基于ACFM的油管缺陷在線檢測實驗平臺設計與測試

李 偉, 楊偉超, 袁新安, 馬維平

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術中心, 山東 青島 266580)

基于ACFM的油管缺陷在線檢測實驗平臺設計與測試

李 偉, 楊偉超, 袁新安, 馬維平

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術中心, 山東 青島 266580)

針對油管缺陷檢測實驗不穩定、自動化程度較低等問題,采用LabVIEW數據采集處理技術和虛擬儀器軟件體系結構串口通信技術,設計了基于交流電磁場檢測技術的油管缺陷在線檢測實驗平臺,并開展相關測試,實現了實驗室條件下油管表面缺陷的高精度自動化檢測。采用LabVIEW虛擬控制面板能夠同時控制臺架運動和缺陷特征信號的采集、處理和動態實時顯示,節約了硬件成本,降低實驗教學課時。

油管缺陷； 交流電磁場檢測； 再線檢測； 實驗教學； LabVIEW

油管是油氣開采的關鍵設備,在油氣工業生產中有著廣泛的應用；油管缺陷檢測是無損檢測技術、機械完整性檢測以及安全檢測等多門專業課程的重要實驗教學內容[1-2]。傳統的油管缺陷檢測教學課程主要是采用人工操作探頭的方法對油管進行掃查,檢測效率低,人為因素(抖動、探頭傾斜等)容易引起缺陷信號偏差和特征丟失,造成油管缺陷的漏檢和誤檢,實驗結果的可重復性比較差,無法進行定量分析和缺陷識別,只能作為定性的演示性實驗。

交流電磁場檢測(alternating current field measurement,ACFM)技術是近年來快速發展的一種電磁無損檢測技術,具有非接觸測量、無需標定、檢測速度快并允許適當地提離等優點[3-4],非常適合導電材料表面裂紋的檢測。ACFM檢測原理為:加載正弦信號的激勵線圈可在金屬表面感應出均勻電流,電流從裂紋的兩邊和底部繞過,引起金屬缺陷上方磁場擾動,通過傳感器拾取因缺陷引起的畸變磁場信息,可獲得缺陷的形狀和尺寸信息,從而達到定量分析的目的[5-7]。

筆者借助虛擬儀器概念和ACFM技術特點,利用LabVIEW的VISA串口通信、信號處理和實時顯示功能[8],設計了油管自動掃描臺架,開發出U型磁芯檢測探頭,構建了基于ACFM的油管在線檢測實驗平臺。該平臺可對直徑50～100 mm的油管表面缺陷進行自動掃查,有效減少了人為因素對實驗結果的影響,能夠較好地實現實驗室條件下的油管缺陷自動化檢測,提高了實驗教學的效率和質量。

1 油管缺陷在線檢測實驗系統設計

基于ACFM的油管在線檢測實驗平臺由探頭、在線檢測臺架、信號處理箱、PLC控制機箱和上位機等組成(見圖1)。探頭安裝在檢測臺架上,上位機利用LabVIEW的VISA串口通信函數與底層PLC建立通信,實現上位機對驅動伺服電機的控制。伺服電機帶動油管在臺架上勻速運動。信號處理箱內的信號發生器發出正弦激勵信號，并將信號加載至探頭內部纏繞在U型錳鋅鐵氧體磁芯上的激勵線圈,激勵線圈在油管表面感應出勻強電場。

當油管表面的勻強電場經過裂紋時,缺陷周圍電場產生擾動并引起空間磁場畸變。探頭內部的磁場傳感器測得畸變磁場,然后經過信號處理箱內的采集卡輸送至上位機；上位機內基于LabVIEW編寫的程序可對缺陷信號進行分析和處理。為了虛擬樣機的智能化操作,利用LabVIEW軟件將油管ACFM缺陷信號處理程序和臺架控制程序整合在同一界面[9-10],實現臺架運動和油管缺陷信號的同時控制和處理。

圖1 基于ACFM的油管在線檢測實驗平臺結構圖

2 基于ACFM的油管在線檢測臺架設計

2.1 檢測探頭設計

ACFM探頭采用傳統U型激勵結構,利用直徑0.5 mm的漆包線在U型錳鋅鐵氧體磁芯的橫梁上纏繞500圈,在激勵線圈的中心正下方安裝具有2個方向靈敏軸的高精度隧道磁電阻(tunnel magneto resistance ,TMR)磁傳感器[11-12],如圖2所示。TMR磁傳感器對磁場檢測的靈敏度達5 mV/G,分別用于檢測x方向和z方向的磁場強度(其中x方向為平行于待檢測油管軸線的方向,z方向為油管徑向方向)。為減少缺陷上方畸變磁場的衰減,探頭外殼采用尼龍材料封裝,探頭底面設計厚度為2 mm,傳感器的實際有效提離高度為3 mm。

圖2 ACFM探頭結構

2.2 在線檢測臺架設計

油管在線檢測臺架主要包括驅動輪、壓輪、光電傳感器、懸架和夾具,如圖3所示。

圖3 油管在線檢測臺架

驅動輪為耐磨特氟龍塑料制成的V型槽輪,能夠對直徑50～100 mm、總長度為1 000 mm的油管進行檢測。驅動輪的V型槽具有一定的傾角,很容易獲得不同直徑油管軸線的高度；安裝夾具的懸架用來調節ACFM探頭的提離高度。為保證臺架在運行過程中連續平穩,不出現打滑現象,在臺架上部增設彈性壓輪。上位機LabVIEW的VISA函數控制PLC發出脈沖信號并加載至驅動器,驅動器驅動伺服電機按照一定轉速轉動,伺服電機帶動驅動輪轉動,驅動輪帶動油管勻速通過ACFM探頭下方。當油管到達ACFM探頭的位置時,光電傳感器開始記錄油管的位移信息,位移信息經過采集卡被傳輸至上位機。

2.3 信號激勵與采集模塊設計

信號處理箱主要包括電源、穩壓模塊、信號發生器和采集卡。為使油管缺陷檢測平臺能夠便攜,信號處理箱采用鋰電池供電,額定電量10 000 mA·h,滿足在線檢測實驗過程6 h的電量需求。為排除電壓下降對信號處理機箱的影響,采用穩壓模塊對電源輸出的電量進行調理。信號發生器基于直接數字頻率合成(direct digital synthesis,DDS)技術[13],輸出1 kHz、1 V的正弦波信號,并加載至U型磁芯檢測探頭的激勵線圈。

為滿足不同深度和類型的油管缺陷檢測實驗,信號發生器的幅值、頻率和波形可調,從而豐富了油管缺陷檢測的教學內容。采集卡采集TMR磁傳感器拾取的油管缺陷上方畸變磁場信號,并傳輸至上位機,上位機LabVIEW編寫的信號處理及特征分析軟件對缺陷信號進行顯示和分析。

2.4 基于LabVIEW的信號處理顯示與通信模塊

2.4.1 LabVIEW與PLC通信程序設計

LabVIEW中的VISA是儀器編程的標準I/O程序接口,采用面向對象編程,具有很好的兼容性、擴展性和獨立性,可以控制GPIB、串口、USB、以太網、PXI或VXI儀器,并根據使用儀器的類型調用相應的驅動程序,方便用戶借助上位機中的LabVIEW實現不同硬件的驅動和控制[14]。

LabVIEW與PLC的通信采用Modbus ASCII模式。Modbus協議是應用于電子控制器的一種通用語言,通過此協議,控制器之間、控制器通過網絡(例如以太網)和其他設備之間可以通信[15]。ACFM的油管在線檢測實驗平臺利用LabVIEW的VISA通信函數,實現Modbus協議下上位機與PLC的串行通信,實現油管在線檢測臺架的實時控制。

利用上位機內的LabVIEW軟件程序可方便地控制油管的前進、后退和停止,油管的運動速度、管徑、位移等關鍵參數可通過虛擬面板調節。LabVIEW和PLC的VISA通信程序如圖4所示。

圖4 基于LabVIEW的油管在線檢測臺架程序框圖

2.4.2 信號實時處理與動態顯示程序設計

探頭內的傳感器檢測到缺陷上方的畸變磁場信號后,經過采集卡傳給上位機。由于激勵信號為1 kHz的正弦信號,傳感器采集到的缺陷信號也為同頻的包含缺陷信息的微弱正弦信號。因此,需要利用LabVIEW軟件對傳輸至上位機的缺陷信號進行放大處理[16]。由于臺架振動、油管運行不平穩、電壓不穩定等干擾因素均可以在信號中引入噪聲,選用LabVIEW中的8階巴特沃斯濾波器對缺陷特征信號濾波。為直觀顯示缺陷信號,對包含缺陷信息的微弱正弦信號求均方根,得到缺陷信號的幅值變化信息,并通過前面板顯示。

為方便油管缺陷檢測教學,將臺架控制面板和缺陷信號處理顯示程序集合在一起,通過前面板輸入臺架的控制參數、信號采集參數和信號顯示與分析參數,達到油管缺陷信號的實時處理與動態顯示。基于ACFM的油管缺陷在線檢測程序前面板如圖5所示。

圖5 基于ACFM的油管缺陷在線檢測程序前面板

3 基于ACFM的油管在線檢測實驗平臺測試

本次實驗選用長1 000 mm、外徑65 mm、內徑47 mm的鐵質油管試件,采用電火花加工技術在油管外表面加工寬度為0.8 mm、長度相同為20 mm,深度分別為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm以及通孔的矩形裂紋,每條裂紋之間間距為150 mm,如圖6所示。

圖6 待測油管試件

基于ACFM的油管缺陷在線檢測實驗平臺連接和操作過程如下:

(1) 將PLC控制柜連接至電源,利用USB數據線將信號處理機箱與PLC控制柜、上位機連接,將探頭安裝在臺架的懸臂上,探頭數據線連接至信號處理機箱(見圖3)；

(2) 在上位機前面板設置采樣速率、運動速度、信號發生器頻率等參數；

(3) 將油管放置在線檢測臺架的驅動輪上,用壓輪壓緊油管,開啟PLC控制柜和信號處理機箱,利用上位機前面板控制驅動輪轉動,帶動油管向前運動。

(4) 當油管以一定速度運動至探頭下方時,光電編碼器開始記錄油管的運動位置,當油管尾部達到探頭下方時,停止油管的運動。

本次實驗中,利用上位機LabVIEW控制臺架驅動油管以2 mm/s的速度勻速穿過探頭下方,探頭內的激勵線圈在油管表面感應出均勻電場,當遇到裂紋時電場發生擾動并引起空間磁場畸變,探頭底部的傳感器檢測到缺陷信息,經過采集卡輸送至上位機,上位機內部信號分析與處理軟件顯示缺陷特征信號,如圖7和圖8所示。

圖7為油管表面缺陷x方向的特征信號Bx,可以看出:Bx特征信號在等間距的位置出現一個波谷,且波谷深度逐漸增加。由于油管裂紋深度逐漸增加,探頭感應電場在裂紋中心和底部繞過的減少,因此裂紋中心方向的電流密度越來越微弱,引起x方向的磁通密度越來越小,x方向的磁通密度Bx波谷越來越深。

圖7 油管缺陷x方向特征信號Bx

圖8為油管表面缺陷z方向的特征信號Bz,可以看出:Bz特征信號在等間距位置出現一個波峰和波谷,峰谷之間距離相等。由于感應電場在裂紋兩端繞過的方向相反,根據電磁感應定律,旋轉方向相反的電場可引起方向相反的磁場,因此特征信號Bz在裂紋兩端會出現方向相反的峰值,且兩個相反峰值之間距離反映裂紋深度。

圖8 油管缺陷z方向特征信號Bz

4 結語

基于ACFM的油管缺陷在線檢測實驗教學平臺能夠同時實現臺架的運動控制和缺陷特征信號的采集、處理和動態實時顯示,實現油管表面缺陷的自動化檢測,為缺陷尺寸的定量檢測提供穩定可靠的數據,有效克服了人為因素和環境因素干擾,提高了實驗室條件下油管在線檢測的自動化程度和檢測精度,簡化了實驗系統的設計和操作，節約了成本，豐富了實驗教學的內容,也減少了實驗教學課時。

References)

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Design and test of intelligent online detection experimental platform for oil tube defect based on ACFM

Li Wei, Yang Weichao, Yuan Xin’an, Ma Weiping

(Centre for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum,Qingdao 266580, China)

Aiming at the instability and low degree of automation in inspection of the oil tube defect, an online oil tube detection experimental platform was developed through the concept of virtual instrument, which was accomplished by data acquisition and processing through LabVIEW and the virtual instrument software architecture (VISA) serial communication technology. The detection experiment is carried out and shows that the platform can achieve a high-precision automatic detection of the defects under the laboratory condition. The virtual experimental platform based on LabVIEW and VISA is fully qualified to control the scanner, collect the characteristic signals of the defects, process data and display the signals at the same time, which will save hardware cost, reduce the experimental teaching hours and meet the need of experimental teaching for defect detection on oil tube.

oil tube defect; ACFM; online detection; experimental teaching; LabVIEW

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.035

2016-09-24

國家自然科學基金面上項目(51574276,51675536)；山東省自然科學基金英才基金項目(ZR2015EM009)；中國石油大學(華東)教改項目(JY-B201424)；中國石油大學(華東)青年教學改革項目(QN201511)

李偉(1980—),男,河北滄州,博士,副教授,主要從事海洋油氣裝備及安全檢測技術教學與科研工作.

E-mail：ronald8044@163.com

TE973

A

1002-4956(2017)2-0136-04