油氣管道缺陷漏磁檢測地面標記器研制

蘇志毅，黃松嶺，趙 偉，王 珅，奉華成

（清華大學 電機系 電力系統國家重點實驗室，北京 100084）

管道運輸是以管道作為運輸工具的一種長距離輸送液體和氣體物資的運輸方式，目前主要用于專門由生產地向市場輸送石油、煤和化學產品，是我國運輸網中干線運輸的一個特殊而重要的組成部分。隨著我國油氣進口量的不斷增加和石油天然氣開發利用水平的提高，管道運輸業已成為與鐵路、公路、水運、航空運輸并列的五大運輸方式之一。“十一五”期間，中國的油氣管線里程以每年約5000km的速度增長，從“十五”末的4萬多km發展到2011年的6.8萬km［1］。

油氣管道的蓬勃發展和管線里程的飛速增長對管道檢測提出了嚴格的要求。管道在長期的使用中，會因為腐蝕、機械外力或者內力等原因在管道壁上產生缺陷，可能導致管道泄漏甚至爆炸事故的發生，嚴重威脅到人民的生命財產安全。目前國內外的眾多專家學者已經在埋地管道的缺陷檢測方面做了大量的研究工作，提出了不少行之有效的檢測方法，如現場調查、X射線透射、電磁超聲、渦流／磁化渦流檢測法等［2］。其中，漏磁檢測（Magnetic Flux Leakage，MFL）是油氣管道檢測最常用的方法并且有著獨特的優勢［3－4］。

一般，漏磁檢測系統由三個主要部分組成，即管內檢測、管外定位和數據分析。油氣管道的長輸管線一般長度在二三百公里以上，發生泄漏之后很難及時發現并查出泄漏地點，因此管道缺陷檢測，尤其是對缺陷的準確定位，對于減少管道事故的發生以及避免不必要的管道停工和挖掘具有十分重要的意義。而地面標記器正是管外定位系統的核心組成部分，它通過記錄內檢測器從管道中經過其正下方的時間來精確定位缺陷。

根據其采用的原理，應用于管道內檢測器的地面標記技術一般分為渦流、電磁波［5］、弱磁場檢測和聲振動檢測［6］四類。筆者采用了基于弱磁檢測的設計，其優點是定位精度高，成本較低，利用了內檢測器上原有的永磁體激發的感應電動勢，缺點是信號處理比較復雜。

1 地面標記器的工作原理

漏磁檢測內檢測器通常又被稱為PIG，因為它在管道中運行時發出像豬叫一樣的聲音。其在管道中由于受到前后載體（天然氣或者石油等）的壓力不同而被推動向前運動，此時裝設在檢測器上的里程輪會隨之轉動，記錄檢測器前進的距離。理論上，里程輪可以記錄缺陷的位置，但在實際運行中，由于里程輪本身的機械結構誤差、里程輪磨損導致的直徑變化以及PIG在行進過程中的翻轉、里程輪打滑失效等原因，可能會出現實際運行距離與記錄的里程數不一致的情況，致使缺陷無法精確定位。據統計，依靠里程輪記錄的PIG平均每運行1km會產生1 m的誤差［7］，對于現代的長輸管線而言，該誤差會累積至一個無法容忍的程度并導致檢測的失敗。

地面標記系統正是為了修正PIG里程數誤差的累積而設計的，它的主要任務是標記內檢測器從其正下方經過的準確時間。

通常一個地面標記系統會沿著管線在管道的正上方每隔1～2km放置一個地面標記器，如圖1所示。所有標記器上都有計時器，它們互相之間以及與檢測器上的計時器都是同步的。在一次完整的檢測中，每個標記器都會記錄下PIG經過的時間。記第i個地面標記器的位置（以它距離檢測起點的距離表示）是Li，檢測器經過它正下方的時間是ti（可以從標記器的記錄中讀出），那么缺陷的真實定位就可以按以下公式修正。L＝Li＋（t－ti）ΔL （1）式中t表示PIG檢測到一個缺陷的時間；ΔL表示在兩個最小的時間計數間隔中PIG運動的距離。由此，真實的缺陷位置和里程輪的記錄之間的誤差就可以被限制到1～2m的范圍內。

圖1 地面標記系統工作原理示意圖

2 地面標記器的設計

2.1 地面標記器的硬件設計

文獻［8］總結了近年來地面標記器的設計和改進方案。總的說來，由于地面標記器需要在野外沒有電力供應的條件下保證一段長時間（一次完整的檢測可能持續幾十個小時）的可靠運行，它的設計應該遵循以下原則：① 具有高精度、抗干擾能力強的穩定時鐘源。② 具有高靈敏度的磁探測能力。③ 低功耗，帶獨立電源。④ 低成本。

傳統的弱磁場檢測的地面標記器［9］體積龐大且功耗較大，由于地面標記器和基準時鐘源一一對應，所以現場檢測時操作不便，耗時較長。筆者對此做了如下的優化設計。

地面標記器的結構框圖如圖2所示。從霍爾傳感器得到的信號經過濾波放大電路，進入主控芯片MCU的模數轉換單元進行采樣，形成數字序列。如果數字序列反映出有內檢測器經過而引起磁場變動的信號特征，這段數字序列和對應的時間計數值就會被寫入MCU的FLASH閃存中。為解決功耗大的問題，MCU在工作中大部分時間處于“休眠模式”，僅激活計時功能；當漏磁信號提示內檢測器即將經過時喚醒MCU，實現采集和記錄漏磁信號的功能。

圖2 地面標記器的結構設計

使用霍爾元件作為檢測磁場的傳感器是因為它對磁場強度有很高的靈敏度［10］，而且其輸出信號的幅值和極性可以方便地通過計算機編程進行調整，以滿足不同項目的需要和簡化信號調理電路的設計。由于目標信號是一個非周期信號，而環境磁場的干擾可以看作一個高頻噪聲，所以信號調理的主要作用是低通濾波以及放大信號到適合模數轉換單元的量。

設計中采用了鉛酸電池系統供電。鉛酸電池沒有記憶效應，自放電率低，但它的質量／體積比能量相對較小。其實考慮到它主要用于野外的工程實際，一定的重量反而能增加它在惡劣的氣候和自然環境下的物理穩定性。而且，鉛酸電池技術在近代有了重大變革，性能有了極大飛躍，主要標志是20世紀70年代發展的閥控密封鉛酸電池（VRLA）。此種鉛酸電池具有能量高、壽命最長（平均10年）、容量更大（是普通鉛酸電池的兩倍）、不漏液、安全、無污染、可回收、免維護、使用方便等特點，而且保留了成本最低的優勢（相較于鋰離子電池、鎳鎘電池和鎳氫電池而言）。

考慮到在一次完整的管道檢測中需要利用到大量的地面標記器，但每個標記器只需要記錄并且傳輸少量的信息（只有時間計數值以及一小段的波形數據），所以每個標記器通過一個無線接口和上位機相連，以簡化操作和提高效率。它也通過該無線接口和檢測器同步時間計數。

2.2 地面標記器的軟件設計

地面標記器配套的軟件程序主要有4個方面的內容：計時、數據獲取、干擾排除和通訊。

根據對霍爾軟件的編程設置（單極性輸出），當內檢測器經過標記器下方時，激發的磁信號應該是一個類似半正弦形狀的波形，信號到達波形頂點的時間就是檢測器經過標記器的垂直軸和管道的交點的時刻。干擾的消除主要基于干擾的信號幅值和形狀與目標信號的不同，因此，判斷一個信號波形是否有效，除了觀察信號的大小和長度是否達到閾值外，還要判斷信號開始時是否保持穩定的上升趨勢。程序的流程圖如圖3所示。

圖3 地面標記器程序流程圖

通訊程序作為中斷子程序來處理，當地面標記器接收到來自檢測器的時間信息時，標記器根據此時間信息重新設置自己的時間計數。當標記器接收到上位機的回收數據的請求時，各個標記器按編號順序將記錄的時間值逐一發送回去。

3 試驗及結果

有限元分析的結果顯示，當有檢測器經過時，在管道以上3m處的土地中的磁場強度是高斯級的。在驗證試驗中，利用亥姆霍茲線圈產生1Gs的磁場，并使地面標記器在其中沿線圈軸線運動以模擬內檢測器在管道中移動的情況。將采樣頻率設置為10kHz，移動速度為5m／s，大約記錄了100個數據組成波形，如圖4所示。結果顯示，該系統能夠有效識別并且捕捉由于檢測器經過而引起的磁場強度變化激發的信號。

圖4 驗證試驗記錄的數據和波形

4 結論

基于對地面標記系統的工作原理和技術要求的詳細分析，研制了一套高精度的油氣管道缺陷漏磁檢測地面標記器，同時編寫了相應的軟件程序。試驗表明，系統能夠準確檢測到一個管內檢測器在標記器以下3m的管道中經過時引起的磁場變化信號。為了簡化操作和提高效率，地面標記器和檢測器以及上位機之間通過無線模塊連接。

［1］趙秀娟.油氣管網內通外達［J］.中國石油企業，2012（12）：64－65.

［2］Liying Sun.Verification experiments for high－precision above ground marking system［C］.20108thIEEE Conference on Control and Automation.Xiamen，China，2010（9－11）：1737－1741.

［3］Katragadda G，Load W，Sun Y S，et al.Alternative magnetic flux leakage modalities for pipeline inspection［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1996，32（3）：1581－1584.

［4］Ivanov P A，Zhang Z，Yeoh C H，et al.Magnetic flux leakage modeling for mechanical damage in transmission pipelines［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1998，34（5）：3020－3023.

［5］蘇宇航，吳靜，奉華成，等.便攜式管道檢測器定位系統的研制［J］.無損檢測，2012，34（4）：22－25.

［6］張鵬.基于多路聲檢測的地面標記器研究［D］.天津：天津大學精儀學院，2010：3－5.

［7］Ziwen W Liu，Alan P Dean.Precision positioning AGM system：United States，Us 6816110B1［P］.2004－11－09.

［8］Liying Sun，Yibo Li，Gang Du，et al.Modification design of high－precision above ground marking system［C］.2010Chinese Control and Decision Conference.China，2010：531－535.

［9］張永江，陳崇祺，周春，等.管道智能內檢測地面標記系統研究［J］.化工電動化及儀表，2008，35（2）：81－83.

［10］Gwansoo Park，Eunsik Park.Improvement of the sensor system in magnetic flux leakage－type nondestructive testing［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2002，38（2）：1277－1280.