程世奇 武新軍 郭 鍇 趙昆明

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

管道廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工及城市水暖供應(yīng)等工業(yè)部門，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來越重要。管道在長(zhǎng)期運(yùn)行中受到溫度、介質(zhì)、應(yīng)力和環(huán)境的影響，會(huì)產(chǎn)生腐蝕和材料惡化，如果不進(jìn)行有效的監(jiān)控或維修，將會(huì)給企業(yè)造成很大的損失，更重要的是，管道泄漏及爆炸等會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境甚至危及人身安全。為防止事故造成損失，必須定期進(jìn)行管道檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道缺陷，并且獲得其位置、類型及程度等精確信息，從而為管道的安全評(píng)價(jià)、壽命預(yù)測(cè)及檢修維護(hù)等提供可靠依據(jù)[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)管道通常采用超聲波、熒光磁粉、渦流及漏磁等方法進(jìn)行檢測(cè)。其中漏磁檢測(cè)法具有速度快、穿透力強(qiáng)和不受油水影響的優(yōu)勢(shì)，在長(zhǎng)輸管道的內(nèi)檢測(cè)和儲(chǔ)罐底板檢測(cè)方面應(yīng)用較多[2～6]。與長(zhǎng)輸管道和儲(chǔ)罐底板檢測(cè)工況相比，架空管道存在管道規(guī)格多、走向復(fù)雜的情況，限制了漏磁檢測(cè)的應(yīng)用。程順峰等研究了拼裝式工業(yè)管道漏磁檢測(cè)探頭[7]，其可適用于多規(guī)格管道檢測(cè)，但在應(yīng)用中安裝復(fù)雜，并且采用手動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，高空檢測(cè)時(shí)需搭架子，同時(shí)檢測(cè)信號(hào)采取電纜傳輸方式，極大地限制了漏磁檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。針對(duì)上述存在的問題，筆者研制了一種架空工業(yè)管道漏磁無(wú)線檢測(cè)自動(dòng)爬行系統(tǒng)，該系統(tǒng)中漏磁檢測(cè)探頭采用剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式，保證漏磁檢測(cè)信號(hào)的精確和穩(wěn)定?；跓o(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的無(wú)線傳輸和電機(jī)自驅(qū)動(dòng)方式，便于工業(yè)管道的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

1 管道漏磁檢測(cè)原理①

管道漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。工業(yè)管道一般由導(dǎo)磁良好的鐵磁性材料制成，當(dāng)鐵磁性管道被外加磁化器磁化后，管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，若管道上存在腐蝕或機(jī)械損傷等缺陷，管道局部的磁導(dǎo)率將降低，磁阻增加，通過該區(qū)域的磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致一部分磁場(chǎng)從管道中外泄出來，在管道表面形成漏磁場(chǎng)。用霍爾元件組成的探頭檢測(cè)漏磁場(chǎng)的變化，可以獲得反映被檢管道缺陷狀況的信號(hào)，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理和分析，就可得到被檢管道的缺陷特征。

圖1 漏磁檢測(cè)原理示意圖

2 系統(tǒng)組成

根據(jù)漏磁檢測(cè)原理設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其主要由爬行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)探頭和信號(hào)無(wú)線處理與控制單元組成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的過程是：將檢測(cè)探頭安裝在爬行器上，把爬行器放置在待測(cè)管道上，打開無(wú)線路由器，在無(wú)線采集卡和計(jì)算機(jī)都連接上設(shè)定好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之后，通過遙控器控制爬行器運(yùn)動(dòng)，開始對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)通過數(shù)據(jù)線傳入信號(hào)預(yù)處理電路，再由無(wú)線采集卡通過無(wú)線網(wǎng)傳入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上可以顯示并存儲(chǔ)檢測(cè)信號(hào)。

圖2 架空工業(yè)管道漏磁無(wú)線檢測(cè) 自動(dòng)爬行系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

被檢材料 鐵磁性材料

檢測(cè)速度 1～10m/min

最小檢測(cè)靈敏度φ1.6mm通孔

適用壁厚檢測(cè)范圍 4～20mm

適用檢測(cè)最小管徑φ60mm

2.1 爬行機(jī)構(gòu)

爬行機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要由行走機(jī)構(gòu)和磁化裝置組成。

圖3 爬行機(jī)構(gòu) 1——電機(jī)； 2——減速器； 3——主動(dòng)輪； 4,4′——永磁鐵；5——探頭； 6——銜鐵； 7——從動(dòng)輪； 8——編碼器

行走機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、減速器、車輪和支架，合理布置各個(gè)部件的位置使整體結(jié)構(gòu)緊湊，在滿足支架強(qiáng)度和剛度的要求下，為了減輕爬行器重量，支架材料選用鋁合金。行走機(jī)構(gòu)的主要作用是帶檢測(cè)探頭沿管道爬行，對(duì)管道進(jìn)行漏磁檢測(cè)。在行走機(jī)構(gòu)中加入電機(jī)，將爬行器的運(yùn)動(dòng)方式由手動(dòng)推行變?yōu)樽詣?dòng)爬行，檢測(cè)時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，減速器通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)車輪沿管道爬行，電機(jī)自驅(qū)動(dòng)方式提高了檢測(cè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。從漏磁檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)上，無(wú)法判斷缺陷的具體位置，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位，在行走機(jī)構(gòu)上裝有光電編碼器，光電編碼器記錄爬行器的爬行距離，將光電編碼器信號(hào)和漏磁探頭檢測(cè)信號(hào)一起傳入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道缺陷的定位。

磁化裝置包括永磁鐵和銜鐵。永磁鐵選用新型釹鐵硼材料，具有高磁能積、高矯頑力及磁性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。銜鐵選用工業(yè)純鐵，具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度、小矯頑力和加工性能好的特點(diǎn)。磁化裝置的作用是為爬行提供吸附力和將管道飽和磁化。磁化裝置中永磁鐵與管道的吸力，保證爬行器在沿管道爬行過程中不會(huì)掉落。將被測(cè)管道磁化至接近飽和狀態(tài)是提高檢測(cè)靈敏度的重要保障，磁化不充分，缺陷引起的磁場(chǎng)畸變可能無(wú)法在管道上表面生成漏磁場(chǎng)，或者生成的漏磁場(chǎng)很弱而被噪聲湮沒。在保證磁化裝置能將管道充分磁化的前提下，同時(shí)要考慮爬行器的結(jié)構(gòu)及重量等因素，通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，優(yōu)化磁極截面積、磁極間距及銜鐵尺寸等參數(shù)，為磁化裝置的設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

2.2 檢測(cè)探頭

檢測(cè)探頭是整個(gè)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的核心組成部分，探頭設(shè)計(jì)的好壞直接影響漏磁檢測(cè)效果。探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示，由彈簧、銅套、霍爾元件和聚磁片組成。探頭中磁場(chǎng)檢測(cè)元件選用霍爾元件，霍爾元件體積小、靈敏度高且檢測(cè)值不受測(cè)量速度影響，適應(yīng)于爬行器自動(dòng)爬行檢測(cè)。每個(gè)探頭中有4個(gè)霍爾元件，單個(gè)霍爾元件的檢測(cè)覆蓋范圍有限，采用聚磁技術(shù)增大霍爾元件的檢測(cè)范圍，保證相鄰兩個(gè)霍爾元件測(cè)試區(qū)域邊界重疊，避免漏檢。針對(duì)12種規(guī)格的工業(yè)管道設(shè)計(jì)了12種規(guī)格的探頭，不同探頭底面弧度不同，使探頭與其對(duì)應(yīng)規(guī)格管道表面能良好地接觸。檢測(cè)不同管徑管道時(shí)，選用對(duì)應(yīng)規(guī)格的探頭，用探頭上的U形槽調(diào)節(jié)探頭高度，使探頭與管道表面接觸良好。由于工業(yè)管道有焊縫、腐蝕或者機(jī)械損傷，表面凹凸不平，使檢測(cè)元件與管道表面的間隔不斷變化，嚴(yán)重影響檢測(cè)效果，在探頭中加入彈簧，保持檢測(cè)元件與管道表面的距離不變，減少干擾。U形槽的剛性調(diào)節(jié)與彈簧的柔性調(diào)節(jié)相結(jié)合保證檢測(cè)結(jié)果精確可靠。

圖4 探頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 無(wú)線信號(hào)處理與控制單元

無(wú)線信號(hào)處理與控制單元包括無(wú)線信號(hào)處理模塊和無(wú)線電機(jī)遙控模塊，無(wú)線傳輸方式減小了現(xiàn)場(chǎng)管道復(fù)雜走向和管道之間結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)的影響，提高了漏磁檢測(cè)效率。

無(wú)線信號(hào)處理模塊由電池、信號(hào)預(yù)處理電路、無(wú)線采集卡、無(wú)線路由器和計(jì)算機(jī)組成，其中電池、信號(hào)預(yù)處理電路和無(wú)線采集卡安裝在電路盒中，檢測(cè)時(shí)電路盒安裝在爬行器把手上隨爬行器運(yùn)動(dòng)，無(wú)線路由器和計(jì)算機(jī)放在便于人操作的位置。電池為電機(jī)和電路盒供電，在檢測(cè)時(shí)無(wú)需外接電源，便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，增大檢測(cè)系統(tǒng)的適用范圍。信號(hào)預(yù)處理電路通過信號(hào)線與光電編碼器和漏磁檢測(cè)探頭相連，光電編碼器信號(hào)進(jìn)入預(yù)處理電路不做任何處理直接送入無(wú)線采集卡，該信號(hào)記錄爬行器的爬行距離，為缺陷定位提供依據(jù)。漏磁檢測(cè)探頭中霍爾元件將漏磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于信號(hào)中包含多種原因引起的噪聲和干擾，且腐蝕和機(jī)械損傷等局部缺陷引起的跳變信號(hào)較弱，所以在將探頭檢測(cè)的信號(hào)傳入無(wú)線采集卡之前，要通過信號(hào)預(yù)處理電路將信號(hào)進(jìn)行放大及濾波等處理，濾除信號(hào)噪聲，放大缺陷信號(hào)幅值，提高信噪比。無(wú)線采集卡的主要作用是將編碼器信號(hào)和漏磁檢測(cè)探頭信號(hào)通過無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)送至計(jì)算機(jī)。檢測(cè)信號(hào)的無(wú)線傳輸流程如圖5所示，檢測(cè)信號(hào)通過數(shù)據(jù)線傳入預(yù)處理電路，再由數(shù)據(jù)線傳入無(wú)線采集卡，最后無(wú)線采集卡通過無(wú)線路由提供的無(wú)線局域網(wǎng)將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)。漏磁檢測(cè)有大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)需要分析處理，同時(shí)要將檢測(cè)信號(hào)快速實(shí)時(shí)地顯示在計(jì)算機(jī)上，這就要求無(wú)線采集卡具有高速、高精的采樣性能。經(jīng)過篩選選用UA535型網(wǎng)口采集儀，該無(wú)線采集卡最高采樣頻率達(dá)250kHz，自帶32MB數(shù)據(jù)緩存，具有抗干擾、抗斷線能力強(qiáng)，支持多種無(wú)線傳輸功能的優(yōu)點(diǎn)，滿足漏磁檢測(cè)需求。

圖5 信號(hào)無(wú)線傳輸流程

信號(hào)無(wú)線傳輸有多種方式，常用的短距無(wú)線傳輸技術(shù)有紅外通信(IrDA)、藍(lán)牙(Bluetooth)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、超寬帶(UWB)技術(shù)和homeRF[8]。紅外和藍(lán)牙傳輸距離一般小于10m，超寬帶技術(shù)主要用于軍事方面，homeRF傳輸信號(hào)易受干擾，而無(wú)線局域網(wǎng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速度快和兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，所以筆者選用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)漏磁檢測(cè)信號(hào)的無(wú)線傳輸。無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備通常由無(wú)線網(wǎng)卡、無(wú)線路由器、無(wú)線接入點(diǎn)(AP)、無(wú)線網(wǎng)橋及終端設(shè)備等組成[9]。無(wú)線接入點(diǎn)用于與有線網(wǎng)通信，無(wú)線網(wǎng)橋是將一個(gè)WLAN網(wǎng)段與另一個(gè)WLAN網(wǎng)段連接起來的設(shè)備，在筆者研制的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)中，不需要與有線網(wǎng)或者其他WLAN網(wǎng)段通信，所以沒有無(wú)線接入點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)橋，無(wú)線網(wǎng)卡集成在無(wú)線采集卡上，終端設(shè)備為計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)上裝有漏磁檢測(cè)軟件，檢測(cè)軟件的主要功能為標(biāo)定、顯示設(shè)置、檢測(cè)、細(xì)化分析和歷史數(shù)據(jù)，各功能的具體內(nèi)容如下：標(biāo)定檢測(cè)不同規(guī)格的管道之前，預(yù)設(shè)不同的初始檢測(cè)參數(shù)；顯示設(shè)置針對(duì)不同的檢測(cè)條件，設(shè)置軟件波形顯示的通道數(shù)和步長(zhǎng)；檢測(cè)實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)信號(hào)的波形圖；信號(hào)過大或過小不便于觀察時(shí)，細(xì)化分析用于更改顯示量程；歷史數(shù)據(jù)保存檢測(cè)信號(hào)，并且可以隨時(shí)調(diào)用。

無(wú)線電機(jī)遙控模塊包括遙控器、電機(jī)控制電路和電機(jī)。遙控器發(fā)送無(wú)線電波，電機(jī)控制電路接收遙控器發(fā)出的無(wú)線電波信號(hào)，控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)和停止，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制爬行器前進(jìn)、后退和停止。無(wú)線電機(jī)遙控模塊的設(shè)計(jì)主要是遙控器的選擇，要防止遙控器的無(wú)線電波對(duì)無(wú)線采集卡的干擾，選用的遙控器工作頻率要與無(wú)線采集卡采樣頻率有較大差異，并且要求遙控器有較遠(yuǎn)的遙控距離。經(jīng)過篩選選用2.4GHz工業(yè)遙控器，理論最大遙控距離1.2km，同時(shí)2.4GHz電磁波直線性好，抗干擾能力強(qiáng)，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)遙控爬行器運(yùn)動(dòng)具有十分重要的意義。

3 工業(yè)應(yīng)用

為了檢驗(yàn)儀器性能并為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)做準(zhǔn)備，對(duì)12種不同管徑標(biāo)準(zhǔn)試件管道做了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，下面以φ219mm管道標(biāo)定實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行詳細(xì)論述。

標(biāo)準(zhǔn)試件1如圖6所示，管道長(zhǎng)2 800mm，管道上加工了4個(gè)外部盲孔和2個(gè)內(nèi)部盲孔，孔深依次為管壁厚的80%、60%、40%、20%、20%、40%。檢測(cè)信號(hào)如圖7所示，信號(hào)1、2、3、4依次為孔深遞減的4個(gè)外部盲孔信號(hào)，5、6為孔深遞增的內(nèi)部盲孔信號(hào)。

圖6 φ219mm標(biāo)準(zhǔn)試件1

圖7 φ219mm管道盲孔信號(hào)

標(biāo)準(zhǔn)試件2如圖8所示，管道長(zhǎng)1 400mm，管道上共有3個(gè)寬度為2mm，深度依次為管道壁厚20%、40%、60%的環(huán)形刻槽。檢測(cè)信號(hào)如圖9所示，1、2、3依次為槽深度遞增的3個(gè)刻槽信號(hào)。

圖8 φ219mm標(biāo)準(zhǔn)試件2

圖9 φ219mm管道刻槽信號(hào)

對(duì)每個(gè)缺陷至少做20次實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)信號(hào)波形基本相同，說明此漏磁檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。將多組檢測(cè)信號(hào)疊加求平均，得到的缺陷信號(hào)平均幅值作為標(biāo)定值，為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的缺陷評(píng)價(jià)提供參考和依據(jù)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證儀器的實(shí)用性和可靠性，在廣州中國(guó)燃?xì)夤具M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管道檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的φ219mm管道信號(hào)如圖10所示，圖中線1、2、3依次表示φ219mm管道缺陷深度為壁厚20%、40%和60%的標(biāo)定值。為了驗(yàn)證信號(hào)是否準(zhǔn)確可靠，用超聲測(cè)厚進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，選取管道A、B、C3點(diǎn)進(jìn)行測(cè)厚，A處壁厚為7.8mm，B處超聲測(cè)厚檢測(cè)不出壁厚值，不過此處可以看到有穿孔，C處壁厚值為5.3mm，管道初始壁厚為8mm，通過計(jì)算位置A壁厚損傷為2.5%、位置B為100%、位置C為34%，與標(biāo)定值基本相符，說明儀器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)準(zhǔn)確可靠。

圖10 φ219mm管道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)漏磁檢測(cè)的基本原理，結(jié)合無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，研制出架空工業(yè)管道漏磁無(wú)線自動(dòng)爬行檢測(cè)系統(tǒng)。與已有的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)比較，該系統(tǒng)具有檢測(cè)探頭調(diào)節(jié)靈活、電機(jī)自驅(qū)動(dòng)方式和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能更好地適應(yīng)架空工業(yè)管道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，降低了管道檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢測(cè)效率。工業(yè)應(yīng)用表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

[1] 楊杰，王桂增.輸氣管道泄漏診斷技術(shù)綜述[J].化工自動(dòng)化及儀表，2004，31(3):1～5.

[2] 楊理踐，王玉梅，馮海英.智能化管道漏磁檢測(cè)裝置

的研究[J].無(wú)損檢測(cè)，2002，24(3)：100～102.

[3] 張艷玲，何慶中，王志鵬，等.管道檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(3):323～324,346.

[4] 宋小春，黃松嶺，趙偉，等.高清晰度儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)器的研制[J].化工自動(dòng)化及儀表，2007，34(1):77～80.

[5] 林猛，牛迎戰(zhàn).漏磁檢測(cè)技術(shù)在成品油管道中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械，2011,38(5):618～619.

[6] 戴光，趙福臣，韓世川，等.直流線圈勵(lì)磁儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)分析[J].化工機(jī)械，2011,38(3):313～316.

[7] 程順峰，武新軍，康宜華，等.工業(yè)管道漏磁無(wú)損檢測(cè)傳感器的研制[J].無(wú)損檢測(cè)，2002，24(12)：512～514.

[8] 李永忠.無(wú)線局域網(wǎng)WLAN及其數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(z1):1003～1005.

[9] 劉乃安.無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)——原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004：498～545.