本文摘要：摘要：針對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能力和識別率較低的難題，通過理論分析、建模仿真、設備研制、現(xiàn)場應用等環(huán)節(jié)，自主研發(fā)了新一代超高清管道漏磁內(nèi)檢測器。該檢測器實現(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能力和識別率較低的難題，通過理論分析、建模仿真、設備研制、現(xiàn)場應用等環(huán)節(jié)，自主研發(fā)了新一代超高清管道漏磁內(nèi)檢測器。該檢測器實現(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)存儲和采集要求，信號數(shù)據(jù)采集量增加15倍，并將漏磁檢測、變形檢測及定位檢測集成到同一臺檢測器上，可一次性檢測出各類缺陷，同時對齊腐蝕、變形以及環(huán)焊縫缺陷。開發(fā)了基于深度學習的智能化識別分析軟件，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習模型，實現(xiàn)了缺陷的一體化識別，提高了小孔腐蝕的可檢測能力，可有效識別面積小于1A×1A(A為管道壁厚)的缺陷。初步解決了當前三軸高清漏磁內(nèi)檢測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，對于打破國外壟斷，提升中國管道完整性技術水平意義重大。
關鍵詞：內(nèi)檢測;超高清;海量存儲;環(huán)焊縫;小孔腐蝕;智能化識別
管道內(nèi)檢測器是一種集成了檢測、信息采集、處理、存儲等技術的裝置，其技術水平一定程度上代表了一個國家的工業(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)檢測器，聚焦于金屬損失檢測。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等機構(gòu)相繼開展了油氣管道內(nèi)檢測技術研究與系列化設備研制，并成功應用于工程服務。
2000年以來，中國科研機構(gòu)在國家重點研發(fā)項目、重大科學儀器研制項目的支撐下，逐步開展了油氣管道內(nèi)檢測技術的研究及設備的研制，設備在功能、精度等方面與國外的差距進一步縮小，已完成第1代漏磁內(nèi)檢測器、第2代高精度漏磁內(nèi)檢測器、第3代三軸高清漏磁內(nèi)檢測器、第4代三軸高清復合漏磁內(nèi)檢測器的研制[1-10]，第4代三軸高清復合漏磁內(nèi)檢測技術將腐蝕數(shù)據(jù)、變形數(shù)據(jù)、壓力、速度等數(shù)據(jù)一體化采集，并在同一平臺上進行分析。
漏磁檢測從勵磁方式上可分為軸向勵磁和環(huán)向勵磁，軸向勵磁技術對環(huán)向缺陷敏感，環(huán)向勵磁對軸向缺陷敏感，中國學者歷經(jīng)10余年攻關，成功開發(fā)出軸向勵磁、環(huán)向勵磁、幾何變形、慣性導航(InertialMeasurementUnit，IMU)等管道內(nèi)檢測技術，實現(xiàn)對管體腐蝕、變形、機械損傷、路由位置的檢測[11-15]。沈陽工業(yè)大學與國家管網(wǎng)西部管道公司已聯(lián)合研發(fā)機械組合式軸向勵磁+環(huán)向勵磁技術，目前處于試驗階段，但在信號對齊、裂紋或環(huán)焊縫類裂紋缺陷檢測方面仍存在問題[16]。
此外，超聲波檢測技術也是管道內(nèi)檢測常用方法，通過耦合劑實現(xiàn)傳感器與管壁之間超聲信號的發(fā)射和接收，檢測器可在液體管道中運行，不適合在天然氣管道中運行[17-18]。磁巴克豪森噪聲信號在管道應力集中處波動明顯，若將磁巴克豪森技術集成到管道內(nèi)檢測器上，可實現(xiàn)長距離管道應力內(nèi)檢測，工程應用前景廣闊[19-21]。
目前，中國內(nèi)檢測技術在原理應用、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)檢測技術研究起步時間短，檢測器重要部件、關鍵結(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現(xiàn)自主創(chuàng)新;②管道內(nèi)檢測技術勵磁方式單一，與軸向成45°以下的缺陷無法有效識別與檢測，環(huán)向勵磁技術尚處于工程試驗階段，螺旋勵磁沒有開展任何工作;③與國外管道檢測技術工業(yè)化差距大，國外在環(huán)向勵磁、螺旋勵磁、超聲波裂紋檢測、電磁超聲檢測(ElectromagneticAcousticTransducer，EMAT)方面基本實現(xiàn)常規(guī)化，中國50%以上的管道內(nèi)檢測市場被ROSEN和GE(PII)等國外檢測企業(yè)占據(jù)。
針對中國管道環(huán)焊縫缺陷、類裂紋缺陷以及針孔小缺陷檢測能力不足和識別率不高的難題，研發(fā)了新一代超高清亞毫米級管道漏磁內(nèi)檢測器。通過磁路仿真設計、探頭開發(fā)、海量數(shù)據(jù)采集和存儲，建立基于深度學習的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，提高了超高清檢測技術的缺陷量化和識別能力，對推動中國管道內(nèi)檢測技術發(fā)展與工業(yè)化意義重大。
1關鍵技術
1.1磁路有限元數(shù)值仿真以管徑323mm的管道為例，分別計算壁厚為6.4mm、8.0mm、9.5mm、10.3mm、12.7mm時管道外壁的漏磁場強度�；诖艌龇治龅挠邢拊抡娣椒�，建立超高清管道漏磁檢測系統(tǒng)的有限元仿真模型，計算出管壁外部2mm提離時的磁場強度，為管道漏磁檢測系統(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。給出了有限元計算網(wǎng)格，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，選擇二維八節(jié)點軸對稱單元PLANE233，包裹空氣的外表面使用了無限單元INFIN110，一共采用了39577個單元和119556個節(jié)點。
1.2亞毫米級間距探頭研制
成功研制出字形亞毫米級間距霍爾探頭，實現(xiàn)單個探頭各通道間距達0.6mm。將相鄰的兩個字形探頭正反交錯設置，使得探頭在檢測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)有技術的單排設計，此設計方式布置的探頭個數(shù)明顯增多，排布更加緊湊，相鄰兩個探頭的間隙達到最小，有助于檢測出管道內(nèi)部針孔型小缺陷，大幅度提高檢測精度。
同時，相鄰的兩個探頭沿檢測器中心軸的徑向保留一定距離，保證檢測器在管道內(nèi)運行時，探頭具有一定的活動空間，減少因管道壁的擠壓對探測機構(gòu)造成的損壞。探頭支撐部位設置多個彈性部件，每個探測單元通過一個連接機構(gòu)與檢測器的中心軸連接。彈簧可提供一定的緩沖力度，提高了連接機構(gòu)的柔和性，使檢測器過焊道時更加平穩(wěn)，降低了探測機構(gòu)受撞擊時的力度，延長了檢測器的使用壽命。
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存儲器，其特點在于方便實現(xiàn)對數(shù)字霍爾磁信號、里程信號、溫度信號等的采集和控制。對于不同類型的檢測信號，其數(shù)據(jù)采集方式不同，非磁檢測信號(如壓力、溫度等)的數(shù)據(jù)量小，經(jīng)信號調(diào)理后，直接送入ARM處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換端口進行采集，而漏磁檢測信號數(shù)據(jù)量大，主要由FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)多路采集。
1.3.2數(shù)據(jù)分析軟件開發(fā)
對于超高清亞毫米級檢測技術，海量數(shù)據(jù)的讀取和分析是關鍵，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)分析軟件，實現(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;功能上可實現(xiàn)管道缺陷和焊縫缺陷的識別和量化，并評以、II、III級;可進行檢測數(shù)據(jù)的對比分析，生成檢測數(shù)據(jù)的三維地理坐標，識別和量化管道中的凹陷、橢圓化、褶皺等;識別分析管道壁厚的變化，標記管道的三通、閥門、法蘭、彎頭、焊縫等特征。
數(shù)據(jù)分析軟件采用統(tǒng)一基準利用缺陷特征參數(shù)進行缺陷長度、寬度、深度的量化，可進行管道缺陷特征自動辨識和缺陷量化，同時具備靈活的統(tǒng)計、報表及輸出功能，生成三維管道缺陷點分布，輔助完成缺陷自動化、智能化識別，并能實現(xiàn)缺陷等效尺寸的計算和臨界破壞壓力值的分析，實現(xiàn)對缺陷點安全性的評估。
1.3.3檢測數(shù)據(jù)比較
新一代超高清內(nèi)檢測數(shù)據(jù)信號與第4代三軸高清數(shù)據(jù)信號、第3代高清數(shù)據(jù)信號相比，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)檢測器為例，第3代內(nèi)檢測器采用單軸傳感器布設，漏磁通道數(shù)量為80個，內(nèi)外部缺陷識別(InsideOrOutside，IDOD)通道30個;第4代內(nèi)檢測器采用三軸模擬霍爾傳感器3.0~6.9mm布設，漏磁通道360個，IDOD通道30個，軸向采樣間距2mm;新一代超高清內(nèi)檢測器采用三軸亞毫米數(shù)字霍爾傳感器布設，漏磁通道768個，IDOD通道768個，軸向采樣間距1mm，總通道數(shù)1536個，數(shù)據(jù)顯示的密集度大幅增加。
2工程應用案例
2020年2月，新一代超高清亞毫米級管道內(nèi)檢測設備在中石化某輸油管道進行了應用。該管道全長105.5km，常規(guī)壁厚6.4mm，管道直徑323mm，設計壓力9.5MPa。該設備擁有雙通道，三軸主、副探頭共1536個檢測通道，探頭通道數(shù)量是第4代設備的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)檢測技術的軸向探頭間距3~6.9mm、軸向采樣間距2mm，數(shù)據(jù)總量提高近15倍，可精準描述管道焊縫缺陷，對于針眼小孔腐蝕的檢測發(fā)現(xiàn)具有重要意義。
通過檢測和開挖驗證，可清晰地判斷出環(huán)焊縫缺陷的異常等級和焊縫缺陷類別。開挖驗證缺陷為焊縫邊緣余高未填滿，同時可以檢測出針孔缺陷(小于1A×1A，A為壁厚，如果壁厚小于6mm，則按照6mm計算)，以及其他特征(如凹陷等)，缺陷檢測與識別精度大幅提高。
GB/T27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術規(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，通過開挖驗證比較分析，檢測器的性能指標與開挖驗證檢測技術指標吻合，此次檢測可信度達到90%，優(yōu)于80%的預定指標;可檢測率達到95%以上，優(yōu)于90%的預定指標;缺陷識別率達到98%以上，優(yōu)于90%的檢測指標。
3結(jié)論與建議
(1)突破了超高清漏磁亞毫米級探頭間距難題，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，實現(xiàn)亞毫米級通道間距的海量數(shù)據(jù)采集，基本做到缺陷的精細化描述，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、變形檢測、位置檢測三位一體的復合檢測技術，并在同一時間軸上進行對齊和分析，定位更加準確，可以準確描述幾何變形、金屬損失的復合缺陷。
(3)突破了管道厚壁管磁化的檢測難題，將磁場強度提高到了原來的2~3倍，初步實現(xiàn)了管道小缺陷和環(huán)焊縫缺陷的精準檢測;突破了基于海量數(shù)據(jù)的綜合分析技術，大大增強焊縫的可識別性;通過與開挖數(shù)據(jù)比對分析，大幅提高焊縫未焊透、未熔合、開口裂紋等缺陷的識別精準度，基本實現(xiàn)焊縫的量化評價。
(4)開發(fā)了基于深度學習的智能化內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析軟件，建立深度學習的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，實現(xiàn)了缺陷一體化、智能化識別，提高了小孔腐蝕的可檢測能力，可有效識別面積小于1A×1A的缺陷，初步解決了當前三軸高清漏磁內(nèi)檢測器針對小孔腐蝕缺陷和環(huán)焊縫缺陷無法實現(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別能力，在環(huán)焊縫量化評價上進一步提高精度。加大管道內(nèi)檢測新技術的研發(fā)，針對現(xiàn)有漏磁場不能檢測的小滲漏、小孔泄漏等，采用聲磁融合理論，開展新型內(nèi)檢測技術的研究。
參考文獻
[1]李開泰，黃艾香，黃慶懷.有限元方法及其應用[M].西安：西安交通大學出版社，1992：85-106.LIKT,HUANGAX,HUANGQH.Finiteelementmethodanditsapplication[M].Xi'an:Xi'anJiaotongUniversityPress,1992:85-106.
[2]宋后定，陳培林.永磁材料及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984：29-37.SONGHD,CHENPL.Permanentmagneticmaterialandapplication[M].Beijing:ChinaMachinePress,1984:29-37.
[3]ACHILLESD.Fouriertransforminsignalprocessing[M].Beijing:SciencePress,1989:102-129.
[4]楊理踐，王玉梅，馮海英.智能化管道漏磁檢測裝置的研究[J].無損檢測，2002，24(3)：100-102.YANGLJ,WANGYM,FENGHY.Researchonintelligentpipelinemagneticfluxleakagetester[J].NondestructiveTesting,2002,24(3):100-102.
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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