产生交变磁场；

检测器，被配置成收集处于所述交变磁场的待检测管道的内管壁表面因巴克豪森噪声引起的动态磁场信号，并将所述动态磁场信号转变成电压信号；

数据采集卡，被配置成将所述电压信号转化为数字信号；以及

处理器，被配置成接收所述数字信号，并对所述数字信号进行分析，根据分析结果确定所述管道的轴向应变状态。

2.根据权利要求1所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，所述管道轴向应变检测装置还包括用于对所述至少一个应变检测传感设备进行定位的定位设备，所述处理器和所述定位设备集成为一体或设置在所述定位设备内。

3.根据权利要求2所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，至少一个所述应变检测传感设备围绕所述定位设备周向间隔分布，并通过弹性件与所述定位设备连接；

所述定位设备用于可移动地设置在所述管道的内部，所述至少一个所述应变检测传感设备用于紧贴在所述管道的内管壁。

4.根据权利要求3所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，所述弹性件的内部设有连接所述应变检测传感设备和所述处理器的通信导线。

5.根据权利要求1所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，所述应变检测传感设备还包括：

信号放大器，被配置成接收所述电压信号并对所述电压信号进行放大，以产生放大后的电压信号；

所述数据采集卡，进一步被配置成：将所述放大后的电压信号转化为所述数字信号。

6.根据权利要求1所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，所述处理器被配置成接收所述数字信号并对所述数字信号进行分析，根据分析结果确定所述管道的轴向应变状态包括：

所述处理器，进一步被配置成：

对所述数字信号进行突变检测分析，根据突变检测分析结果确定所述管道的轴向应变状态。

7.根据权利要求6所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，所述处理器被配置成所述对所述数字信号进行突变检测分析，根据突变检测分析结果确定所述管道的轴向应变状态包括：所述处理器进一步被配置成：

判断所述数字信号的变化率是否超出预设变化率；

在所述数字信号的变化率超出所述预设变化率的情况下，对所述数字信号进行幅值检测，并根据幅值检测结果确定所述管道发生轴向应变。

8.根据权利要求7所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，所述处理器被配置成所述对所述数字信号进行幅值检测，并根据所述幅值检测结果确定所述管道发生轴向应变包括：所述处理器进一步被配置成：

判断所述变化率超出所述预设变化率的所述数字信号的幅值是否超出预设幅值范围；

在所述变化率超出所述预设变化率的所述数字信号的幅值超出所述预设幅值范围的情况下，确定所述管道发生轴向应变。

9.根据权利要求1所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，所述磁化器包括：

激励线圈，被配置成接收所述激励电流产生交变磁场；

第一磁芯，被配置成对所述交变磁场进行增强，以产生增强后的交变磁场；

检测器，进一步被配置成：

收集处于所述增强后的交变磁场的待检测管道的内管壁表面因巴克豪森噪声引起的动态磁场信号，并将所述动态磁场信号转变成电压信号。

10.根据权利要求8所述的管道轴向应变检测装置，其特征在于，所述检测器包括第二磁芯和检测线圈，所述巴克豪森噪声的频率处于所述第二磁芯的磁场变化频率范围内，所述巴克豪森噪声的频率处于所述检测线圈的频率响应范围内。

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