鉆桿多通道磁記憶檢測信號的多方向梯度處理方法

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(1.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2.中國石油天然氣股份有限公司 塔里木油田分公司，庫爾勒 841000)

由于磁記憶檢測技術對應力集中敏感而成為鐵磁性構件早期損傷檢測的重要方法。鐵磁性材料應力和變形的集中區域會在地磁場和工作載荷下發生不可逆的磁疇組織重新排列，導致應力集中區域產生磁場畸變，表面出現漏磁場，再通過對漏磁場的檢測來進行應力集中區域的診斷[1]。磁記憶現象的基本理論表明，采用求梯度等信號處理方法可找出法向分量零點或切向分量最大點[2-4]。隨著近幾年的發展，磁記憶檢測已經由單通道檢測開始邁入多通道檢測，但多通道信號梯度的處理上依然延續以往的在檢測方向上求梯度的方法，易造成與檢測方向同向的應力集中區域信號反應不靈敏或漏檢的問題[5-7]。已有學者研究了采用切向和法向分量兩種信號聯合進行檢測的方法，但這會增加對硬件系統的要求。筆者探討了一種將切向分量方向與法向分量方向聯合梯度求解的方法，某點的梯度由檢測方向上的點與垂直方向上等距的點共同求得。對鉆桿的磁記憶檢測信號進行兩種梯度聯合求解的處理方法，比只從檢測方向求梯度的方法對畸變磁場更為靈敏。

1 現有的多通道磁記憶檢測信號梯度算法

現有多通道磁記憶檢測信號處理的過程一般為均值降噪、數據歸一化及求取檢測方向上的梯度。均值降噪是為了剔除信號曲線上的毛刺，即信號中夾雜的高頻環境噪聲，方便識別磁場畸變信號的突變點；數據歸一化是先求取所有傳感器整體信號均值，然后將每個傳感器信號序列都減去自身均值，即偏移到零軸附近，最后將各傳感器信號加上整體均值，以偏移回整體基線附近，達到消除傳感器差異的目的；梯度表征磁記憶信號的突變情況，梯度突變點可表征漏磁場的位置，梯度最大值位置可表征漏磁場變化最劇烈的位置。梯度的求解過程為兩點間磁場強度H的變化量與兩點間距L的比值，梯度的表達式如式(1)所示[8]。

(1)

式中：KN為N點的梯度；HN,HN+i分別為第N點和第N+i點的磁場強度；Lx，N,Lx，N+i分別為第N點和第N+i點的磁記憶信號的位置坐標。

該梯度算法是在檢測方向上進行單一的梯度求解(見圖1)，假設進行n通道檢測，各通道每隔1 mm均采集1個數據點，間隔3 mm進行梯度求解，則第1個通道的第1個點的梯度如式(2)所示，此后窗口依次滑動遍歷求取其他位置的梯度。

(2)

可見該梯度的求解過程只與本通道數據有關，與相鄰通道無任何關系。當應力集中區域沿檢測方向呈細條狀且足夠長時，該通道漏磁場信號均異常大，但只在該區域的端部產生梯度突變，無法對應力集中全區域產生梯度異常響應，不能很好地反映應力集中區域。應力集中區域與檢測方向同向的磁記憶檢測示意如圖2所示。

圖1 沿檢測方向求梯度算法示意

圖2 應力集中區域與檢測方向同向的磁記憶檢測示意

2 多通道磁記憶檢測信號的多方向梯度算法

2.1 多方向梯度算法的原理

在多方向上進行梯度求解，指的是每點的梯度求解與4周等距的4個相鄰點有關，而非只與檢測方向上的本通道信號相關。從檢測原理上分析，多方向的梯度值表征該點的漏磁場相對于相鄰等距位置的漏磁場的突變情況，不再僅是相對于一點的突變情況，因此從理論上避免了因掃描方向帶來的漏檢，此時的梯度如式(3)所示。

(3)

式中：K(i,j)為第j通道第i點的梯度值；H(i,j)為第j通道第i點的磁記憶信號；H(i,j-1)和H(i,j+1)分別為第j-1和第j+1通道第i點的磁記憶信號；H(i-k,j)和H(i+k,j) 分別為第j通道第i-k點和第i+k點的磁記憶信號，且這兩點與H(i,j)的距離等于H(i,j)與H(i,j-1)的距離，即4點與待求點距離均相等；Lx(i,j)為(i,j)點的位置坐標;Lx(i,j-1)為(i,j-1)點的位置坐標。

從數學計算上分析，即通過與待求點上下左右等距的特定梯度的卷積核對信號進行線性卷積。卷積公式[9-10]為

(4)

式中：f為待梯度處理信號；g為梯度卷積核;y為信號梯度卷積值。

2.2 多方向梯度算法的實現

對于n通道，數據長度為m，通道物理間隔為L，單通道采集頻率L/k的信號進行數值遍歷的算法實現如下所述。

循環i從2到n-1，循環j從k到m。

(5)

循環j結束，循環i結束，循環j從k到m。

(6)

(7)

循環j結束。

對于圓柱形構件，計算第1通道時，應將第n通道和第2通道作為相鄰通道處理;計算第n通道時，應將第n-1通道和第1通道作為相鄰通道進行處理。對于板型構件，計算第1通道和第n通道時，只需將相鄰空區域補0即可。

構造梯度卷積核的方法如下，假設第n通道檢測，相鄰通道間隔距離為1個距離單位(這里不設具體單位)，各通道每0.5個距離單位均采集1個數據點，為與通道間隔等距，需選定檢測方向間隔為1進行聯合求解，則梯度卷積核表達式為

(8)

此時的計算過程為梯度處理前矩陣和梯度卷積核矩陣對應位相乘后求和，再除以相鄰通道的物理距離，即得梯度處理前矩陣與梯度卷積核交叉部分中心的梯度，多方向求梯度算法示意如圖3所示。

圖3 磁記憶檢測信號的多方向求梯度算法示意

3 兩種梯度算法應用對比

檢測裝置采用中國石油大學(北京)安全監測與智能診斷實驗室研發的16通道鉆桿磁記憶檢測儀，沿周向均布的磁記憶傳感器環在電機驅動下運轉，傳感器貼合鉆桿表面進行軸向勻速掃描，并將鉆桿表面磁記憶信號通過無線傳送給上位機，多通道鉆桿磁記憶檢測原理示意如圖4所示。

圖4 多通道鉆桿磁記憶檢測原理示意

檢測對象為加厚的表面存在由腐蝕坑組成軸向條形腐蝕區域的φ76.2 mm鉆桿，將傳感器環的第15號通道對準該損傷區域進行檢測(見圖5)。

圖5 鉆桿損傷區域實物

將檢測信號進行兩種梯度算法的處理，每種算法均對梯度進行曲線繪制，結果如圖6，7所示。

圖6 磁記憶檢測信號的沿檢測單方向求梯度處理結果

圖7 磁記憶檢測信號的多方向求梯度處理結果

從圖6可以看出，對同一個檢測信號數據計算梯度，沿檢測單方向求梯度時，梯度只受單數據點的影響，在梯度圖上異常部位的曲線顯示并不明顯；從圖7可明顯看出，第15號通道信號因為腐蝕坑而劇烈跳動，這是因為該通道梯度求解過程中與相鄰的第14，16號通道正常信號相關。對比按照通道進行排列的梯度瀑布圖可以看出，單方向求梯度時其他通道均存在低頻高賦值跳動，而多方向梯度瀑布圖只存在高頻低賦值跳動。從梯度瀑布圖第15號通道的信號對比可以看出，多方向梯度信號曲線跳動更劇烈，這是因為多方向多點求梯度的過程本身也是對噪聲信號的抑制以及對異常信號的放大。

4 結語

對多通道磁記憶信號梯度求解的算法原理和算法過程進行分析，在多通道磁記憶梯度求解過程中采用多方向梯度算法，并通過構造梯度卷積核進行了鉆桿磁記憶信號切向分量多方向梯度求解的應用，從理論和實際應用上證明了多方向梯度算法比沿檢測單方向求梯度效果更好。給鉆具磁記憶檢測及圓柱形、板型構件的多通道磁記憶檢測信號處理提供了一種參考。

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