徐冠中，楊 帆

(1.濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司，山東 濟南 250002；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074)

燃氣能源在我國整個能源結構體系中占據非常重要的地位，燃氣從開發(fā)到利用需要由專門的天然氣管道進行輸送，燃氣管道被稱為“能源命脈”[1]。由于天然氣管道服役環(huán)境比較復雜，當使用時間相對較長時特別容易出現安全故障問題，引發(fā)不可挽回的天然氣安全事故[2]。最常見的缺陷問題包括變形、腐蝕導致厚度變薄等。為了避免上述問題的出現，必須采用先進的技術手段定期對天然氣管道進行檢測和維護，以確保管道運行服役的可靠性[3]。經過多年發(fā)展，人們提出了多種天然氣管道缺陷檢測方法。其中漏磁檢測方法因環(huán)境要求低、自動化程度高、檢測精度高等優(yōu)勢在工程實踐中應用最多[4]。漏磁檢測技術已經在很多領域得到成功應用，如壓力容器缺陷檢測等，取得了顯著的效果[5]。本文開發(fā)了一種長輸天然氣管道缺陷漏磁檢測系統(tǒng)，可以有效發(fā)現管道中存在的缺陷問題，在工程實踐中取得了較好的應用效果。

1 漏磁檢測系統(tǒng)的整體方案和結構

1.1 漏磁檢測基本工作原理

天然氣管道主要利用鋼鐵材料加工制作，此類型材料通常具備高磁導率特征。因此，可以利用一定的手段對天然氣管道的待檢測部位實施磁化處理，并使之達到磁飽和狀態(tài)[6]。如果管道內部不存在任何缺陷問題，則形成的磁力線分布將會比較均勻；如果管道中存在缺陷問題，在管道內形成的磁力線分布將會呈現出不均勻性特點，即所謂的漏磁現象[7]。管道存在缺陷時的磁力線分布情況如圖1所示。由圖1可以看出，由于管道中存在一定的缺陷問題，導致對應部位的磁力線分布出現了一定程度的扭曲，缺陷部位的漏磁現象非常明顯。通常情況下，管道中出現的缺陷問題(如深度、范圍等)都會對漏磁強度及其范圍產生一定的影響，兩者之間存在一定的定量關系。利用磁敏傳感器可對漏磁信號進行檢測，通過對該信號進行深入挖掘分析，可以判斷天然氣管道缺陷的位置及其缺陷范圍。

圖1 管道存在缺陷時的磁力線分布情況Fig.1 Distribution of magnetic lines of force when the pipeline has defects

1.2 檢測系統(tǒng)方案設計

漏磁檢測系統(tǒng)工作過程中，整個結構裝置需要基于管道內部介質運動時產生的壓力差驅動裝置向前移動[8]。系統(tǒng)中的磁化結構對管道局部位置進行磁化處理，確保管道處于磁飽和狀態(tài)。如果管道存在缺陷問題則會出現漏磁現象，基于磁敏傳感器可以對漏磁信號進行檢測采集，采集單元獲得漏磁信號后，對其進行模數轉換并輸入到計算機系統(tǒng)中，利用內置軟件程序對信號進行識別處理。在系統(tǒng)中利用程序首先對信號進行初步處理，作用是對潛在的干擾數據進行去除；再對有用的數據信息進行深入分析挖掘，并與系統(tǒng)設置的閾值條件進行比較，一旦超過了閾值條件，會向外發(fā)出警報并提供漏磁信號波形圖。所有的檢測信號都會存儲到服務器中以便后續(xù)查詢。天然氣管道缺陷漏磁檢測系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 天然氣管道缺陷漏磁檢測系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of magnetic flux leakage testing system for natural gas pipeline defects

1.3 檢測系統(tǒng)的結構設計

結構方面，檢測系統(tǒng)整體上由磁化單元、信號采集單元、控制單元和供電單元構成。檢測裝置的主要結構如圖3所示。

圖3 檢測裝置的主要結構示意Fig.3 Main structure diagram of the detection device

其中，磁化單元有管道、永磁體、鋼刷和軛鐵，作用是在管道內部形成磁飽和狀態(tài)，對天然氣管道進行磁化是利用漏磁檢測技術對其缺陷問題進行檢測的基礎和前提；信號采集單元主要由傳感器、采集模塊及其他配套結構等部分構成，作用是對存在的漏磁信號進行準確檢測獲得模擬量信號，并將其轉換成為數字量信號后輸入到MCU存儲器中；控制單元可以對供電電源、裝置運行狀態(tài)、數據采集頻率及其后處理等進行控制；供電單元設置在整個結構的尾部，作用是對檢測系統(tǒng)的正常運行提供電力能源，系統(tǒng)中使用磷酸鋰電池對檢測裝置的各種機電結構進行供電，電池容量必須能夠滿足系統(tǒng)對整個天然氣管道的檢測需要。

2 漏磁檢測系統(tǒng)主要結構單元設計

2.1 磁化裝置設計

基于上文的原理分析可以看出，對于漏磁檢測系統(tǒng)而言，磁化裝置是其中非常關鍵和重要的構成部分，其性能好壞會對檢測系統(tǒng)的檢測質量產生決定性的影響[9]。磁化裝置最主要的作用是對天然氣管道進行磁化處理，使之達到磁飽和狀態(tài)，在結構方面也要考慮到與其他結構裝置之間的密切配合。系統(tǒng)中使用的勵磁源為釹鐵硼永磁體，具體型號為N48，該永磁體具有機械性能好、矯頑力高、磁性強、體積小等優(yōu)點。N48型永磁體的剩磁感應強度為1.37～1.43 T，矯頑力≥836 kA/m、內稟矯頑力≥875 kA/m，最大磁能積在358～390 kJ/m3。

磁化裝置中鋼刷和軛鐵是比較關鍵的構成部分，2個結構分別設置在永磁體兩側，均采用工業(yè)純鐵加工制作，這樣可以實現磁場傳遞從而形成一個完整封閉的磁回路，具體如圖4所示。永磁體、鋼刷和軛鐵之間分別通過高強膠實現黏結，同時在兩側通過塑膠擋板加螺栓進行加固。這種固定模式既可以確保連接的牢靠性，又能夠保證連接的柔韌性，可以抵抗一定的外部沖擊，適應復雜工況環(huán)境。

圖4 磁化裝置等效磁路原理Fig.4 Principle of equivalent magnetic circuit of magnetizing device

在設計磁化裝置時首要目標是要確保天然氣管道能夠充分磁化，達到磁飽和狀態(tài)。只有這樣才能夠保證天然氣管道質量的檢測效果?；诖怕酚嬎惴椒▽Υ呕b置進行設計，磁化裝置等效磁路的原理結構如圖4所示。圖4中，Rp、Rs、Ry分別表示管道、鋼刷、軛鐵結構的內部磁阻，Rps、Rss、Rsy分別表示管道與鋼刷之間的空氣磁阻、鋼刷與鋼刷之間的空氣磁阻、鋼刷與軛鐵之間的空氣磁阻，Fp為永磁體提供的磁勢，R1—R4分別為對應磁回路的磁通。

根據圖4并結合天然氣管道實際情況，基于解析方法可以分析得到管道的磁感應飽和強度在1.6 T左右，為了達到上述要求，使用的單個永磁體的體積規(guī)格為30 mm×20 mm×15 mm。

2.2 漏磁信號采集單元設計

(1)磁敏傳感器選型。磁敏傳感器同樣是漏磁檢測系統(tǒng)中比較關鍵的構成部分，其檢測精度會對檢測質量和效率產生重要影響，因而需要選用運行穩(wěn)定可靠的傳感器[10]。目前市場上關于磁敏傳感器有很多種類型可供選擇，不同類型的傳感器有各自的優(yōu)點和缺點。在綜合考慮經濟成本、檢測效率與質量等方面因素的情況下，選用霍爾元件對漏磁信號進行檢測。

系統(tǒng)中選用的霍爾傳感器型號為SS495A，規(guī)格尺寸為4.0 mm×4.0 mm×2.5 mm。在工業(yè)領域有比較多的應用，運行穩(wěn)定性相對較好，具有壽命長、體積小、檢測精度高、線性度好等眾多優(yōu)勢，且安裝使用非常方便。工作時的電壓為4.5 ～10.5 V DC、電流為8.7 mA。線性范圍和靈敏度分別為-67～+67 mT和(31.3±1.3) V/T，線性誤差為1%，溫度誤差為±0.06 ℃?；魻栐┐判盘枡z測原理如圖5所示。

圖5 霍爾元件漏磁信號檢測原理Fig.5 Detection principle of magnetic flux leakage signal of Hall element

在霍爾半導體薄片內部會流通電流I，如果在與薄片垂直方向上存在磁場B時，就會在霍爾半導體薄片兩側形成一定的霍爾電勢VH?；魻栯妱菖c磁場強度之間的關系可用下式進行描述：

VH=KIBcosα

(1)

式中，K為霍爾傳感器的靈敏度和磁場強度；α為霍爾元件表面之間的夾角。

一旦霍爾傳感器安裝完成以后，磁場強度與元件之間的夾角將會固定不變。通過對霍爾電勢進行檢測，并根據式(1)可以計算得到漏磁強度大小，并根據漏磁強度判斷天然氣管道中缺陷問題的狀態(tài)。

(2)漏磁信號檢測電路。漏磁信號采集單元主要電路結構如圖6所示。系統(tǒng)最核心的部分為MCU，所有數據信息都會傳輸到MCU中進行分析和處理，系統(tǒng)中還包括多通道模擬開關、多路傳感器探頭、A/D轉換模塊和存儲器。系統(tǒng)通電開始工作以后，MCU需要對A/D轉換器、存儲器、模擬開關等進行檢測和初始化設置。確保都可以正常工作后，磁敏傳感器探頭開始對附近的磁場信號進行檢測，MCU下達控制指令對多路模擬開關進行控制，所有模擬開關完成整個周期的循環(huán)后，MCU會對A/D轉換模塊發(fā)出控制信號，轉換模塊可以將傳感器檢測獲得的模擬量信號轉換成為數字量信號。最后MCU將相關數字量數據信息存儲到存儲器中，等待上位機軟件的收集。

圖6 漏磁信號采集單元主要電路結構Fig.6 Main circuit structure of magnetic flux leakage signal acquisition unit

考慮到信號采集電路實際工作的基本需要，選用的多路模擬開關具體型號為MAX4638EUE，此型號芯片屬于COMS型多路模擬開關，可以支持2種形式的電源(雙電源±2.5 V和單電源+1.8～+5.0 V)對其進行供電。如果基于+5.0 V單電源對此芯片進行供電，對應的芯片輸入電阻大小為3.5 Ω，選通通道的開啟時間ton為18 ns、關閉時間toff為7 ns，可以計算得到選通1個通道需要25 ns。A/D轉換模塊的作用是對采集得到的信息進行轉換，以便在上位機對數據信息進行處理，系統(tǒng)中選用的A/D轉換模塊具體型號為ADS1256，內部有8個通道，屬于24位處理器，具有運行速度快、功耗低等優(yōu)勢。ADS1256型轉換模塊在輸出數據信息時的最大輸出頻率可以達到30 K/s，對數據信息進行轉換時的精度非常高，可以達到0.000 01，內部自帶有矯正系統(tǒng)以及自矯正系統(tǒng)，可以根據實際情況對轉換結果進行矯正，以提升數據信息轉換時的精度。A/D轉換模塊中每個通道都會與多路模擬開關中的1個通道進行匹配。

3 上位機軟件系統(tǒng)設計

在VS2013軟件平臺上，利用C#語言對上位機軟件進行開發(fā)。檢測系統(tǒng)包含多方面的功能，主要有串口信息設置、漏磁信號采集及其顯示、漏磁信號波形顯示、管道缺陷問題報警、漏磁信號數據存儲及數據查詢等。上位機軟件系統(tǒng)主要工作流程如圖7所示。由圖7可知，系統(tǒng)開始運行后，需要對串口信息進行設置并檢查串口信息的準確性，然后開始對漏磁信號數據進行采集并對存在的漏磁信號波形進行顯示，分析判斷是否對數據進行保存。檢測系統(tǒng)工作時，如果發(fā)現漏磁信號強度超過了系統(tǒng)設定的閾值條件，說明對應部位可能存在一定的缺陷，系統(tǒng)會立即向外發(fā)出警告并記錄相關數據信息。檢測過程中，操作人員可以根據實際情況隨時在軟件中暫停系統(tǒng)的采集工作。

圖7 上位機軟件系統(tǒng)的主要工作流程Fig.7 Main work flow of upper computer software system

4 漏磁檢測技術的應用

4.1 工程項目概述

將上文研究的漏磁檢測系統(tǒng)應用到某長輸天然氣管道缺陷檢測工程實踐中，該天然氣管道整個工程長度達到了160.66 km。天然氣管道運行過程中內部的壓力在6 300 kPa左右，檢測期間管道內部的溫度為15 ℃左右。檢測裝置在管道內部的運行速度為2.74 m/s。檢測系統(tǒng)的數據采集頻率對在一定程度上影響檢測結果的精度，確定的數據采樣精度為780 s-1。

天然氣管道缺陷結果表明，整個天然氣管道中共發(fā)現的內部缺陷3 341個、外部缺陷1 496個。天然氣管道缺陷問題的統(tǒng)計情況如圖8所示。由圖8可以看出，不管是內部缺陷還是外部缺陷，出現缺陷問題的深度與管道壁厚之間的比值絕大部分都分布在10%～19%，此范圍內內部缺陷和外部缺陷的數量分別為3 248個和1 468個。缺陷深度區(qū)間在20%～29%和30%～39%所占的比例相對非常小，上述2個區(qū)間范圍內內部缺陷的數量分別為82個和10個，外部缺陷的數量依次為25個和2個。內部缺陷中只有1處位置的缺陷深度達到了壁厚深度的40%～49%，外部缺陷中有1處位置的缺陷深度達到了壁厚深度的51%左右。工程案例中，當缺陷問題深度超過了管道壁厚的80%時，將其視為異常缺陷，需要對存在的問題進行修復處理。通過上文檢測分析結果可知，天然氣管道中缺陷問題深度均未超過壁厚的80%，說明天然氣管道能夠滿足工程項目的實際使用需要，可以保障管道運行過程的穩(wěn)定性和可靠性。

圖8 天然氣管道缺陷問題的統(tǒng)計情況Fig.8 Statistics of defects in natural gas pipelines

4.2 檢測系統(tǒng)的結果驗證

為了對長輸天然氣管道缺陷檢測系統(tǒng)的檢測精度進行驗證，根據檢測結果選擇10處存在缺陷問題的管道部位進行開挖驗證，對系統(tǒng)的檢測結果與實際開挖測量結果進行對比分析。10處開挖點的漏磁檢測結果與實際開挖結果之間的對比情況如圖9所示，圖9中還顯示了兩者之間的誤差，其中1—5屬于內部缺陷，6—10屬于外部缺陷。由圖9可知，不管是內部缺陷還是外部缺陷，漏磁檢測系統(tǒng)均具有較高的檢測精度，與實際開挖結果之間的誤差均控制在了10%以內。實際開挖檢測結果對本文設計的漏磁檢測系統(tǒng)進行了很好的驗證，說明本系統(tǒng)可以應用到工程實踐中，其檢測精度完全能夠滿足工程實踐的實際需要。

圖9 系統(tǒng)檢測結果與實際開挖結果對比Fig.9 Comparison between system detection results and actual excavation results

綜上分析，設計的基于漏磁檢測技術的長輸天然氣管道缺陷問題檢測系統(tǒng)具有較高的檢測精度，可以準確可靠地對天然氣管道中存在的質量問題進行檢測分析，及時發(fā)現管道中存在的問題，以便第一時間進行修復，為天然氣的穩(wěn)定可靠運行奠定了堅實的基礎。

5 結論

本文主要以長輸天然氣管道缺陷檢測問題為研究對象，結合實際情況基于漏磁檢測技術設計了缺陷問題檢測系統(tǒng)。

(1)漏磁檢測系統(tǒng)主要由磁化單元、信號采集單元、控制單元和供電單元4大部分構成，基于磁化單元對天然氣管道進行磁化處理，利用信號采集單元對出現的漏磁信號進行采集。不同單元的分工合作可以對管道中存在的缺陷問題及其缺陷程度進行檢測。

(2)系統(tǒng)中使用的永磁體型號N48，使用的單個永磁體體積規(guī)格為30 mm×20 mm×15 mm。磁敏傳感器選用霍爾傳感器為SS495A型，規(guī)格尺寸為4 mm×4 mm×2.5 mm。多路模擬開關為MAX4638EUE型，A/D轉換模塊為ADS1256型。

(3)采用VS2013編程平臺，并利用C#語言完成軟件開發(fā)工作，基于軟件程序可以對各種硬件設施進行驅動，實現對應的功能。軟件系統(tǒng)內部設置有閾值條件，一旦檢測發(fā)現超過了閾值條件系統(tǒng)會發(fā)出警告。

(4)將設計的漏磁檢測系統(tǒng)裝置應用到某長輸天然氣管道缺陷檢測工程項目中，有效發(fā)現了管道中存在的各種內部和外部缺陷問題。通過對10處缺陷問題部位的開挖驗證，發(fā)現檢測系統(tǒng)獲得的檢測結果精度較高。