CN213455505U

CN213455505U - 一种基于陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷定位装置

Info

Publication number: CN213455505U
Application number: CN202023032908.0U
Authority: CN
Inventors: 涂凤秒; 韦明辉; 刘忠祥; 江丽霞; 姜蓬勃
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-16

Abstract

本实用新型公开了一种基于陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷精准定位装置，属于缺陷检测领域。所述缺陷定位装置包括：前端由磁强计和陀螺仪组成的角度测量系统和后端的漏磁检测系统。前后两端通过万向轴连接，实现同步转动。本实用新型利用陀螺仪测量清管器的旋转角度，并配合漏磁检测系统得到管道缺陷的精准位置。利用磁强计测量管道内屏蔽的地磁场来对旋转角度进行二次确定，从而对陀螺仪数据进行校正。相比于现有技术，本实用新型可直接利用管道内的磁场信息，避免了地质环境的干扰，提高缺陷定位精度，经济效益显著。

Description

一种基于陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷定位装置

技术领域

本实用新型涉及长输油气管道缺陷检测领域，特别涉及一种基于陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷定位装置。

背景技术

在进行远距离油气传输时，由于腐蚀穿孔、疲劳破裂和外力破坏等原因会使得油气管道产生微小缺陷，特别管道环焊接处一直是管道最薄弱的部位。产生裂缝就容易引起油气泄露而导致安全事故的发生。因此对长输油气管道进行定期检测与评估是有必要的。漏磁内检测技术由于对运行环境要求不高，不需要耦合，且经济实惠，因此是目前应用最广泛也最成熟的技术。

漏磁检测技术是利用管道缺陷处磁感应线的变化来探测和量化缺陷的性质和质量。现有管道缺陷定位包括里程定位和时钟定位。其中，里程定位是一种主要的内检测定位方法，其可以得到漏磁检测器所检测到的缺陷处距离管口的距离，从而将缺陷定位到某一管道截面。然而，对于可将缺陷定位到该截面上具体点位置的时钟定位，由于陀螺仪精度的不足，实际工程中一般并不采用，现有管道漏磁内检查系统中的陀螺仪主要应用点为管道轨迹绘制。其原因是由于长输油气管道缺陷检测距离过长，陀螺仪误差将会持续累计，以至于得到错误的结果。

因此寻找一种可以消除陀螺仪累积误差的方法对油气输送管道的运营维护有着重要的意义。并且利用陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷定位方法是一种经济、高效且具有更高精度的管壁缺陷检测方法。

实用新型内容

本实用新型的目的是对现有的缺陷定位装置进行了优化，提供一种基于陀螺仪和磁场计的管道缺陷精准定位装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于陀螺仪和漏磁检测的管道缺陷精准定位装置，至少包括：清管器骨架、三轴陀螺仪、三轴磁强计、万向轴、霍尔元件和漏磁检测系统；所述清管器骨架前端设有三轴陀螺仪与三轴磁强计；所述清管器骨架后端设有漏磁检测系统；所述清管器骨架前后两端通过万向轴连接；所述漏磁检测系统包括霍尔元件。所述三轴陀螺仪与三轴磁强计安装于清管器骨架轴线上，与清管器骨架同步转动。所述三轴陀螺仪和三轴磁强计各个敏感轴相互平行。所述漏磁检测系统中的霍尔元件为24个，其标号为1～24，相邻霍尔元件与中心O的连线的夹角相等，为15°。

所述三轴陀螺仪用于测量清管器的转动角度，结合漏磁检测系统中检测到缺陷的霍尔元件位置，便可以对管道缺陷进行定位；再利用安装在清管器轴线上的三轴磁强计对屏蔽后的地磁场进行测量，间接计算清管器的旋转角度；最后，对陀螺仪所测得的旋转角度与间接测得的旋转角度进行对比校正，使其误差保证在一个可接受的范围。

本实用新型提出的管道缺陷精准定位装置，其优点在于：

1.由于实际中，陀螺仪所测得的误差会不断累积，导致得到错误的清管器转动角度。所以安装了三轴磁强计对陀螺仪的数据进行校正，便可以对清管器测得的转动角度进行二次确定，解决了陀螺仪的误差累积的问题。

2.本实用新型提出的设计方案简化了传统的对某环段的管壁进行第二次检测的繁琐步骤，解决长输油气管道缺陷的精确定位低的难题。

3.本次设计也是一种降低管道维护成本的经济，高效的检测方案。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍

图1管道缺陷精确检测示意图

图2图1的I-I剖面缺陷检测示意图

图3管道的直角坐标系

附图简介：

图1中：1.陀螺仪 2.磁强计 3.万向轴 4.漏磁检测系统 5.管道坐标轴 6.霍尔元件 7.输油管道

图2中：8.管道缺陷处

图3中：9.地磁场

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步的描述。

一种基于陀螺仪和漏磁检测的管道缺陷精准定位装置，至少包括：清管器骨架、三轴陀螺仪、三轴磁强计、万向轴、霍尔元件和漏磁检测系统；所述清管器骨架前端设有三轴陀螺仪与三轴磁强计；所述清管器骨架后端设有漏磁检测系统；所述清管器骨架前后两端通过万向轴连接；所述漏磁检测系统包括霍尔元件。

所述三轴陀螺仪与三轴磁强计安装于清管器骨架轴线上，与清管器骨架同步转动。

所述三轴陀螺仪和三轴磁强计各个敏感轴相互平行。

所述漏磁检测系统中的霍尔元件为24个，其标号为1～24，相邻霍尔元件与中心O的连线的夹角相等，为15°。本实用新型采用了陀螺仪对清管器进行旋转角度的测量，再结合漏磁检测系统检测到的缺陷性质和里程轮的数据，便可以对管道缺陷进行定位；再利用三轴磁强计对屏蔽后的地磁场进行测量，间接计算清管器的旋转角度；最后，对陀螺仪所测得的旋转角度与间接测得的旋转角度进行对比校正。该方法包括对缺陷进行精确定位与对陀螺仪进行数据校正两大步骤：

步骤A、对缺陷进行精确定位：

A1，利用安装在清管器上的陀螺仪测量清管器的旋转角度α；

A2，通过步骤A1测得的旋转角度α，再结合漏磁检测系统中的霍尔元件位置，进行缺陷位置的计算；

步骤B、对陀螺仪进行数据校正：

B1，将三轴陀螺仪和三轴磁强计安装在清管器上，并实现同步转动；

B2，结合当地实时地磁场、管道的走向和固有屏蔽系数，将屏蔽后的地磁场分解到管道坐标轴上；

B3，利用三轴磁强计测量当清管器旋转角度为α时的管道内磁场信息；

B4，根据三轴磁强计坐标轴和管道坐标轴的转换关系，建立方程组，便可间接计算出清管器的旋转角度α；

B5，将三轴磁强计间接测得的旋转角度与陀螺仪直接测得的旋转角度进行对比，便可对陀螺仪数据进行校正。

步骤A1)把陀螺仪安装在清管器上，其中清管器由两部分组成，前端为清管器的旋转角度测量部分，包括陀螺仪与磁强计，后端为清管器的漏磁检测系统部分，包括霍尔元件；其中陀螺仪与清管器同轴，且可实现与其同步转动，当清管器进行转动时，经陀螺仪可测得清管器的转动角度α，见图1，其中包括三轴陀螺仪(1)、三轴磁强计(2)、万向轴(3)、漏磁检测系统(4)、管道坐标轴(5)、霍尔元件(6)、输油管道(7)；

步骤A2)通过步骤A1测得的旋转角度α，由里程轮定位方法能够得到漏磁检测器所检测到的缺陷处距离管口的距离，结合旋转角度α与检测到缺陷的霍尔元件的位置可以进行缺陷坐标相对于环段中心0位置的计算；所述漏磁检测系统中的霍尔元件为24个，其标号为1～24，相邻霍尔元件与中心O的连线的夹角相等，为15°，见图2，其中缺陷为(8)；缺陷在某环段相对于中心O的具体位置计算可用下式计算：

(y_p,z_p)＝(r_p sin(α+β),r_p cos(α+β))

式中，y_p,z_p分别是缺陷所在处的径向与垂向坐标值；r_p为缺陷处管道的内半径；β是旋转方向上标号为1的霍尔元件与检测到缺陷的n号霍尔元件之间的夹角；

步骤B、对陀螺仪数据进行校正：

步骤B1)把三轴磁强计安装在清管器上，并且其与清管器同轴，并能实现与清管器同步转动；

步骤B2)利用三轴磁强计测量管道内屏蔽后的地磁场，将屏蔽后的地磁场分解到管道坐标轴上，见图3，其中地磁场为(9)。其中管道的直角坐标系为O-x_py_pz_p，地磁场分解到管道上的坐标轴为(B_px,B_py,B_pz)，利用下面公式即可对地磁场Be进行分解：

式中，e_xp为平行于轴x_p的单位矢量，e_yp为平行于轴y_p的单位矢量,e_zp为平行于轴z_p的单位矢量；|B_e|为地磁场的模；δ为地磁场Be与x_py_p平面的夹角；Φ是地磁场Be在x_py_p平面的投影与x_p轴的夹角；衰减系数S₁为沿管道径向的外部磁场与内部磁场的比值；衰减系数S₂为管道轴向的外部磁场与内部磁场的比值；

步骤B3)当清管器旋转角度为α时，利用三轴磁强计测量管道内的磁场信息，由三轴磁强计测得的管道内磁场坐标为(B_mx,B_my,B_mz)；

步骤B4)通过B3中对管道内磁场信息的测量，当清管器旋转角度为α时，可以对清管器的旋转角度α进行间接计算。在初始时设置三轴磁强计坐标轴和三轴陀螺仪的各个轴线依次平行。当清管器旋转角度为α时，通过下述公式间接的计算α的值：

解得：

式中，B_mx,B_my,B_mz分别为三轴磁强计的径向，轴向，垂直方向的坐标值；B_px,B_py,B_pz分别为地磁场分解到管道的径向，轴向，垂直方向的坐标值；

公式中，由于对衰减系数的标定需要已知管道的尺寸和走向，在实际中，投入使用的长输油气管道的各个参数是基本确定的，对于在工程中对管道走向进行确定的技术，也已经十分成熟，所以对旋转角度的计算是可以确定的；

步骤B4)通过步骤A1中陀螺仪所测得的旋转角度与步骤B3中由磁强计所间接测得的旋转角度进行对比，便能对陀螺仪所测得的角度进行数据校正，防止因陀螺仪的误差累积导致得到错误的旋转角度所带来的严重后果。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者同等替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者同等替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims

1.一种基于陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷精准定位装置，其特征在于，包括清管器骨架、三轴陀螺仪、三轴磁强计、万向轴、霍尔元件和漏磁检测系统；所述清管器骨架前端设有三轴陀螺仪与三轴磁强计；所述清管器骨架后端设有漏磁检测系统；所述清管器骨架前后两端通过万向轴连接；所述漏磁检测系统包括霍尔元件。

2.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷精准定位装置，所述三轴陀螺仪与三轴磁强计安装于清管器骨架轴线上，与清管器骨架同步转动。

3.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷精准定位装置，所述三轴陀螺仪和三轴磁强计，其特征在于：三轴陀螺仪和三轴磁强计各个敏感轴相互平行。

4.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪和屏蔽的地磁场的管道缺陷精准定位装置，所述漏磁检测系统，其特征在于：漏磁检测系统中的霍尔元件为24个，其标号为1～24，相邻霍尔元件与中心O的连线的夹角相等，为15°。