本文摘要：摘要：針對(duì)中國油氣管道中普遍存在的環(huán)焊縫缺陷、類裂紋缺陷以及針孔小缺陷檢測(cè)能力和識(shí)別率較低的難題，通過理論分析、建模仿真、設(shè)備研制、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等環(huán)節(jié)，自主研發(fā)了新一代超高清管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器。該檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了探頭通道間距0.6mm，軸向采樣間距1mm，滿足海量數(shù)
摘要：針對(duì)中國油氣管道中普遍存在的環(huán)焊縫缺陷、類裂紋缺陷以及針孔小缺陷檢測(cè)能力和識(shí)別率較低的難題，通過理論分析、建模仿真、設(shè)備研制、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等環(huán)節(jié)，自主研發(fā)了新一代超高清管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器。該檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了探頭通道間距0.6mm，軸向采樣間距1mm，滿足海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和采集要求，信號(hào)數(shù)據(jù)采集量增加15倍，并將漏磁檢測(cè)、變形檢測(cè)及定位檢測(cè)集成到同一臺(tái)檢測(cè)器上，可一次性檢測(cè)出各類缺陷，同時(shí)對(duì)齊腐蝕、變形以及環(huán)焊縫缺陷。開發(fā)了基于深度學(xué)習(xí)的智能化識(shí)別分析軟件，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)了缺陷的一體化識(shí)別，提高了小孔腐蝕的可檢測(cè)能力，可有效識(shí)別面積小于1A×1A(A為管道壁厚)的缺陷。初步解決了當(dāng)前三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)器無法精確描述和量化小孔腐蝕缺陷、環(huán)焊縫缺陷的突出問題，對(duì)于打破國外壟斷，提升中國管道完整性技術(shù)水平意義重大。
關(guān)鍵詞：內(nèi)檢測(cè);超高清;海量存儲(chǔ);環(huán)焊縫;小孔腐蝕;智能化識(shí)別
管道內(nèi)檢測(cè)器是一種集成了檢測(cè)、信息采集、處理、存儲(chǔ)等技術(shù)的裝置，其技術(shù)水平一定程度上代表了一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平。1965年，美國Tuboscope公司開發(fā)出第1代管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器，聚焦于金屬損失檢測(cè)。1980年以來，美國西南研究院、加拿大BJ、德國NDT、美國GE(PII)、德國ROSEN等機(jī)構(gòu)相繼開展了油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究與系列化設(shè)備研制，并成功應(yīng)用于工程服務(wù)。
2000年以來，中國科研機(jī)構(gòu)在國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、重大科學(xué)儀器研制項(xiàng)目的支撐下，逐步開展了油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的研究及設(shè)備的研制，設(shè)備在功能、精度等方面與國外的差距進(jìn)一步縮小，已完成第1代漏磁內(nèi)檢測(cè)器、第2代高精度漏磁內(nèi)檢測(cè)器、第3代三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)器、第4代三軸高清復(fù)合漏磁內(nèi)檢測(cè)器的研制[1-10]，第4代三軸高清復(fù)合漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)將腐蝕數(shù)據(jù)、變形數(shù)據(jù)、壓力、速度等數(shù)據(jù)一體化采集，并在同一平臺(tái)上進(jìn)行分析。
漏磁檢測(cè)從勵(lì)磁方式上可分為軸向勵(lì)磁和環(huán)向勵(lì)磁，軸向勵(lì)磁技術(shù)對(duì)環(huán)向缺陷敏感，環(huán)向勵(lì)磁對(duì)軸向缺陷敏感，中國學(xué)者歷經(jīng)10余年攻關(guān)，成功開發(fā)出軸向勵(lì)磁、環(huán)向勵(lì)磁、幾何變形、慣性導(dǎo)航(InertialMeasurementUnit，IMU)等管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管體腐蝕、變形、機(jī)械損傷、路由位置的檢測(cè)[11-15]。沈陽工業(yè)大學(xué)與國家管網(wǎng)西部管道公司已聯(lián)合研發(fā)機(jī)械組合式軸向勵(lì)磁+環(huán)向勵(lì)磁技術(shù)，目前處于試驗(yàn)階段，但在信號(hào)對(duì)齊、裂紋或環(huán)焊縫類裂紋缺陷檢測(cè)方面仍存在問題[16]。
此外，超聲波檢測(cè)技術(shù)也是管道內(nèi)檢測(cè)常用方法，通過耦合劑實(shí)現(xiàn)傳感器與管壁之間超聲信號(hào)的發(fā)射和接收，檢測(cè)器可在液體管道中運(yùn)行，不適合在天然氣管道中運(yùn)行[17-18]。磁巴克豪森噪聲信號(hào)在管道應(yīng)力集中處波動(dòng)明顯，若將磁巴克豪森技術(shù)集成到管道內(nèi)檢測(cè)器上，可實(shí)現(xiàn)長距離管道應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)，工程應(yīng)用前景廣闊[19-21]。
目前，中國內(nèi)檢測(cè)技術(shù)在原理應(yīng)用、精度等方面與國外仍存在一定差距，具體體現(xiàn)在：①中國管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究起步時(shí)間短，檢測(cè)器重要部件、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尚需加大研究力度，芯片、傳感器以及高精度陀螺亟需實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新;②管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)勵(lì)磁方式單一，與軸向成45°以下的缺陷無法有效識(shí)別與檢測(cè)，環(huán)向勵(lì)磁技術(shù)尚處于工程試驗(yàn)階段，螺旋勵(lì)磁沒有開展任何工作;③與國外管道檢測(cè)技術(shù)工業(yè)化差距大，國外在環(huán)向勵(lì)磁、螺旋勵(lì)磁、超聲波裂紋檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)(ElectromagneticAcousticTransducer，EMAT)方面基本實(shí)現(xiàn)常規(guī)化，中國50%以上的管道內(nèi)檢測(cè)市場(chǎng)被ROSEN和GE(PII)等國外檢測(cè)企業(yè)占據(jù)。
針對(duì)中國管道環(huán)焊縫缺陷、類裂紋缺陷以及針孔小缺陷檢測(cè)能力不足和識(shí)別率不高的難題，研發(fā)了新一代超高清亞毫米級(jí)管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器。通過磁路仿真設(shè)計(jì)、探頭開發(fā)、海量數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，建立基于深度學(xué)習(xí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提高了超高清檢測(cè)技術(shù)的缺陷量化和識(shí)別能力，對(duì)推動(dòng)中國管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展與工業(yè)化意義重大。
1關(guān)鍵技術(shù)
1.1磁路有限元數(shù)值仿真以管徑323mm的管道為例，分別計(jì)算壁厚為6.4mm、8.0mm、9.5mm、10.3mm、12.7mm時(shí)管道外壁的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度�；诖艌�(chǎng)分析的有限元仿真方法，建立超高清管道漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的有限元仿真模型，計(jì)算出管壁外部2mm提離時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，為管道漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。不同的顏色代表不同的材料，其中鐵芯為1J22合金，永磁鐵采用N48釹鐵硼，鋼刷為65Mn，外部包裹的為空氣。給出了有限元計(jì)算網(wǎng)格，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選擇二維八節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元PLANE233，包裹空氣的外表面使用了無限單元INFIN110，一共采用了39577個(gè)單元和119556個(gè)節(jié)點(diǎn)。
1.2亞毫米級(jí)間距探頭研制
成功研制出字形亞毫米級(jí)間距霍爾探頭，實(shí)現(xiàn)單個(gè)探頭各通道間距達(dá)0.6mm。將相鄰的兩個(gè)字形探頭正反交錯(cuò)設(shè)置，使得探頭在檢測(cè)器中心軸的徑向上形成內(nèi)外兩排的排布方式，相較于現(xiàn)有技術(shù)的單排設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)方式布置的探頭個(gè)數(shù)明顯增多，排布更加緊湊，相鄰兩個(gè)探頭的間隙達(dá)到最小，有助于檢測(cè)出管道內(nèi)部針孔型小缺陷，大幅度提高檢測(cè)精度。
同時(shí)，相鄰的兩個(gè)探頭沿檢測(cè)器中心軸的徑向保留一定距離，保證檢測(cè)器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，探頭具有一定的活動(dòng)空間，減少因管道壁的擠壓對(duì)探測(cè)機(jī)構(gòu)造成的損壞。探頭支撐部位設(shè)置多個(gè)彈性部件，每個(gè)探測(cè)單元通過一個(gè)連接機(jī)構(gòu)與檢測(cè)器的中心軸連接。彈簧可提供一定的緩沖力度，提高了連接機(jī)構(gòu)的柔和性，使檢測(cè)器過焊道時(shí)更加平穩(wěn)，降低了探測(cè)機(jī)構(gòu)受撞擊時(shí)的力度，延長了檢測(cè)器的使用壽命。
1.3數(shù)據(jù)分析軟件開發(fā)與數(shù)據(jù)集構(gòu)建
1.3.1數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要包含A/D采樣芯片、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)、雙口RAM處理器緩存、ARM控制器、NANDFlash存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)在于方便實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字霍爾磁信號(hào)、里程信號(hào)、溫度信號(hào)等的采集和控制。對(duì)于不同類型的檢測(cè)信號(hào)，其數(shù)據(jù)采集方式不同，非磁檢測(cè)信號(hào)(如壓力、溫度等)的數(shù)據(jù)量小，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，直接送入ARM處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換端口進(jìn)行采集，而漏磁檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)量大，主要由FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)多路采集。
1.3.2數(shù)據(jù)分析軟件開發(fā)
對(duì)于超高清亞毫米級(jí)檢測(cè)技術(shù)，海量數(shù)據(jù)的讀取和分析是關(guān)鍵，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)分析軟件，實(shí)現(xiàn)漏磁數(shù)據(jù)、變形數(shù)據(jù)以及IMU數(shù)據(jù)的統(tǒng)一整合與分析。軟件以曲線、灰度、彩色等表現(xiàn)形式呈現(xiàn)出直觀的管道圖像;功能上可實(shí)現(xiàn)管道缺陷和焊縫缺陷的識(shí)別和量化，并評(píng)以、II、III級(jí);可進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，生成檢測(cè)數(shù)據(jù)的三維地理坐標(biāo)，識(shí)別和量化管道中的凹陷、橢圓化、褶皺等;識(shí)別分析管道壁厚的變化，標(biāo)記管道的三通、閥門、法蘭、彎頭、焊縫等特征。
數(shù)據(jù)分析軟件采用統(tǒng)一基準(zhǔn)利用缺陷特征參數(shù)進(jìn)行缺陷長度、寬度、深度的量化，可進(jìn)行管道缺陷特征自動(dòng)辨識(shí)和缺陷量化，同時(shí)具備靈活的統(tǒng)計(jì)、報(bào)表及輸出功能，生成三維管道缺陷點(diǎn)分布，輔助完成缺陷自動(dòng)化、智能化識(shí)別，并能實(shí)現(xiàn)缺陷等效尺寸的計(jì)算和臨界破壞壓力值的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷點(diǎn)安全性的評(píng)估。
1.3.3檢測(cè)數(shù)據(jù)比較
新一代超高清內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)與第4代三軸高清數(shù)據(jù)信號(hào)、第3代高清數(shù)據(jù)信號(hào)相比，在數(shù)據(jù)密集程度、缺陷像素質(zhì)量等方面獲得大幅提高。以323mm管道內(nèi)檢測(cè)器為例，第3代內(nèi)檢測(cè)器采用單軸傳感器布設(shè)，漏磁通道數(shù)量為80個(gè)，內(nèi)外部缺陷識(shí)別(InsideOrOutside，IDOD)通道30個(gè);第4代內(nèi)檢測(cè)器采用三軸模擬霍爾傳感器3.0~6.9mm布設(shè)，漏磁通道360個(gè)，IDOD通道30個(gè)，軸向采樣間距2mm;新一代超高清內(nèi)檢測(cè)器采用三軸亞毫米數(shù)字霍爾傳感器布設(shè)，漏磁通道768個(gè)，IDOD通道768個(gè)，軸向采樣間距1mm，總通道數(shù)1536個(gè)，數(shù)據(jù)顯示的密集度大幅增加。
2工程應(yīng)用案例
2020年2月，新一代超高清亞毫米級(jí)管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備在中石化某輸油管道進(jìn)行了應(yīng)用。該管道全長105.5km，常規(guī)壁厚6.4mm，管道直徑323mm，設(shè)計(jì)壓力9.5MPa。該設(shè)備擁有雙通道，三軸主、副探頭共1536個(gè)檢測(cè)通道，探頭通道數(shù)量是第4代設(shè)備的5~6倍;探頭間距為0.6mm，明顯小于行業(yè)國際巨頭的1.6mm，軸向采樣間距為1mm，較一般傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的軸向探頭間距3~6.9mm、軸向采樣間距2mm，數(shù)據(jù)總量提高近15倍，可精準(zhǔn)描述管道焊縫缺陷，對(duì)于針眼小孔腐蝕的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)具有重要意義。
通過檢測(cè)和開挖驗(yàn)證，可清晰地判斷出環(huán)焊縫缺陷的異常等級(jí)和焊縫缺陷類別。開挖驗(yàn)證缺陷為焊縫邊緣余高未填滿，同時(shí)可以檢測(cè)出針孔缺陷(小于1A×1A，A為壁厚，如果壁厚小于6mm，則按照6mm計(jì)算)，以及其他特征(如凹陷等)，缺陷檢測(cè)與識(shí)別精度大幅提高。
GB/T27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，金屬損失的類型可以按照其長度和寬度分為均勻金屬損失、坑狀金屬損失、針孔、環(huán)向凹溝、環(huán)向凹槽、軸向凹溝及軸向凹槽，通過開挖驗(yàn)證比較分析，檢測(cè)器的性能指標(biāo)與開挖驗(yàn)證檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)吻合，此次檢測(cè)可信度達(dá)到90%，優(yōu)于80%的預(yù)定指標(biāo);可檢測(cè)率達(dá)到95%以上，優(yōu)于90%的預(yù)定指標(biāo);缺陷識(shí)別率達(dá)到98%以上，優(yōu)于90%的檢測(cè)指標(biāo)。
3結(jié)論與建議
(1)突破了超高清漏磁亞毫米級(jí)探頭間距難題，將探頭通道數(shù)量增加了5~6倍，采集數(shù)據(jù)量增加15倍，實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)通道間距的海量數(shù)據(jù)采集，基本做到缺陷的精細(xì)化描述，解決了油氣管道針眼小面積深度腐蝕的難題。(2)形成了管道超高清漏磁檢測(cè)、變形檢測(cè)、位置檢測(cè)三位一體的復(fù)合檢測(cè)技術(shù)，并在同一時(shí)間軸上進(jìn)行對(duì)齊和分析，定位更加準(zhǔn)確，可以準(zhǔn)確描述幾何變形、金屬損失的復(fù)合缺陷。
(3)突破了管道厚壁管磁化的檢測(cè)難題，將磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到了原來的2~3倍，初步實(shí)現(xiàn)了管道小缺陷和環(huán)焊縫缺陷的精準(zhǔn)檢測(cè);突破了基于海量數(shù)據(jù)的綜合分析技術(shù)，大大增強(qiáng)焊縫的可識(shí)別性;通過與開挖數(shù)據(jù)比對(duì)分析，大幅提高焊縫未焊透、未熔合、開口裂紋等缺陷的識(shí)別精準(zhǔn)度，基本實(shí)現(xiàn)焊縫的量化評(píng)價(jià)。
(4)開發(fā)了基于深度學(xué)習(xí)的智能化內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件，建立深度學(xué)習(xí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了缺陷一體化、智能化識(shí)別，提高了小孔腐蝕的可檢測(cè)能力，可有效識(shí)別面積小于1A×1A的缺陷，初步解決了當(dāng)前三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)器針對(duì)小孔腐蝕缺陷和環(huán)焊縫缺陷無法實(shí)現(xiàn)精確描述和量化的突出問題。(5)不斷豐富超高清數(shù)據(jù)庫的缺陷數(shù)量，提高軟件智能化分析識(shí)別能力，在環(huán)焊縫量化評(píng)價(jià)上進(jìn)一步提高精度。加大管道內(nèi)檢測(cè)新技術(shù)的研發(fā)，針對(duì)現(xiàn)有漏磁場(chǎng)不能檢測(cè)的小滲漏、小孔泄漏等，采用聲磁融合理論，開展新型內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的研究。
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作者：董紹華1,2田中山3賴少川3王同德1宋執(zhí)武1彭東華1劉冠一1魏昊天1
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