CN1525140A

CN1525140A - 油气管道壁厚及缺陷检测系统

Info

Publication number: CN1525140A
Application number: CNA031510396A
Authority: CN
Inventors: 颜国正; 左建勇; 丁国清; 张云伟; 付西光; 颜德田
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2004-09-01
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: CN1232821C

Abstract

一种油气管道壁厚及缺陷检测系统，由传感器固定装置、32组可实现径向粗调和弹簧自适应调整的周向阵列式测量头部件以及实现过程控制、信号采集、数据处理和环境温度补偿的电控系统组成，对称的传感器固定装置上按两种跨距均布有径向调整机构，该机构对应铰接于带仿形轮的测量头底板。本发明采用程控恒流励磁检测与装置轴向运动交替进行的微型计算机控制方式，在导磁管道内同时对管壁周向，分时对管壁轴向进行长距离在线检测。程控恒流励磁产生的电磁力使U型铁芯吸附在管壁上，形成检测所需的恒闭合磁路，相对于永磁励磁，检测过程与装置轴向运动交替进行的实施方案减小了装置在管道内轴向运动阻力和测量头部件的磨损。

Description

油气管道壁厚及缺陷检测系统

技术领域：

本发明涉及一种油气管道壁厚及缺陷检测系统，用于对天然气、煤气或石油管道壁厚和缺陷的检测，属于无损检测技术、传感器技术、机器人技术。

背景技术：

石油天然气管道输送在国民经济中占有极为重要的地位。油气管道输送的基本要求是安全、高效。管道一旦发生事故，不仅会造成巨大经济损失，而且对社会和环境也会产生严重的后果，其直接、间接经济损失巨大，修理费用也非常高，因此，对在役长距离油气输送管道，尤其是对新建和老龄管道的检测更显重要。

目前对于管道壁厚及缺陷的检测主要有漏滋法、超声法、涡流法、电磁超声法等。对于漏磁法：专利G01N 28/82公告了一种检测铁质杆件、管件周向缺陷的探伤机，专利CN2546518Y采用励磁线圈整体磁化的方式对被测管道进行缺陷检测，专利CN2286158Y的钢管漏磁探伤机公布了一种采用直流励磁的方式检测钢管周向或轴向分布缺陷的装置，以上3种装置只能在被测管道外侧对缺陷进行定性检测，无法识别其厚度大小。超声检测原理是根据超声回波的时间延迟和方向的改变，来探测管道腐蚀坑的大小、裂纹和应力的存在，该种方法用计算机解读时较为方便和准确，但因在检测过程中必须使用耦合剂，很难适应煤气、天然气管道在线检测的要求。对于涡流检测，多用于导电材料表面缺陷、薄板厚度以及涂层厚度的检测，由于趋肤效应的影响，其涡流无法渗透大于5mm的厚度。专利号为CN 1051086A的电磁超声自动探伤技术，由于接收信号励磁线圈与被测表面的距离大小直接影响测量精度，故不能应用于在线检测；专利G01N28/82虽然解决了CN 1051086A的问题，但未涉及厚度测量。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种油气管道壁厚及缺陷检测系统，能够精确测量管道的壁厚及可能存在的管壁局部缺陷，适应油气管道在线检测的要求。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，系统由传感器固定装置、32组可实现径向粗调和弹簧自适应调整的周向阵列式测量头部件以及实现过程控制、信号采集、数据处理和环境温度补偿的电控系统组成。对称的固定装置上按2种不同跨距均布有径向调整机构，该机构对应铰接于带仿形轮的测量头底板。系统采用传感器阵列方式同时采集被测管壁的周向信息，传感器阵列径向可调，以适应被测管径的变化；装置还可沿被测管道轴向运动，以实现长距离在线检测。本发明基于电磁式无气隙漏磁测量原理，采用程控恒流励磁检测与装置轴向运动交替进行的微型计算机控制方案，在导磁管道内同时对管壁周向，分时对管壁轴向进行长距离在线检测。方案中程控恒流励磁产生的电磁力使U型铁芯吸附在管壁上，形成检测所需的恒闭合磁路；相对于永磁励磁，检测过程与装置轴向运动交替进行的实施方案减小了装置在管道内轴向运动阻力和测量头部件的磨损。

本发明由传感器固定装置、32组可实现径向粗调和弹簧自适应调整的周向阵列式测量头部件、以及实现测量过程控制、信号采集、数据处理和环境温度补偿的电控系统组成。传感器固定装置由两个盘体和盘体连接件组成；各测量头部件的径向调整机构分别由各自的螺纹螺杆粗调装置、弹簧滑杆自适应调整装置组成；传感器测量头由产生恒定磁场的电磁铁、用于测量和调理磁场变化的霍尔集成器件和聚磁件、用于调整电磁铁初始状态的弹簧回复机构以及测量头保持架等组成；电控部分由用于提供励磁的恒流源、用于霍尔器件输出信号的放大与采集装置以及实现测量过程控制及数据处理的微型计算机系统组成。各部分的连接方式为：固定盘体为左右对称结构，通过左右螺孔螺杆结构对应调节各测量头部件的径向伸缩。盘体上的螺孔与通孔螺杆相连，螺杆通过锁紧螺母使螺杆相对于盘体固定，通过调整螺杆伸出量实现测量头的径向粗调，以适应被测管径的大范围变化；在螺杆顶端均装有螺母用以支撑调节弹簧的初始状态，调节弹簧和滑杆构成测量头的自适应调节装置，调节弹簧的顶端紧贴在测量头的保持架上，而滑杆的顶端通过连接销与测量头的保持架相连，滑杆穿过弹簧和通孔螺杆可在螺杆内自由伸缩以适应调节弹簧的变形。对于测量头，由于调节弹簧的作用保持架上的两个仿形轮始终与被测管道内壁相贴，从而使测量头可沿被测管道轴向运动并防止其周向转动；测量头上的电磁铁、霍尔集成器件以及聚磁件组成一个部件通过导杆弹簧回复机构与保持架连在一起，初始状态时由于回复弹簧的预压作用使其紧贴在保持架上，同时保证了电磁铁端面距被测管道内壁的恒定间隙，当励磁线圈通电后，该部件可沿回复机构的导杆运动至电磁铁端面紧贴在管道内壁。对于电控部分，恒流源提供励磁电流，各测量头的霍尔信号输出通过放大后送入微型计算机，同时微型计算机用来控制电源的通断、测量过程的控制、信号采集与处理以及环境温度补偿等。

本发明的工作原理为：对已标定好的检测装置，适当调整调节弹簧的调节螺母，使弹簧自适应调节装置有较大的工作范围；适当调整每个测量头上回复机构的回复弹簧初始状态，使电磁铁紧贴在测量头底板上；根据被测管径大小调节每个测量头对应的螺母螺杆粗调机构，使检测装置适应该管径变化；至此，可将检测装置放入被测管道内进行检测。由于粗调弹簧的预压作用，每个测量头的仿形轮均紧贴在管道内壁，测量开始后，通过微型计算机控制励磁电源的开启，每个测量头的励磁线圈工作，由于电磁吸合力作用使U型软磁材料的端面紧贴在管道内壁，此时U型软磁材料和被测管道内壁的局部构成闭合磁回路，由于检测装置采用阵列式传感器结构，因此被测管壁在测量头范围的整个圆周均被磁化以至饱和，根据磁回路原理，在放置霍尔器件位置的漏磁大小与被测管道壁厚和缺陷成一定的函数关系，为了调理通过霍尔器件的漏磁信号，装置采用了聚磁件结构；检测中同时读取每个霍尔器件的信号并通过调整放大送入微型计算机，经处理即可获知该圆周上被测管壁的信息。待采集完后，通过微型计算机控制励磁电源使其断开，此时，电磁铁、霍尔器件以及聚磁件在弹簧回复机构的作用下回到初始状态。启动微型计算机控制系统使检测装置沿被测管道轴向运动固定距离以便检测下一段管道。至此，完成一个检测周期。重复以上各步可完成长距离管道检测。

本发明的技术优点如下：1、本发明基于电磁式无气隙漏磁检测原理，实现了励磁检测与装置轴向运动交替进行的微型计算机控制方式，大大减轻了牵引负担；2、励磁采用无气隙闭合回路方式，增强了磁化效果；3、采用大范围粗调和弹簧自适应调整的径向调节装置，结构简单，性价比高；4、测量头的仿形轮结构实现了轴向运动和周向防转功能；5、测量头与调节滑杆之间的销连接使检测装置具有一定的越障功能。

附图说明：

图1是本发明系统总体结构图。

图2是本发明图1的A向视图。

图1图2中，盘体1、螺栓2、盘体连接件3、滑杆4、粗调锁紧螺母5、粗调螺杆6、调节弹簧锁紧螺母7、调节弹簧粗调螺母8、调节弹簧9、测量头底板10、被测管道11、仿形轮12、仿形轮固定螺母13、仿形轮支架14、连接螺栓15、连接件16、回复导杆17、预紧调节螺母18、回复弹簧19、导座20、支撑架21、霍尔器件22、聚磁件23、励磁线圈24、U型软磁材料25、导座固定螺钉26、连接销27、弹簧座28、仿形轮支架固定螺栓29、仿形轮支架固定螺母30、连接螺栓31、球铰连接件32、球铰33。

图3是本发明基于电磁回路的漏磁法厚度测量原理图。

图4是本发明基于电磁回路的漏磁法缺陷检测原理图。

图3图4中，支撑架21、霍尔器件22、聚磁件23、励磁线圈24、U型软磁材料25。

图5是本发明电控系统框图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的最佳实施例作进一步描述。

本发明包括1个传感器固定装置和32组可实现径向粗调和弹簧自适应调整的周向阵列式测量头部件，以及用于实现测量过程控制、信号采集和数据处理以及环境温度补偿的电控系统。具体叙述如下：

本发明检测系统的总体结构如图1、图2所示，其中传感器固定装置由盘体1、盘体连接件3、螺栓2、连接螺栓31、球铰连接件32和球铰33组成。两个盘体1和盘体连接件3通过螺栓2构成一个整体，组成对称结构，球铰33通过球铰连接件32和连接螺栓31与盘体1的外侧相连。

32组可实现径向粗调和弹簧自适应调整的周向阵列式测量头部件为避免结构干涉分2种不同跨距均布于传感器固定装置上，其跨距分布如图1中虚线所示。径向粗调装置由滑杆4、粗调锁紧螺母5、粗调螺杆6、调节弹簧锁紧螺母7、调节弹簧粗调螺母8、调节弹簧9、弹簧座28以及连接销27组成。滑杆4顶端通过连接销27与测量头底板10连接，滑杆4可绕连接销27转动；滑杆4的另一端穿过调整弹簧9和带通孔的粗调螺杆6，滑杆4可在调整弹簧9和粗调螺杆6内自由伸缩；粗调螺杆6通过螺纹与盘体1相连，粗调锁紧螺母5安装在粗调螺杆6上，并与盘体1外圆周紧贴实现锁紧功能；调节弹簧粗调螺母8和调节弹簧锁紧螺母7一起安装在粗调螺杆6上，粗调螺母8可在粗调螺杆6上移动以改变调节弹簧9的初始状态，粗调锁紧螺母7与粗调螺母8紧贴实现锁紧功能；调节弹簧9一端通过弹簧座28与测量头底板10紧贴，另一端置于粗调螺母8上，通过调节弹簧9的伸缩实现对被测管道径向尺寸的自适应调节。

测量头由底板10、仿形轮12、仿形轮固定螺母13、仿形轮支架14、连接螺栓15、连接件16、回复导杆17、预紧调节螺母18、回复弹簧19、导座20、支撑架21、霍尔器件22、聚磁件23、励磁线圈24、U型软磁材料25、导座固定螺钉26、仿形轮支架固定螺栓29以及仿形轮支架固定螺母30组成。仿形轮12通过仿形轮固定螺母13安装在仿形轮支架14上，仿形轮支架14与底板通过仿形轮支架固定螺栓29和仿形轮支架固定螺母30相连，测量过程中，由于回复弹簧9的作用使仿形轮12始终紧贴在被测管道11的内壁；带螺纹的回复导杆17上安装预紧调节螺母18，其顶端和连接件16通过螺纹连接，底端置于导座20中，回复导杆17可沿导座20运动，在预紧调节螺母18和导座20之间装有回复弹簧19，回复机构的连接件16通过连接螺栓15与底板10固定，回复机构的导座20通过导座固定螺钉26固定在U型软磁材料25上，U型软磁材料25上绕有励磁线圈24，支撑架21粘接在U型软磁材料25中间，霍尔器件22粘接在两个聚磁件23中间，并一起粘接在支撑架21的顶端。

本发明的油气管道壁厚及缺陷检测装置的测量过程如下：对已标定好的检测装置，调整每个测量头对应的粗调螺杆6和粗调锁紧螺母5，使检测装置适应被测管内径变化；将整个装置放入被测管道内准备检测；测量开始后，通过微型计算机控制励磁电源打开，每个测量头励磁线圈开始工作；接着通过微型计算机启动信号采集系统，将每个测量头部件的信号经调理后送入微型计算机；采集完后，通过微型计算机控制励磁电源使其断开，电磁铁停止工作并回到初始状态；启动微型计算机控制系统使检测装置沿被测管道轴向运动固定距离以便检测下一段管道。至此，完成一个检测周期，重复以上各步可完成长距离管道检测，最后由微型计算机处理相关数据，打印输出结果。

图3为基于电磁回路的漏磁法厚度测量原理图，软磁材料25、励磁线圈24、支撑架21、霍尔集成器件22、聚磁件23和被测管壁的局部共同构成一个闭合磁回路。当励磁线圈24上通一恒定电流时，在U型软磁材料25中产生恒磁场，使其与被测管壁相吸合，该闭合磁场可使被测管壁的局部磁化至饱和或近饱和状态，因此在被测管壁局部的磁感应强度大小几乎恒定；由于磁回路的总磁动势只与励磁线圈匝数和电流大小有关，即磁回路的总磁动势不变；故当被测管壁厚度发生变化时，穿过该管壁局部的磁通量发生变化，从而导致磁回路中的空气漏磁大小也发生变化，即该漏磁大小与管壁厚度成对应关系，因此通过测量漏磁场中固定点的磁场大小即可确定对应一定的被测管壁厚度；由于漏磁大小变化微弱，采用聚磁件23可使漏磁场中局部面积的磁场聚合并均匀化，从而提高测量灵敏度。对于每一组测量头的漏磁大小与管壁厚度之间的对应关系要通过标定试验得到：即在只改变管壁厚度的情况下，通过拟合找出漏磁大小与厚度之间的函数关系，并以此作为判定依据。

图4为基于电磁回路的漏磁法缺陷检测原理图，其工作原理与厚度测量基本相同，只是当被测管壁有缺陷时，在缺陷处的磁力线会发生畸变，同时在磁回路中的空气漏磁也发生变化，经聚磁件23的磁场聚合与均匀后得到被测管壁局部缺陷的相关信息。同样，对于不同缺陷的识别是通过各种缺陷的标定实验建立强大的数据库来匹配完成。壁厚变化和缺陷都会引起霍尔器件输出信号的变化，其判定方法是综合被测管道的轴向检测信息识别完成。

图5为本发明整个系统的电控框图。电控系统由微型计算机及其应用软件、多路模拟放大电路、多路A/D转换、数据处理、显示打印装置、恒流源、继电器、可编程逻辑控制器PLC、环境温度传感器以及检测系统牵引控制组成，采用恒流励磁检测与装置轴向运动交替进行的微型计算机控制方式，在导磁管道内同时对管壁周向，分时对管壁轴向进行长距离在线检测。其中多路模拟放大电路、A/D转换、数据处理、显示打印完成传感器装置的信号采集与处理工作；恒流源通过继电器由PLC控制电磁铁的励磁过程，环境温度传感器通过PLC来补偿因温度变化引起的误差。整个检测过程的控制如下：微型计算机系统通过控制PLC开启继电器，由恒流源给检测系统的多个励磁线圈供电；接着微型计算机系统开始数据采集，待采完后通知微型计算机来控制PLC使继电器断开；然后通过微型计算机控制检测系统牵引部分使检测装置沿被测管道轴向运动固定距离，准备下个周期的检测，重复以上各步即可完成整个管道的检测。测量完成后，微型计算机按照有关要求显示和打印全部测量结果并进行合格判定，全部数据以文件的形式进行存储，在非测量阶段提供网络访问服务。

Claims

1、一种油气管道壁厚及缺陷检测系统，其特征在于包括一个传感器固定装置和32组可实现径向粗调和弹簧自适应调整的周向阵列式测量头部件，以及用于实现测量过程控制、信号采集和数据处理以及环境温度补偿的电控系统，传感器固定装置中，两个盘体(1)和盘体连接件(3)通过螺栓(2)构成一个整体，球铰(33)通过球铰连接件(32)和连接螺栓(31)与盘体(1)的外侧相连；32组测量头部件分两种不同跨距均布于传感器固定装置上，滑杆(4)顶端通过连接销(27)与测量头底板(10)连接，另一端穿过调整弹簧(9)和带通孔的粗调螺杆(6)，并可在调整弹簧(9)和粗调螺杆(6)内自由伸缩；粗调螺杆(6)通过螺纹与盘体(1)相连，粗调锁紧螺母(5)安装在粗调螺杆(6)上，并与盘体(1)外圆周紧贴实现锁紧功能，调节弹簧粗调螺母(8)和调节弹簧锁紧螺母(7)一起安装在粗调螺杆(6)上，粗调螺母(8)可在粗调螺杆(6)上移动以改变调节弹簧(9)的初始状态，粗调锁紧螺母(7)与粗调螺母(8)紧贴实现锁紧功能；调节弹簧(9)一端通过弹簧座(28)与测量头底板(10)紧贴，另一端置于粗调螺母(8)上，测量头中，仿形轮(12)通过仿形轮固定螺母(13)安装在仿形轮支架(14)上，仿形轮支架(14)与底板通过仿形轮支架固定螺栓(29)和仿形轮支架固定螺母(30)相连，带螺纹的回复导杆(17)上安装预紧调节螺母(18)，回复导杆(17)的顶端和连接件(16)通过螺纹连接，底端置于导座(20)中，预紧调节螺母(18)和导座(20)之间装有回复弹簧(19)，回复机构的连接件(16)通过连接螺栓(15)与底板(10)固定，回复机构的导座(20)通过导座固定螺钉(26)固定在U型软磁材料(25)上，U型软磁材料(25)上绕有励磁线圈(24)，支撑架(21)粘接在U型软磁材料(25)中间，霍尔器件(22)粘接在两个聚磁件(23)中间，并一起粘接在支撑架(21)的顶端。

2、如权利要求1的油气管道壁厚及缺陷检测系统，其特征在于所述的电控系统由微型计算机及其应用软件、多路模拟放大电路、多路A/D转换、数据处理、显示打印装置、恒流源、继电器、可编程逻辑控制器PLC、环境温度传感器以及检测系统牵引控制组成，采用恒流励磁检测与装置轴向运动交替进行的微型计算机控制方式，在导磁管道内同时对管壁周向，分时对管壁轴向进行长距离在线检测，其中，恒流源通过继电器由PLC控制电磁铁的励磁过程，环境温度传感器通过PLC来补偿因温度变化引起的误差，微型计算机系统通过控制PLC开启继电器，由恒流源给检测系统的多个励磁线圈供电，微型计算机系统数据采集后控制PLC使继电器断开，然后通过检测系统牵引部分使检测装置沿被测管道轴向运动固定距离，准备下个周期的检测，重复以上各步完成整个管道的检测。