CN117607243A - 一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法，所述方法包括：对交叉管道焊缝磁化强度数据进行采集，绘制交叉管道焊缝磁化强度曲线并进行去噪，将去噪后的磁化强度曲线基于模型计算，得出磁记忆磁场强度，消除管道内压和地磁场对磁记忆磁场强度的影响，提取消除管道内压和地磁场后的磁记忆磁场强度特征并对焊缝缺陷进行定位与量化。本发明通过对交叉管道焊缝的磁记忆进行采集，通过去噪、对缺陷定位并对缺陷量化，使得对交叉管道焊缝的检测效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法。
背景技术
铁磁性金属零件在加工和运行时，由于受载荷和地磁场共同作用，在应力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关。金属构件表面的这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集中的位置，即所谓的磁记忆效应。当处于地磁场环境中的铁磁性构件受到外部载荷作用时，在应力集中区域会产生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，该部位会出现磁畴的固定节点，产生磁极，形成退磁场，从而使此处铁磁金属的导磁率最小，在金属表面形成漏磁场。该漏磁场强度的切向分量具有最大值，而法向分量改变符号并具有零值。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后依然保留“记忆”着应力集中的位置。基于金属磁记忆效应的基本原理制作的检测仪器，通过记录垂直于金属构件表面的磁场强度分量沿某一方向的分布情况，可以对构件的应力集中程度以及是否存在微观缺陷进行评价。
如授权公告号为CN102288673B的中国专利公开了一种金属磁记忆定量检测方法，所述方法包括：利用描述固态微结构演变、微弹性特性的相场方法，综合考虑铁磁构件外应力、地磁场和内应力集中对应的能量多样性，通过磁畴演化、结构微弹性理论，建立外应力与构件内磁性源和应力集中的定量对应关系。同时，考虑应力集中区周围磁性材料特性，建立磁性源与表面漏磁场的定量关系。从而有效地将微观与宏观结合起来，建立了外应力、铁磁构件内的磁性源、构件内应力集中和漏磁场四者之间的相互作用关系。当给定铁磁构件材料属性、宏观材料参数和外应力，根据测得的漏磁场信号，便可定量确定铁磁构件内磁性源的磁化强度和应力集中区的特征应力。
如授权公告号为CN115219584B的中国专利公开了一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，所述方法包括：对铁磁性材料试件进行退磁预处理；测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量；测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量，获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图；获取单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图和单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图；获取单个应力周期磁记忆信号面积时序图，实时监测单个应力周期磁记忆信号面积时序图的变化特征，评价铁磁性材料的损伤状态。
以上专利均存在本背景技术提出的问题：交叉管道焊缝区域与普通管道荷磁密度不同，根据磁传感器测得的数据绘制得到的磁记忆曲线，会存在一定的噪声，而且管道内压与地磁场会对磁记忆曲线造成影响，更会影响缺陷定位与量化的准确性。为了解决这些问题，本申请设计了一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：对交叉管道焊缝磁化强度数据进行采集；
步骤S2：绘制交叉管道焊缝磁化强度曲线并进行去噪；
步骤S3：将去噪后的磁化强度曲线基于模型计算，得出磁记忆磁场强度；
步骤S4：消除管道内压和地磁场对磁记忆磁场强度的影响；
步骤S5：提取消除管道内压和地磁场后的磁记忆磁场强度特征并对焊缝缺陷进行定位与量化。
进一步地，步骤S2具体步骤如下：
步骤S2.1：根据交叉管道焊缝磁化强度数据绘制磁化强度曲线；
步骤S2.2：将磁化强度曲线依据尺度和频率分解为分量；
步骤S2.3：计算基于小波去噪的阈值T，计算公式为：
其中，k表示分解层数，N表示信号的长度，σ表示噪声的标准误差；
步骤S2.4：基于阈值T计算分量系数，计算公式为：
其中，λT表示计算后得出的分量系数，λ表示初始的分量系数，G表示约束系数，计算公式为：G＝|λ-T|/g，g表示约束常数；
步骤S2.5：基于分量系数λT对分量进行合成，得出去噪后的磁化强度曲线。
进一步地，步骤S3具体步骤如下：
步骤S3.1：计算交叉管道焊缝荷磁密度ρh，计算公式为：
ρh＝μ*X*(αMy+(1-α)Mn)，
其中，ρh表示交叉管道焊缝荷磁密度，α表示轴向变体的相对含量，My表示材料易磁化方向的磁化强度，Mn表示材料难磁化方向的磁化强度，μ表示材料的磁导率，X表示马氏体相变体积分数；
步骤S3.2：计算交叉管道焊缝的磁记忆磁场强度Hh，计算公式为：
其中，Hh表示焊缝的磁记忆磁场强度，d表示焊缝的宽度，r1和r2分别表示管道焊缝区域内外壁的半径，x0表示焊缝区域任一点的横坐标，x和y分别表示关于焊缝区域横坐标与纵坐标的变量。
进一步地，步骤S4具体步骤如下：
步骤S4.1：设定交叉管道截面积为A、管道内流体密度为ρl和流体流速为v；
步骤S4.2：计算交叉管道的内压P，计算公式为：
其中，P表示交叉管道的内压，P0表示大气压强，ρl表示管道内流体密度，v表示管道内流体流速，A表示交叉管道的截面积；
步骤S4.3：计算输出的磁场强度H，计算公式为：
H＝Hh-P*ε-H0，
其中，H表示输出的磁场强度，Hh表示焊缝的磁记忆磁场强度，ε表示交叉管道内压对磁记忆磁场强度的影响系数，H0表示地磁场对磁记忆磁场强度的影响量。
进一步地，步骤S5具体步骤如下：
步骤S5.1：提取磁记忆磁场强度的特征，计算公式为：
K＝H',Ka＝average(K),
其中，K表示磁场强度梯度，H'表示输出磁场强度的导数，Ka表示磁场强度梯度在设定长度区间内的平均值，average表示求平均值函数，SK表示磁场强度梯度曲线与坐标轴围成的面积，b1和b2分别表示采样区间的端点；
步骤S5.2：在焊缝部位定位到缺陷所在区域，约束条件为：
其中，Ka.all表示所测焊缝的磁场强度梯度平均值，SK.all表示所测焊缝的磁场强度梯度曲线所围面积平均值，满足约束条件时判定该采样区域为缺陷区域；
步骤S5.3：根据磁记忆磁场强度的特征对缺陷进行量化，计算公式为：
kd＝0.871Ka-1.31，
sd＝1.145ln(Ka-6.156)，
其中，kd表示缺陷宽度，与磁场强度梯度呈线性相关，sd表示缺陷深度，与磁场强度梯度呈对数相关。
一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统，包括：
磁场采集模块，用于对交叉管道焊缝的磁化强度进行采集；
供电模块，用于为整个系统提供电量；
信号去噪模块，用于绘制交叉管道焊缝磁化强度曲线并进行去噪；
信息处理模块，用于存储去噪后的磁化强度曲线并计算磁记忆磁场强度；
磁场消除模块，用于消除管道内压和地磁场对磁记忆磁场强度的影响；
缺陷定位量化模块，用于对交叉管道焊缝的缺陷进行定位与量化。
进一步地，磁场采集模块，包括：
磁传感器，用于采集交叉管道焊缝的磁化强度；
多通道同步采样ADC，用于将在时间和幅度上都连续的模拟信号转换成时间上离散、幅度上量化的数字信号；
微处理器，采集计算磁传感器的姿态，如果磁传感器姿态发生不符合测试要求的变化时，将该数据作废；
RS485接口，用于传输采集的交叉管道焊缝的磁化强度。
一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法。
一种电子设备，包括处理器和存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提出的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法，通过磁检测系统对交叉管道焊缝磁化强度数据进行采集，并使用模型将焊缝磁化强度数据绘制成磁记忆信号曲线，能准确描述整个焊缝的磁荷分布，提高磁记忆曲线的精准度。
2.本发明提出的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法，通过对根据磁传感器测得的数据绘制的磁记忆曲线进行去噪，可以提高信号曲线的平滑度以及可靠性，使得曲线特征提取更加精确。
3.本发明提出的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法，通过计算交叉管道的内压，并消除管道内压和地磁场对磁记忆信号曲线的影响，提高磁记忆曲线的精准程度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法材料磁化轴图；
图3为本发明实施例2的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统模块图；
图4为本发明实施例3的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统磁场采集模块结构图；
图5为本发明实施例4的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统电源模块结构图；
图6为本发明实施例5的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统磁探测棒结构图；
图7为本发明实施例6的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统电子设备图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
请参阅图1，本发明提供的一种实施例：一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：对交叉管道焊缝磁化强度数据进行采集；
步骤S2：绘制交叉管道焊缝磁化强度曲线并进行去噪；
步骤S3：将去噪后的磁化强度曲线基于模型计算，得出磁记忆磁场强度；
步骤S4：消除管道内压和地磁场对磁记忆磁场强度的影响；
步骤S5：提取消除管道内压和地磁场后的磁记忆磁场强度特征并对焊缝缺陷进行定位与量化。
步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S2.1：根据交叉管道焊缝磁化强度数据绘制磁化强度曲线；
步骤S2.2：将磁化强度曲线依据尺度和频率分解为分量；
步骤S2.3：计算基于小波去噪的阈值T，计算公式为：
其中，k表示分解层数，N表示信号的长度，σ表示噪声的标准误差；
步骤S2.4：基于阈值T计算分量系数，计算公式为：
其中，λT表示计算后得出的分量系数，λ表示初始的分量系数，G表示约束系数，计算公式为：G＝|λ-T|/g，g表示约束常数；
步骤S2.5：基于分量系数λT对分量进行合成，得出去噪后的磁化强度曲线。
步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S3.1：请参阅图2，管道材料受力后，根据磁致伸缩理论，管道材料受力会发生形变，产生易磁化轴My和难磁化轴Mn，计算交叉管道焊缝荷磁密度ρh，计算公式为：
ρh＝μ*X*(αMy+(1-α)Mn)，
其中，ρh表示交叉管道焊缝荷磁密度，α表示轴向变体的相对含量，My表示材料易磁化方向的磁化强度，Mn表示材料难磁化方向的磁化强度，μ表示材料的磁导率，X表示马氏体相变体积分数；
步骤S3.2：计算交叉管道焊缝的磁记忆磁场强度Hh，计算公式为：
其中，Hh表示焊缝的磁记忆磁场强度，d表示焊缝的宽度，r1和r2分别表示管道焊缝区域内外壁的半径，x0表示焊缝区域任一点的横坐标，x和y分别表示关于焊缝区域横坐标与纵坐标的变量。
步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S4.1：设定交叉管道截面积为A、管道内流体密度为ρl和流体流速为v；
步骤S4.2：计算交叉管道的内压P，计算公式为：
其中，P表示交叉管道的内压，P0表示大气压强，ρl表示管道内流体密度，v表示管道内流体流速，A表示交叉管道的截面积；
步骤S4.3：计算输出的磁场强度H，计算公式为：
H＝Hh-P*ε-H0，
其中，H表示输出的磁场强度，Hh表示焊缝的磁记忆磁场强度，ε表示交叉管道内压对磁记忆磁场强度的影响系数，H0表示地磁场对磁记忆磁场强度的影响量。
步骤S5具体包括以下步骤：
步骤S5.1：通过曲线提取磁记忆磁场强度的特征，计算公式为：
K＝H',Ka＝average(K),
其中，K表示磁场强度梯度，H'表示输出磁场强度的导数，Ka表示磁场强度梯度在设定长度区间内的平均值，average表示求平均值函数，SK表示磁场强度梯度曲线与坐标轴围成的面积，b1和b2分别表示采样区间的端点；
步骤S5.2：在焊缝部位定位到缺陷所在区域，约束条件为：
其中，Ka.all表示所测焊缝的磁场强度梯度平均值，SK.all表示所测焊缝的磁场强度梯度曲线所围面积平均值，满足约束条件时判定该采样区域为缺陷区域；
步骤S5.3：磁场梯度与缺陷宽度关系和磁场梯度与缺陷深度关系，在4个焊缝缺陷的位置有峰值出现，准确反映了深度的缺陷位置，磁场梯度不仅准确反映了缺陷的位置，而且随着缺陷深度和宽度增加，磁场梯度峰值也增加，反映出缺陷变化，由图可见磁场梯度与缺陷深度呈对数关系，磁场梯度与缺陷深度呈对数关系，根据磁记忆磁场强度的特征对缺陷进行量化，计算公式为：
kd＝0.871Ka-1.31，
sd＝1.145ln(Ka-6.156)，
其中，kd表示缺陷宽度，与磁场强度梯度呈线性相关，sd表示缺陷深度，与磁场强度梯度呈对数相关。
实施例2
请参阅图3，本发明提供的一种实施例：一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统模块图，包括：
磁场采集模块，用于对交叉管道焊缝的磁化强度进行采集；
供电模块，用于为整个系统提供电量；
信号去噪模块，用于绘制交叉管道焊缝磁化强度曲线并进行去噪；
信息处理模块，用于存储去噪后的磁化强度曲线并计算磁记忆磁场强度；
磁场消除模块，用于消除管道内压和地磁场对磁记忆磁场强度的影响；
缺陷定位量化模块，用于对交叉管道焊缝的缺陷进行定位与量化。
实施例3
请参阅图4，本发明提供的一种实施例：一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统磁场采集模块结构图，包括：
磁传感器，用于采集交叉管道焊缝的磁化强度；
多通道同步采样ADC，用于将在时间和幅度上都连续的模拟信号转换成时间上离散、幅度上量化的数字信号；
微处理器，采集计算磁传感器的姿态，如果磁传感器姿态发生不符合测试要求的变化时，将该数据作废；
RS485接口，用于传输采集的交叉管道焊缝的磁化强度。
实施例4
请参阅图5，本发明提供的一种实施例：一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统电源模块结构图，包括：采用两组14.8V聚合物电池组来构建具有正负输出的电源系统，再经过两个高噪声抑制比的LDO获得12V的直流电源，为磁传感器和相应的信号调理电路供电；磁测量部分的ADC系统和微处理器系统的电源由12V电源，再经过LDO后得到的5V直流电源进行供电，姿态传感的电路由微处理器系统的5V直流电源进行供电；信号去噪模块、信息处理模块、磁场消除模块和缺陷定位量化模块的电源则直接由电池组14.8V电压输出经过高噪声抑制比的LDO后获取。
实施例5
请参阅图6，本发明提供的一种实施例：一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统磁探测棒结构图，包括：磁探测棒包括磁传感器1和磁传感器5，法兰2，微处理器3，延长节4，磁探测棒主要采用电木、尼龙和碳纤维材料加工制作；采用多段式延长节4的连接方案，每段延长节4之间通过法兰2形式连接；承载磁传感器1和磁传感器5的元件通过延长节4连接，每个延长节4长度可调；磁探测棒中间安装微处理器3，用于采集计算磁传感器的姿态。通过采用电木、尼龙或碳纤维等非金属材料加工制作，避免探测设备自身干扰周围磁信号，影响传感器对管道磁信号的检测；承载传感器的部件通过延长节4连接，每个延长节4长度可调，从而实现探棒长度的可延展功能，实现不同直径管道磁信号的勘测功能。
本发明提供的一种实施例：一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一项所述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统和方法。
实施例6
请参阅图7，本发明提供的一种实施例：一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统电子设备图，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：对交叉管道焊缝磁化强度数据进行采集；
步骤S2：绘制交叉管道焊缝磁化强度曲线并进行去噪；
步骤S3：将去噪后的磁化强度曲线基于模型计算，得出磁记忆磁场强度；
步骤S4：消除管道内压和地磁场对磁记忆磁场强度的影响；
步骤S5：提取消除管道内压和地磁场后的磁记忆磁场强度特征并对焊缝缺陷进行定位与量化。
2.根据权利要求1所述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S2.1：根据交叉管道焊缝磁化强度数据绘制磁化强度曲线；
步骤S2.2：将磁化强度曲线依据尺度和频率分解为分量；
步骤S2.3：计算基于小波去噪的阈值T，计算公式为：
其中，k表示分解层数，N表示信号的长度，σ表示噪声的标准误差；
步骤S2.4：基于阈值T计算分量系数，计算公式为：
其中，λT表示计算后得出的分量系数，λ表示初始的分量系数，G表示约束系数，计算公式为：G＝|λ-T|/g，g表示约束常数；
步骤S2.5：基于分量系数λT对分量进行合成，得出去噪后的磁化强度曲线。
3.根据权利要求2所述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S3.1：计算交叉管道焊缝荷磁密度ρh，计算公式为：
ρh＝μ*X*(αMy+(1-α)Mn)，
其中，ρh表示交叉管道焊缝荷磁密度，α表示轴向变体的相对含量，My表示材料易磁化方向的磁化强度，Mn表示材料难磁化方向的磁化强度，μ表示材料的磁导率，X表示马氏体相变体积分数；
步骤S3.2：计算交叉管道焊缝的磁记忆磁场强度Hh，计算公式为：
其中，Hh表示焊缝的磁记忆磁场强度，d表示焊缝的宽度，r1和r2分别表示管道焊缝区域内外壁的半径，x0表示焊缝区域任一点的横坐标，x和y分别表示关于焊缝区域横坐标与纵坐标的变量。
4.根据权利要求3所述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S4.1：设定交叉管道截面积为A、管道内流体密度为ρl和流体流速为v；
步骤S4.2：计算交叉管道的内压P，计算公式为：
其中，P表示交叉管道的内压，P0表示大气压强，ρl表示管道内流体密度，v表示管道内流体流速，A表示交叉管道的截面积；
步骤S4.3：计算输出的磁场强度H，计算公式为：
H＝Hh-P*ε-H0，
其中，H表示输出的磁场强度，Hh表示焊缝的磁记忆磁场强度，ε表示交叉管道内压对磁记忆磁场强度的影响系数，H0表示地磁场对磁记忆磁场强度的影响量。
5.根据权利要求4所述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：
步骤S5.1：提取磁记忆磁场强度的特征，计算公式为：
K＝H',Ka＝average(K),
其中，K表示磁场强度梯度，H'表示输出磁场强度的导数，Ka表示磁场强度梯度在设定长度区间内的平均值，average表示求平均值函数，SK表示磁场强度梯度曲线与坐标轴围成的面积，b1和b2分别表示采样区间的端点；
步骤S5.2：在焊缝部位定位到缺陷所在区域，约束条件为：
其中，Ka.all表示所测焊缝的磁场强度梯度平均值，SK.all表示所测焊缝的磁场强度梯度曲线所围面积平均值，满足约束条件时判定该采样区域为缺陷区域；
步骤S5.3：根据磁记忆磁场强度的特征对缺陷进行量化，计算公式为：
kd＝0.871Ka-1.31，
sd＝1.145ln(Ka-6.156)，
其中，kd表示缺陷宽度，与磁场强度梯度呈线性相关，sd表示缺陷深度，与磁场强度梯度呈对数相关。
6.一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统，其基于权利要求1-5中任一项所述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法实现，其特征在于，所述系统包括：
磁场采集模块，用于对交叉管道焊缝的磁化强度进行采集；
供电模块，用于为整个系统提供电量；
信号去噪模块，用于绘制交叉管道焊缝磁化强度曲线并进行去噪；
信息处理模块，用于存储去噪后的磁化强度曲线并计算磁记忆磁场强度；
磁场消除模块，用于消除管道内压和地磁场对磁记忆磁场强度的影响；
缺陷定位量化模块，用于对交叉管道焊缝的缺陷进行定位与量化。
7.根据权利要求6所述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测系统，其特征在于，所述磁场采集模块，包括：
磁传感器，用于采集交叉管道焊缝的磁化强度；
多通道同步采样ADC，用于将在时间和幅度上都连续的模拟信号转换成时间上离散、幅度上量化的数字信号；
微处理器，采集计算磁传感器的姿态，如果磁传感器姿态发生不符合测试要求的变化时，将该数据作废；
RS485接口，用于传输采集的交叉管道焊缝的磁化强度。
8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行权利要求1-5中任一项所述的一种用于交叉管道焊缝的磁记忆检测方法。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和权利要求8所述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
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