漏磁內檢測缺陷信號的快速識別方法

馬義來,蘇小祥,聞亞星

(1.中國特種設備檢測研究院,北京 100029;2.上海積塔半導體有限公司,上海 200123)

漏磁內檢測是目前在長輸油氣管道領域應用最廣泛的檢測方法之一[1-3]。隨著傳感技術和電子技術的發展快速,漏磁內檢測設備性能也得到了質的提升,漏磁內檢測器的探頭通道和采集頻率大幅提高,已從常規清晰度內檢測技術發展到高清晰度和超高清晰度漏磁內檢測技術,而內檢測數據量的急劇增加,為內檢測數據快速識別和分析帶了極大的挑戰。為了提高數據分析的效率,減少不必要的工作量,有必要對數據進行優化處理。因此,開發一種能夠快速識別信號的漏磁內檢測方法具有重要意義。

筆者開發了一種基于低通濾波和差分的信號處理算法,并對漏磁內檢測探頭的各通道檢測信號進行降噪優化處理,確定了管體缺陷識別規則并進行檢測試驗。結果表明,該信號處理方法能夠快速準確識別管體缺陷信號,識別效果較好。

1 漏磁內檢測原理及設備

漏磁檢測技術依賴于鐵磁性管材的高磁導率特性,使管道的管壁可以被永磁體產生的磁場磁化至磁飽和[4]。在正常的管壁區域中,外加磁場的磁感線被束縛于管壁的內部,幾乎沒有磁感線從管壁表面穿出,當管壁中存在缺陷時,缺陷處的磁導率比正常區域的磁導率小,磁阻比正常區域的大,而導致缺陷處的磁感線外泄,通過霍爾傳感器即可檢測到外泄的磁通量[5],管道漏磁檢測基本原理如圖1所示。

圖1 管道漏磁檢測基本原理

漏磁檢測器一般由驅動節、勵磁節、萬向節、計算機節等組成,其結構如圖2所示,其中勵磁節主要用來磁化管壁和采集檢測數據;驅動節利用密封皮碗前后介質壓差推動檢測器在管道中運行;萬向節的作用是幫助檢測器在管道中順利通過彎頭部位,提升通過性能;計算機節用于檢測數據存儲;里程輪記錄檢測器在管道中的行進里程和缺陷位置里程,便于后期開挖定位。

圖2 漏磁檢測器結構示意

2 漏磁信號噪聲

管道管壁上的金屬損失等缺陷所形成的漏磁場信號一般都比較微弱,需要經過放大濾波后再進行后處理[7-9]。沿勵磁方向分布的霍爾探頭檢測到漏磁場磁感應強度得到單向脈沖信號,典型的缺陷漏磁信號如圖3所示。脈沖信號的方向與探頭的檢測方向以及探頭的運動方向有關。當霍爾探頭的檢測方向與探頭運動方向一致時,單向脈沖信號向上;反之,單向脈沖信號向下。同時,脈沖信號的寬度與時間有關,當檢測速度變快時,信號寬度變窄;當檢測速度變慢時,信號寬度變寬。實際檢測時受雜散磁場以及振動的影響,漏磁場信號中會疊加大量的噪聲信號。

圖3 典型的缺陷漏磁信號

所設計的漏磁內檢測設備采用SS 495型線性霍爾元件采集缺陷信號,其內部集成了信號放大電路,可直接輸出與測量磁感應強度成正比的電壓信號,具有靈敏度高、線性好、功耗低等優點。SS 495型線性霍爾元件采集到的漏磁信號仍然存在大量的干擾噪聲信號,有必要進行降噪優化。筆者先利用霍爾探頭采集管體缺陷信號,使用數字低通濾波器濾波后,采用差分法消除探頭提離值和溫度漂移對檢測信號基線的影響,最后利用閥值法進行缺陷信號的識別。整個處理程序代碼精簡、執行效率高,可以快速對缺陷信號進行識別。

3 信號處理方法

3.1 數字低通濾波處理

缺陷信號相對于噪聲屬于低頻信號,可以采用低通濾波器對其進行濾波。Lab VIEW 軟件的信號處理模塊中包含了很多數字濾波器,包括貝塞爾濾波器、Butter worth濾波器、Chebyshev濾波器、等波紋濾波器、FIR加窗濾波器、中值濾波器等。這些濾波器可以分為兩種,一種是通過處理數據塊進行濾波,另一種是通過對數據進行連續的逐點處理來濾波。濾波器的數據塊處理方式缺乏實時性,需要經過一段數據的采集后才能進行處理,且數據塊處理需要一定的時間周期;與之相比,逐點濾波器的實時性更強,數據采集和處理可同時進行。試驗對比結果表明,Butter worth低通濾波器對漏磁缺陷信號的過濾效果是最好的。因此筆者采用逐點Butter worth低通濾波器,其濾波效果示例如圖4所示。

圖4 Butter worth低通濾波器濾波效果示例

3.2 信號的差分處理方法

管壁缺陷處檢測信號較正常信號會有明顯的變化,相鄰近信號的差分值一般遠大于正常信號的差分值,因此可以用差分值來處理信號。相鄰信號的差分值可表示為

式中:X(i)為差分變量。

式(1)定義的是前一步差分值,當向前k步差分時,差分值可表示為

差分的步數k可根據標定樣管和現場檢測缺陷信號情況選擇最優值。

漏磁檢測設備通過對差分后的數據進行閥值歸零處理,來實現缺陷的直接顯示。在確定判斷閾值時首先要制作人工缺陷標定樣管,然后根據對缺陷樣管的檢測結果設定缺陷信號的判定閥值,如果檢測信號的幅值超過閥值,則判定為管壁缺陷信號,低于閥值則認為是無缺陷管壁信號。信號歸零的閥值設置應略小于缺陷信號的判別閥值,若信號幅值小于信號歸零閥值,則信號歸零,若信號幅值大于信號歸零閥值則保留信號。檢測原始信號經濾波、差分、歸零等技術處理后的效果如圖5所示(圖中1為緩變信號,2為振動信號,3為缺陷信號)。

圖5 檢測原始信號經濾波、差分、歸零等技術處理后的效果

圖5中的原始信號包含有較多的噪聲信號,Butter worth低通濾波器對噪聲進行了初步消減,差分處理方法消除了緩變信號和振動信號引起的基線偏移問題,通過標定的閥值d對差分處理后的信號進行歸零處理,最終消除了大部分噪聲,缺陷信號明顯凸出。由圖5不難看出,信號經過濾波-差分-差分歸零處理后具有很強的實時性和高效性,缺陷信號易于識別。

4 管體特征識別

漏磁內檢測器已基本實現了周向360°通道覆蓋,隨著通道數量的增加,通道顯示密度倍數增加,清晰度大幅提高。筆者將信號快速識別算法嵌入軟件后,在管道圓周范圍內檢測各通道信號,其結果如圖6所示,經過濾波和差分處理后信號無噪聲和雜波影響且焊縫清晰可見。

圖6 無缺陷時全通道正常信號示意

4.1 特征及缺陷類型

管道漏磁內檢測技術可以識別出閥門、彎頭、焊縫、壁厚變化、三通、小開口、法蘭、封堵、補疤、外接金屬物、盜油(氣)孔、金屬套管、維修套筒等管體特征,也能識別出管體內外壁腐蝕、機械劃傷、金屬損失型焊縫缺陷、夾雜、制管缺陷、開口裂紋等。工程上一般通過結合全尺寸牽拉試驗和現場檢測實測結果,建立缺陷量化模型,對檢出的金屬損失類型缺陷進行尺寸量化,通過信號解析及管道實際特征與信號特征比對建立特征數據庫,實現管道特征的準確識別。

4.2 缺陷的識別規則

檢測數據缺陷信號特征識別是數據分析中最重要的一部分,利用筆者開發的數據分析軟件,將沿圓周布置的陣列傳感器探頭檢測到的原始數據轉換成平面漏磁信號波形圖,當管道上存在金屬損失或金屬增加時,該漏磁信號會發生相應的變化。

根據識別漏磁信號波動方向與焊縫信號波動方向來區分出金屬損失或金屬增加等管道特征,這是所有特征識別的基礎,與焊縫波動方向一致的信號為金屬增加信號,與焊縫波動方向相反的為金屬損失信號。軸向漏磁內檢測器檢測的某管道正常直焊縫的徑向、軸向、環向信號如圖7所示,某管道金屬損失缺陷徑向、軸向、環向信號如圖8所示。

圖7 某正常管道三軸漏磁檢測焊縫信號

圖8 某金屬管道缺失三軸漏磁檢測焊縫信號

通過比較圖7(a)與圖8(a)信號不難發現,該檢測器的焊縫徑向信號波動方向先下后上類似余弦的信號,金屬損失的徑向信號表現為先上后下類似正弦的信號,二者波動方向相反。圖7(b)與圖8(b)分別為焊縫和缺陷的軸向信號,焊縫軸向信號波動方向表現為單峰向下,金屬損失軸向信號表現為單峰向上,二者方向同樣相反。圖7(c)與圖8(c)分別為焊縫和缺陷的周向信號,二者的波動方向也是相反的。受漏磁內檢測器磁化方向的影響,焊縫的徑向和軸向信號較為突出,一般主要采用徑向和軸向信號進行識別分析,周向信號作為輔助用。

管道漏磁內檢測技術對體積型金屬損失非常敏感,檢測準確率高;對閉合型裂紋缺陷不敏感,檢測準確率低。通過對管道漏磁內檢測數據的綜合分析,可以識別的缺陷有腐蝕(內腐蝕、外腐蝕)、機械損傷、制造缺陷、金屬損失型焊縫缺陷等。在內檢測工程實踐中,可通過積累檢測數據和開挖驗證數據不斷總結經驗,提升數據分析識別水平,對不同成因的金屬損失信號特征進行綜合判定,提高缺陷的識別概率、量化精度等。

4.3 管體特征識別規則

在進行管體特征的識別時,可通過信號波動形式對特征進行綜合分析,常規的管體特征如熱煨彎頭、閥門、法蘭、三通、盜油孔等都有特定信號特征,既可以根據信號波動的分析規則去分解分析信號,也可建立固有特征數據圖庫進行實物與信號的比對,一般建立固有特征數據庫比對較為方便,管體特征和漏磁檢測信號圖譜對比如圖9所示。

5 工程應用

以某長度60 k m成品油管線為例進行檢測,管道規格為323.9 mm×6.3 mm(直徑×壁厚),鋼管材料為L360,完成漏磁內檢測后共檢出缺陷1 125處。對其中3處金屬損失較嚴重缺陷進行開挖驗證。缺陷信號圖譜和現場開挖結果如圖10所示,通過信號圖譜可以看出,經過降噪和差分處理過的缺陷信號清晰、無噪聲干擾易于識別;通過現場開挖測量可以看出檢測出的缺陷信號識別正確。3處缺陷漏磁檢測結果及現場開挖實測結果如表1所示,表中深度通常用百分比深度表示,如正常壁厚的29.5%,即29.5%wt。

表1 現場漏磁檢測結果和開挖檢測結果對比

圖10 金屬損失缺陷信號圖譜與現場開挖檢測結果

缺陷檢測尺寸誤差分析結果如表2所示,可以看出,噪聲濾波和差分處理對缺陷的檢測精度無影響,缺陷檢測的尺寸精度滿足標準GB/T 27699-2011《鋼質管道內檢測技術規范》和SY/T 6597-2018《油氣管道內檢測技術規范》的要求。

表2 現場缺陷檢測誤差分析結果

6 結語

(1) 開發了一種基于數字低通濾波和差分的單通道信號處理方法,并利用該方法開發了全周覆蓋的漏磁內檢測器數據綜合分析軟件,可大幅提高數據分析效率和質量。

(2) 總結了基于漏磁內檢測信號缺陷和特征識別規則。

(3) 通過工程檢測和開挖檢測對比發現,該信號處理方法和缺陷識別規則高效、可靠,缺陷信號識別量化準確。