基于微機械慣導的管道多功能內檢測系統研發*

馬義來 陳金忠 周漢權 孟濤 何仁洋

(中國特種設備檢測研究院壓力管道部)

0 引 言

隨著GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》將管道中心線測繪作為管道完整性檢測內容之一，管道中心線測繪成了管道內檢測的強制檢測項目[1]。目前管道中心線測繪一般采用高精度戰術級慣性測量單元(IMU)，該級別的IMU測量能力強，可提供精確可靠的三維坐標，但戰術級IMU的尺寸及功耗都較大，無法應用于小口徑管道，且成本也過高[2]。因此，針對小口徑管道中心線的測繪，考慮采用體積小、價格便宜的微機械(MEMS)慣性測量單元來實現。

漏磁檢測作為目前管道內檢測最成熟的檢測手段，應用面廣，對原油管道、成品油管道和天然氣管道都可檢測，但漏磁檢測以缺陷處漏磁場為檢測對象，需形成磁化回路裝置以及相應的檢測探頭，且對于不同走向的缺陷需要采取不同的磁化回路檢測裝置與掃查方式[3-4]，導致檢測設備體積和質量較大，在小口徑管道檢測極易發生卡堵事故，因此需要開發一種體積小、結構簡單、能耗低的檢測方法。永磁擾動檢測方法基于磁作用場發生突變時的磁擾動機理，它是由于磁場突變時磁能趨近低勢穩態而產生磁場重構形成的。當永磁體與被檢測導磁構件發生磁作用且該構件表面出現不連續性突變時，永磁體由于空間的擾動反饋而自身發生擾動變化，捕獲到永磁體的這一擾動變化，便獲得導磁構件表面與之對應的不連續性所在，可以有效解決漏磁檢測在小口徑管道檢測中存在的問題，實現小口徑管道管體特征和管道內部缺陷的檢測。鑒于此，筆者研發了基于MEMS慣導的管道多功能內檢測系統。

1 基于MEMS慣導的管道多功能內檢測系統結構

基于MEMS慣導的管道多功能內檢測系統由低頻定位跟蹤系統、電池節、多功能測繪節、磁擾動檢測單元、萬向節及里程輪組成，如圖1所示。電池節密封防爆腔體內裝有高能量電池組，為MEMS慣導多功能內檢測系統供電；同時電池節兼具驅動節功能，利用皮碗密封，使管道輸送介質在電池節前后形成驅動壓差，為整個系統提供驅動力。多功能測繪節包括磁擾動檢測單元、IMU以及計算機單元，磁擾動檢測單元可以檢測管體特征(三通、閥門、焊縫、外部接管和彎頭)及管道內壁缺陷等。IMU包含陀螺儀和加速計，加掛在幾何檢測工具或漏磁檢測工具上，能夠精確測量X、Y、Z3個方向上的轉速和加速度，可以測量管道中心線相對位置。計算機單元負責檢測數據的采集與存儲。里程輪能夠測量整條管道的里程距離，實現管體特征及缺陷的軸向定位，可以轉換為系統運行速度來抑制IMU定位誤差的積累。電池節與多功能測繪節通過剛性萬向節進行連接。

1—低頻定位跟蹤系統；2—電池節；3—萬向節；4—磁擾動檢測單元；5—多功能測繪節；6—里程輪。

2 系統硬件設計

基于MEMS慣導的小口徑管道多功能內檢測系統采用ARM核心模塊作為系統的中央處理單元，用體積小、容量大的TF卡作為存儲介質，ARM核心模塊有相應的接口直接高速讀寫TF卡。系統所有通道的磁擾動探頭信號及模擬里程信號通過模擬開關進入AD轉換模塊后，被FPGA采集并進行相應的檢測數據壓縮處理。慣性測量單元模塊數據通過RS-422通信方式被FPGA采集。FPGA采集慣性測量單元模塊的輸出信息并發送給ARM核心模塊，在ARM核心模塊中實現數據解算并輸出姿態信息。FPGA模塊與ARM核心模塊之間通過雙口RAM的存儲原理實現通信接口設計[5-6]。上位機通過RS-232實現對整個系統的測試及進行相關的調試工作，通過USB接口完成系統采集數據的下載工作。基于MEMS慣導的小口徑管道多功能內檢測系統原理框圖如圖2所示。

2.1 慣性測量單元

系統選擇Sensonor公司的慣性測量單元STIM300，STIM300是一款質量55 g的小型、無GPS輔助的慣性測量單元，內置了3個傾角儀以確保精準的系統調平，并提供了一個外部同步信號輸入。該款慣性測量單元進行了全工作范圍溫度補償，所有的軸都相對封裝基準面進行了機械和電氣對準，對磁場不敏感，零偏穩定性為0.5 (°)/h，量程范圍為±400 (°)/s，零偏溫度精度為10 (°)/h，加速度計量程范圍為±10g，通過RS-422的串口與主控板實現數據的傳輸和采集存儲。

圖2 基于MEMS慣導的小口徑管道多功能內檢測系統原理框圖Fig.2 Functional block diagram for multifunctional internal detection system of small diameter pipeline based on inertial navigation of MEMS

2.2 永磁擾動探頭設計

永磁擾動探頭選用Honywell公司的SS495A霍耳傳感器[7]，采用4組SS495A霍耳傳感器并聯后通過TLV271單通道運算放大器進行信號處理，永磁體固定在探頭電路板上，與SS495A霍耳傳感器成90°夾角，距離被檢測件5 mm，建立相互磁作場，實現管體特征(三通、閥門、焊縫、外部接管和彎頭)及管道內壁缺陷等的檢測。永磁擾動探頭電路如圖3所示。

圖3 永磁擾動探頭電路圖Fig.3 Circuit diagram of permanent magnet disturbance probe

3 數據采集系統軟件設計

數據采集系統軟件設計主要包括數據采集系統程序設計和MEMS慣性導航系統數據處理設計。

3.1 數據采集系統程序設計

基于MEMS慣導的小口徑管道多功能內檢測系統數據采集過程主要由AD轉換模塊、FPGA和ARM配合，實現永磁擾動檢測數據和IMU數據的采集與存儲。筆者利用開發工具Keil MDK，采用C語言編寫ARM程序，具有較強的可移植性；利用Quartus軟件，采用VHDL語言實現FPGA的開發和仿真，便于對邏輯工作的調試和模擬。系統處于正常工作模式下，由里程輪信號觸發系統啟動運行，系統通過切換信號通道地址與模擬開關，實現永磁擾動信號和IMU數據的采集與存儲[8]。數據采集系統的流程圖如圖4所示。

圖4 數據采集系統流程圖Fig.4 Program flow chart of data acquisition system

3.2 慣性導航系統數據處理

系統搭載MEMS慣性導航單元，能夠為檢測器提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號。慣性導航姿態解算的大致流程如下：首先采用實時“預測-修正”的濾波方法降低數據噪聲；其次，在現場需要記錄慣性導航的初始靜止狀態，對運行姿態進行實時校正，即消除慣性導航的零漂；最后，融合經濾波和零漂處理的加速度計和慣性導航數據，結合地面定位點地理坐標，完成對慣性導航各采樣點坐標的解算和修正。完成慣性導航坐標的解析，獲得各采樣點的地理坐標后，利用時間作為參數實現管道任一特征點的具體坐標匹配，匹配流程如圖5所示。

圖5 管道特征點坐標匹配流程Fig.5 Matching process of pipeline characteristic point coordinate

4 工程應用

使用基于MEMS慣導的小口徑管道多功能內檢測系統在某成品油管道進行了工程應用，該管道全長102 km，采用外徑273 mm、L360M直縫高頻焊接鋼管。MEMS慣性導航采集速度和加速度等信號，并完成對慣性導航各采樣點坐標的解算和修正，解算及修正好的管道軌跡路線圖如圖6所示。利用時間參數實現管道任一特征點的具體坐標匹配及地面設置的MARK點修正，有效獲取管道特征的地理坐標信息，經現場開挖驗證，數據精度滿足檢測要求。

圖6 管道軌跡路線圖Fig.6 Pipeline trailing route

系統搭載的磁擾動探頭完成了管體特征(三通、閥門、焊縫、外部接管和彎頭)及管道內壁缺陷等的檢測[9-10]。管體特征檢測信號示意圖如圖7所示。

圖7 管體特征檢測信號示意圖Fig.7 Detection signals of characteristic points in pipeline

5 結 論

(1)提出了一種基于MEMS慣導的管道中心線測繪與基于永磁擾動檢測的管道內檢測技術，并基于該技術研發了體積小、結構簡單、能耗低、操作方便的小口徑管道多功能內檢測系統。

(2)通過現場工程應用、測繪結果和實際驗證結果表明，多功能內檢測系統能夠準確測繪管道中心線軌跡坐標，系統的永磁檢測探頭可以有效檢測管道特征及內壁缺陷。

(3)該系統利用時間參數實現管道任一特征點的具體坐標匹配，有效獲取管道特征的地理坐標信息，提高了管道內檢測定位的精度，對保證小口徑管道安全運行具有重要作用。