CN116735700A - 一种管道缺陷应力复合检测传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种管道缺陷应力复合检测传感器及检测方法，传感器包括保护壳；设置在保护壳内部的正交应力检测组件和磁感检测组件；分别与正交应力检测组件和磁感检测组件通讯连接的信号采集组件；与信号采集组件连接的复合检测计算组件；正交应力检测组件被配置为：当保护壳在待检测管道内沿预设方向运动时，分别获取待检测管道内周向和轴向的应力；根据周向的应力和轴向的应力生成应力信息；磁感检测组件被配置为：当保护壳在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，获取到感应电压并发送给信号采集组件。本发明通过提供上述传感器及方法，实现轴向及周向应力检测，并且引入非饱和磁化场，提高信号灵敏度。

Description

一种管道缺陷应力复合检测传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及电变量测量技术领域，特别涉及一种管道缺陷应力复合检测传感器及检测方法。

背景技术

石油天然气管道为金属材质，其受自身重量、内外载荷、材质老化、外界环境、和管道结构位移等内外因素极易产生应力集中，导致管道出现破裂泄露引发爆炸等。油气管道在制备及使用过程中不可避免的会产生应力，在应力高度集中区域，管道本身工作性能将会发生改变，极易发生脆性破裂。因此，及时、有效和快速识别管道应力集中状态并采取相应解决措施可以有效防止安全事故发生。

根据现有专利申请号为CN202010601924.2的一种磁致伸缩逆效应的管道应力检测探头及方法，介绍了一种管道应力检测传感器，其由线圈磁铁磁轭组成，通过检测线圈的电感来进行应力探测，但是该方法没有解决两个方向应力检测的问题。根据现有专利申请号为CN202210771103.2的一种长输管道应力测量设备，采用在管道上钻孔的方式，将信号采集单元设置在管道上，从而检测应变信号。该方法对管道破坏性较大，不利于管道的安全运行。

由此可见，目前的技术中已经有采用磁场测量的方式进行应力检测，但是对于轴向应力与周向应力区分及提高信号的灵敏度方面仍然缺少相关技术方案。

发明内容

本申请提供一种管道缺陷应力复合检测传感器及检测方法，以实现提高管道缺陷应力检测信号的灵敏度。

第一方面，本申请提供一种管道缺陷应力复合检测传感器，所述传感器包括：

保护壳；

设置在所述保护壳内部的正交应力检测组件和磁感检测组件；

分别与所述正交应力检测组件和磁感检测组件通讯连接的信号采集组件；

与所述信号采集组件连接的复合检测计算组件；

所述正交应力检测组件被配置为：

当保护壳在待检测管道内沿预设方向运动时，分别获取待检测管道内周向和轴向的应力；

根据所述周向的应力和所述轴向的应力生成应力信息；

所述磁感检测组件被配置为当保护壳在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，获取到感应电压并发送给所述信号采集组件；

所述信号采集组件被配置为：

获取所述应力信息；

整合所述应力信息和所述感应电压生成复合检测信号发送给所述复合检测计算组件；

所述复合检测计算组件被配置为根据所述复合检测信号判断出待检测管道内部的缺陷信息及待检测管道内部的剩余应力信息。

优选的，所述正交应力检测组件包括：

PCB支撑板；

分别设置在所述PCB支撑板上一侧两端的第一应力检测单元和第二应力检测单元，所述第一应力检测单元沿平行所述预设方向设置，所述第二应力检测单元沿垂直所述预设方向设置；

所述第一应力检测单元被配置为，当保护壳在待检测管道内沿预设方向运动时，获取待检测管道内周向应力；

所述第二应力检测单元被配置为，当保护壳在待检测管道内沿预设方向运动时，获取待检测管道内轴向应力。

优选的，所述磁感检测组件包括：

背铁；

分别设置在所述背铁上一侧两端的第一充磁单元和第二充磁单元；

缠绕在所述背铁上的磁感线圈，所述磁感线圈设置在所述第一充磁单元和所述第二充磁单元之间；

所述第一充磁单元被配置为当保护壳在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，沿垂直所述背铁向上的方向为待检测管道充磁；

所述第二充磁单元被配置为当保护壳在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，沿垂直所述背铁向下的方向为待检测管道充磁；

所述磁感线圈被配置为获取到感应电压并发送给所述信号采集组件。

优选的，所述第一应力检测单元包括互相平行设置的第一检测线圈和第一激励线圈；

所述第二应力检测单元包括互相平行设置的第二检测线圈和第二激励线圈。

优选的，所述第一充磁单元包括：

与所述背铁连接的第一磁轭；

设置在所述第一磁轭远离所述背铁一侧的第一磁铁；

所述第二充磁单元包括：

与所述背铁连接的第二磁轭；

设置在所述第二磁轭远离所述背铁一侧的第二磁铁。

优选的，所述正交应力检测组件与外部电源连接；

所述第一激励线圈和所述第二激励线圈并联在外部电源的两端；

所述第一检测线圈和所述第二检测线圈为串联结构；

所述正交应力检测组件还包括分别与所述第一检测线圈和所述第二检测线圈连接的电压检测单元；

所述电压检测单元被配置为：

获取所述第一检测线圈的电压；

获取所述第二检测线圈的电压；

获取所述第一检测线圈和所述第二检测线圈之间的差分电压。

优选的，所述电压检测单元包括：

并联在所述第一检测线圈两端的第一接收器；

并联在所述第二检测线圈两端的第二接收器；

所述第一接收器与所述第二接收器串联连接；

所述第一接收器被配置为获取所述第一检测线圈两端的电压；

所述第二接收器被配置为获取所述第二检测线圈两端的电压；

所述第一接收器和所述第二接收器共同获取所述第一检测线圈和所述第二检测线圈之间的差分电压。

优选的，所述正交应力检测组件与所述保护壳内部一侧连接，所述磁感检测组件与所述保护壳内部远离所述正交应力检测组件一侧连接。

优选的，所述保护壳内部充填有模具胶；

所述正交应力检测组件和所述磁感检测组件通过模具胶与所述保护壳连接。

第二方面，本申请提供一种管道缺陷应力复合检测方法，所述检测方法包括：

分别获取待检测管道内部的周向应力和轴向应力；

整合周向应力和轴向应力得到应力信息；

当待检测管道内部存在缺陷时，获取经过缺陷时的感应电压；

整合所述应力信息和所述感应电压得到复合检测信号；

根据所述复合检测信号、所述应力信息或所述感应电压判断出待检测管道内部的缺陷信息及待检测管道内部的剩余应力信息。

本申请提供的管道缺陷应力复合检测传感器及方法的有益效果如下：

1、通过引入两组检测线圈，能够实现两个方向应力的准确测量。

2、通过引入磁轭及磁铁结构，消除了管道剩磁对应力传感器输出的影响，从而提高了应力检测的准确性。

3、使得传感器具备了对管道两个方向应力检测及缺陷的同时检出的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种管道缺陷应力复合检测传感器的结构示意图；

图2为管道应力检测中管道内部的设备结构示意图；

图3为图2中A-A处的剖面图；

图4为图2中第一激励线圈和第二激励线圈的电路示意图；

图5为图2中第一接收器、第二接收器、第一检测线圈与第二检测线圈的电路示意图；

图6为本申请一种管道缺陷应力复合检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

参考图1、图2和图3可知，本实施例提供一种管道缺陷应力复合检测传感器，所述传感器包括：

保护壳3；

设置在所述保护壳3内部的正交应力检测组件1和磁感检测组件2；

分别与所述正交应力检测组件1和磁感检测组件2通讯连接的信号采集组件4；

与所述信号采集组件4连接的复合检测计算组件5。

具体的，在本实施例中，所述保护壳3起到保护内部元件的作用，其中所述保护壳3的安装方式包括：

示例性的，所述正交应力检测组件1与所述保护壳3内部一侧连接，所述磁感检测组件2与所述保护壳3内部远离所述正交应力检测组件1一侧连接，通过将所述正交应力检测组件1和所述磁感检测组件2分别连接在所述保护壳3的内部，实现对其的加固，并且，通过这样的方式还可以实现当部分元件出现故障或损坏时，可以通过开启所述保护壳3进行维修或更换，以此提升每个元件的利用效率。

示例性的，所述保护壳3内部充填有模具胶，所述正交应力检测组件1和所述磁感检测组件2通过模具胶与所述保护壳3连接，通过在所述保护壳3内部充填有模具胶，使所述正交应力检测组件1和所述磁感检测组件2与所述保护壳3之间的空隙被完全填满，避免了因振动导致的元件脱落的问题，提升了整体传感器的稳定性。

具体的，在本实施例中，所述正交应力检测组件1起到获取轴向应力及周向应力的作用，所述磁感检测组件2起到获取待检测管道内部缺陷位置的磁通量变化。

具体的，在本实施例中，所述信号采集组件4与所述复合检测计算组件5为通讯连接。

需要说明的是，考虑到待检测管道存在密闭的情况，也可在所述保护壳3上设置储存组件，以此获取到管道检测过程中产生的信息。

所述正交应力检测组件1被配置为：

当保护壳3在待检测管道内沿预设方向运动时，分别获取待检测管道内周向和轴向的应力；

根据所述周向的应力和所述轴向的应力生成应力信息。

具体的，在本实施例中，获取待检测管道内周向和轴向的应力由所述正交应力检测组件1完成，具体完成获取待检测管道内周向和轴向的应力由所述正交应力检测组件1中以下结构实现：

所述正交应力检测组件1包括PCB支撑板11和分别设置在所述PCB支撑板11上一侧两端的第一应力检测单元12和第二应力检测单元13，所述第一应力检测单元12沿平行所述预设方向设置，所述第二应力检测单元13沿垂直所述预设方向设置，其中，所述第一应力检测单元12用于当保护壳3在待检测管道内沿预设方向运动时，获取待检测管道内周向应力，所述第二应力检测单元13用于当保护壳3在待检测管道内沿预设方向运动时，获取待检测管道内轴向应力。

其中，所述第一应力检测单元12和所述第二应力检测单元13的内部结构如下：

所述第一应力检测单元12包括互相平行设置的第一检测线圈121和第一激励线圈122，所述第二应力检测单元13包括互相平行设置的第二检测线圈131和第二激励线圈132，其中，所述第一激励线圈122和所述第二激励线圈132起到提供感应电流的作用，所述第一检测线圈121和所述第二检测线圈131分别用于获取周向应力和轴向应力的作用，以此实现两个方向应力的准确测量，从而提供管道内部应力检测的准确性。

所述PCB支撑板11起到支撑和安置所述第一应力检测单元12和所述第二应力检测单元13的作用。

需要说明的是，一般应用在管道内检测中的正交应力检测组件1需要与管道间有一定提离，从而保证正交应力检测组件1在运行过程中能够实现在线测量，在本实施例中，当传感器中的正交应力检测组件1以2mm提离运行时，通过所述磁感检测组件2的设置，使待检测管道处于非饱和状态，在该状态下，应力引起的管道本构关系的磁导率变化最大，从而保证正交应力检测组件1采集到的信号变化最强，以此来保证有一定提离时，正交应力检测组件1能够正常工作，通过所述磁感检测组件2来提升所述正交应力检测组件1的应力检测灵敏度。

所述磁感检测组件2被配置为当保护壳3在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，获取到感应电压并发送给所述信号采集组件4。

具体的，在本实施例中，所述磁感检测组件2起到获取待检测管道内部缺陷的磁通量的变化，并以此实现双渠道的对待检测管道内部进行缺陷检测。

需说明的是，所述磁感检测组件2实现待检测管道处于非饱和状态的具体结构如下：

所述磁感检测组件2包括背铁21、分别设置在所述背铁21上一侧两端的第一充磁单元22和第二充磁单元23和缠绕在所述背铁21上的磁感线圈24，所述磁感线圈24设置在所述第一充磁单元22和所述第二充磁单元23之间，所述第一充磁单元22被配置为当保护壳3在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，沿垂直所述背铁21向上的方向为待检测管道充磁，所述第二充磁单元23被配置为当保护壳3在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，沿垂直所述背铁21向下的方向为待检测管道充磁。

其中，具体的，所述磁感检测组件2保证正交应力检测组件1采集到的信号变化最强的实现结构为：

所述第一充磁单元22包括与所述背铁21连接的第一磁轭221和设置在所述第一磁轭221远离所述背铁21一侧的第一磁铁222，所述第二充磁单元23包括与所述背铁21连接的第二磁轭231和设置在所述第二磁轭231远离所述背铁21一侧的第二磁铁232，通过引入磁轭及磁铁结构，消除了待检测管道内剩磁对应力传感器输出的影响，从而提高了应力检测的准确性。

所述磁感线圈24被配置为获取到感应电压并发送给所述信号采集组件4。

所述信号采集组件4被配置为：

获取所述应力信息；

整合所述应力信息和所述感应电压生成复合检测信号发送给所述复合检测计算组件5；

所述复合检测计算组件5被配置为根据所述复合检测信号判断出待检测管道内部的缺陷信息及待检测管道内部的剩余应力信息。

具体的，在本实施例中，通过所述信号采集组件4和所述复合检测计算组件5之间的通讯连接，实现待检测管道内部的信息的远程检测，优化了管道内部检测的效率。

参考图4可知，进一步的，在一些实施例中，具体的实现双向检测应力的实现电路图的解释如下：

所述正交应力检测组件1与外部电源连接，所述第一激励线圈122和所述第二激励线圈132并联在外部电源的两端，所述第一检测线圈121和所述第二检测线圈131为串联结构，所述正交应力检测组件1还包括分别与所述第一检测线圈121和所述第二检测线圈131连接的电压检测单元14，所述电压检测单元14被配置为获取所述第一检测线圈121的电压、获取所述第二检测线圈131的电压和获取所述第一检测线圈121和所述第二检测线圈131之间的差分电压，其中所述正交应力检测组件1的具体工作原理如下：

（1）所述第一激励线圈122与所述第二激励线圈132与电源并联，电源给定电压V，电源频率≥3kHz。

（2）正交分布的所述第一激励线圈122与所述第二激励线圈132产生的交变磁场与管道构成闭合回路。

（3）当待检测管道中存在应力时，所述第一检测线圈121有信号变化代表管道中存在周向应力，所述第二检测线圈131有信号变化代表管道中存在轴向应力。

（4）当传感器经过缺陷时，磁感线圈24中产生感应电压，代表传感器检测到管道缺陷。

参考图5可知，进一步的，在一些实施例中，所述电压检测单元14实现获取各项电压的电路图的解释如下：

所述电压检测单元14包括，并联在所述第一检测线圈121两端的第一接收器141和并联在所述第二检测线圈131两端的第二接收器142，所述第一接收器141与所述第二接收器142串联连接，所述第一接收器141被配置为获取所述第一检测线圈121两端的电压，所述第二接收器142被配置为获取所述第二检测线圈131两端的电压，所述第一接收器141和所述第二接收器142共同获取所述第一检测线圈121和所述第二检测线圈131之间的差分电压。

具体的，在本实施例中，通过所述第一接收器141获取到所述第一检测线圈121两端的电压，通过所述第二接收器142获取到所述第二检测线圈131两端的电压，将所述第一检测线圈121和第二检测线圈131看作为第一整体，将所述第一接收器141和所述第二接收器142看作为第二整体，通过所述第一整体和第二整体之间的并联，实现获取所述第一检测线圈121和所述第二检测线圈131之间的差分电压，并以此检测出应力的存在。

需要说明的是，整合所述周向的应力和所述轴向的应力生成应力信息由所述电压检测单元14完成。

参考图6可知，进一步的，本实施例还提供一种管道缺陷应力复合检测方法，所述检测方法包括：

S100，分别获取待检测管道内部的周向应力和轴向应力；

S200，整合周向应力和轴向应力得到应力信息。

具体的，在本实施例中，获取待检测管道内部的周向应力和轴向应力及整合周向应力和轴向应力得到应力信息由正交应力检测组件完成，通过获取待检测管道内部的周向应力和轴向应力，实现两个方向应力的准确测量，从而提供管道内部应力检测的准确性。

所述方法还包括：

S300，当待检测管道内部存在缺陷时，获取经过缺陷时的感应电压；

S400，整合所述应力信息和所述感应电压得到复合检测信号；

S500，根据所述复合检测信号、所述应力信息或所述感应电压判断出待检测管道内部的缺陷信息及待检测管道内部的剩余应力信息。

具体的，在本实施例中，获取缺陷部位的感应电压由磁感检测组件完成，通过管道内部的应力检测及感应电压检测的双渠道对管道内部情况进行检测，提升了检测结果的置信度，并缩短了缺陷确认的时间。

需要说明的是，本实施例中提供的所述正交应力检测组件和所述磁感检测组件构成的整体可看作成传感器。

Claims (10)

1.一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述传感器包括：

保护壳（3）；

设置在所述保护壳（3）内部的正交应力检测组件（1）和磁感检测组件（2）；

分别与所述正交应力检测组件（1）和磁感检测组件（2）通讯连接的信号采集组件（4）；

与所述信号采集组件（4）连接的复合检测计算组件（5）；

所述正交应力检测组件（1）被配置为：

当保护壳（3）在待检测管道内沿预设方向运动时，分别获取待检测管道内周向和轴向的应力；

根据所述周向的应力和所述轴向的应力生成应力信息；

所述磁感检测组件（2）被配置为当保护壳（3）在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，获取到感应电压并发送给所述信号采集组件（4）；

所述信号采集组件（4）被配置为：

获取所述应力信息；

整合所述应力信息和所述感应电压生成复合检测信号发送给所述复合检测计算组件（5）；

所述复合检测计算组件（5）被配置为根据所述复合检测信号判断出待检测管道内部的缺陷信息及待检测管道内部的剩余应力信息。

2.根据权利要求1所述的一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述正交应力检测组件（1）包括：

PCB支撑板（11）；

分别设置在所述PCB支撑板（11）上一侧两端的第一应力检测单元（12）和第二应力检测单元（13），所述第一应力检测单元（12）沿平行所述预设方向设置，所述第二应力检测单元（13）沿垂直所述预设方向设置；

所述第一应力检测单元（12）被配置为，当保护壳（3）在待检测管道内沿预设方向运动时，获取待检测管道内周向应力；

所述第二应力检测单元（13）被配置为，当保护壳（3）在待检测管道内沿预设方向运动时，获取待检测管道内轴向应力。

3.根据权利要求1所述的一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述磁感检测组件（2）包括：

背铁（21）；

分别设置在所述背铁（21）上一侧两端的第一充磁单元（22）和第二充磁单元（23）；

缠绕在所述背铁（21）上的磁感线圈（24），所述磁感线圈（24）设置在所述第一充磁单元（22）和所述第二充磁单元（23）之间；

所述第一充磁单元（22）被配置为当保护壳（3）在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，沿垂直所述背铁（21）向上的方向为待检测管道充磁；

所述第二充磁单元（23）被配置为当保护壳（3）在待检测管道内沿预设方向运动遇到管道内部缺陷时，沿垂直所述背铁（21）向下的方向为待检测管道充磁；

所述磁感线圈（24）被配置为获取到感应电压并发送给所述信号采集组件（4）。

4.根据权利要求2所述的一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述第一应力检测单元（12）包括互相平行设置的第一检测线圈（121）和第一激励线圈（122）；

所述第二应力检测单元（13）包括互相平行设置的第二检测线圈（131）和第二激励线圈（132）。

5.根据权利要求3所述的一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述第一充磁单元（22）包括：

与所述背铁（21）连接的第一磁轭（221）；

设置在所述第一磁轭（221）远离所述背铁（21）一侧的第一磁铁（222）；

所述第二充磁单元（23）包括：

与所述背铁（21）连接的第二磁轭（231）；

设置在所述第二磁轭（231）远离所述背铁（21）一侧的第二磁铁（232）。

6.根据权利要求4所述的一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述正交应力检测组件（1）与外部电源连接；

所述第一激励线圈（122）和所述第二激励线圈（132）并联在外部电源的两端；

所述第一检测线圈（121）和所述第二检测线圈（131）为串联结构；

所述正交应力检测组件（1）还包括分别与所述第一检测线圈（121）和所述第二检测线圈（131）连接的电压检测单元（14）；

所述电压检测单元（14）被配置为：

获取所述第一检测线圈（121）的电压；

获取所述第二检测线圈（131）的电压；

获取所述第一检测线圈（121）和所述第二检测线圈（131）之间的差分电压。

7.根据权利要求6所述的一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述电压检测单元（14）包括：

并联在所述第一检测线圈（121）两端的第一接收器（141）；

并联在所述第二检测线圈（131）两端的第二接收器（142）；

所述第一接收器（141）与所述第二接收器（142）串联连接；

所述第一接收器（141）被配置为获取所述第一检测线圈（121）两端的电压；

所述第二接收器（142）被配置为获取所述第二检测线圈（131）两端的电压；

所述第一接收器（141）和所述第二接收器（142）共同获取所述第一检测线圈（121）和所述第二检测线圈（131）之间的差分电压。

8.根据权利要求1所述的一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述正交应力检测组件（1）与所述保护壳（3）内部一侧连接，所述磁感检测组件（2）与所述保护壳（3）内部远离所述正交应力检测组件（1）一侧连接。

9.根据权利要求1所述的一种管道缺陷应力复合检测传感器，其特征在于，所述保护壳（3）内部充填有模具胶；

所述正交应力检测组件（1）和所述磁感检测组件（2）通过模具胶与所述保护壳（3）连接。

10.一种管道缺陷应力复合检测方法，其特征在于，所述方法适用于权利要求1至9任意一项所述管道缺陷应力复合检测传感器，所述检测方法包括：

分别获取待检测管道内部的周向应力和轴向应力；

整合周向应力和轴向应力得到应力信息；

当待检测管道内部存在缺陷时，获取经过缺陷时的感应电压；

整合所述应力信息和所述感应电压得到复合检测信号；

根据所述复合检测信号、所述应力信息或所述感应电压判断出待检测管道内部的缺陷信息及待检测管道内部的剩余应力信息。