一种含保温层的管道壁厚检测系统及方法

1.本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种脉冲涡流无损检测技术，尤其是一种利用脉冲涡流无损检测技术的含保温层的管道壁厚检测系统及方法。


背景技术：

2.管道大量应用于石油化工行业的输送过程中，为了减少高温介质能量的损失和避免管道直接与外界接触，往往会在管道的外侧加上一层保温层，同时又在保温层外面加上一层一定厚度的金属保护层，可以避免保温层遭受外部环境的破坏。恶劣的工作环境、包覆层安装操作不恰当或自然条件等因素容易导致金属保护层受损，而保温层材料极易吸水的特点会加剧雨水等自然介质对管道外壁的侵蚀。当腐蚀严重到一定程度，管道内运输的易燃易爆物质将发生泄漏，这往往会导致严重的环境污染、人员伤亡和财产损失。
3.因此，对保温层下腐蚀进行有效的监测、防护并进行全寿命周期的完整性管理是确保管道设施服役延长的重要措施。对带包覆层管道的无损检测往往需要先去掉管道外的包覆层，然后采用常规无损检测方法进行检测，最后再重新包裹上外覆盖层。对包覆层的处理工作不仅大大延长了检测时间，而且增加了检测成本，尤其是对在役运行的压力管道，必须先停止运行再进行检测，对企业的损失更大。因此，研究对管道的内壁腐蚀状况进行不拆除外覆盖层的无损检测技术具有重要的实际意义。
4.脉冲涡流检测pulsed eddy current testing(pect)是建立在电磁感应定律基础上的、只适用于导电材料的非接触式检测方法。pect测缺陷方法是通过激励线圈产生的一级磁场作用于被测缺陷试件，在试件中感生的涡流又产生二级磁场，通过霍尔传感器接收一级磁场和二级磁场的和磁场，从而可以分析出缺陷的信息。pect采用的激励信号为脉冲方波信号而不是传统单频涡流技术所采用的正弦波激励，而霍尔传感器拾取的电磁场信号也为脉冲信号。pect检测方法的优点主要表现在两个方面：第一，根据傅里叶变换方法pect中脉冲信号包含了非常丰富的频率成分，因此它能够穿过薄金属保护层和较厚的非金属保温层，可以让低频信号穿透被测试件，从而能透过包覆层检测管道腐蚀；第二，pect探头激励线圈的特殊设计，使得磁场强度大，能够在比较大的提离高度下仍能检测到信号，且磁场覆盖面积大，可以检测大面积的金属腐蚀。因此，脉冲涡流检测技术在带包覆层压力管道缺陷检测中有其特有的优势与极其广阔的应用前景。
5.北京航空航天大学的陈兴乐等人提出了一种带包覆层铁磁管道壁厚腐蚀的脉冲涡流检测方法，其在铁磁管道脉冲涡流检测模型时域解析解的基础上，利用感应电压测量曲线，反演被检铁磁管道参数，从而选取参考点对应的壁厚反演结果作为参考值，计算得到检测点相对于参考点壁厚的变化量。
6.苏州热工研究院有限公司的韩扬等人提出了一种适用于带包覆层管道的脉冲涡流检测方法，其使用主机产生脉冲方波信号并向激励线圈中通入脉冲电流，使得待测管道产生涡流，数据采集卡采集检测线圈因磁场变化而产生的时域感应电压值，主机对所述时域感应电压值进行处理和分析后显示。
7.上述两种方法虽然解决了带包覆层管道壁厚的定量检测问题，但这两种方法要求检测过程中探头位置固定，防止移动和振动，在完成一个位置的壁厚检测后，才能移动探头至下一个位置进行检测，这种检测形式不利于对长距离管道、复杂管路情况下壁厚的快速扫查。


技术实现要素：

8.本发明提出了一种含保温层的管道壁厚检测系统及方法，解决了传统技术受限的对长距离管道、复杂管路情况下壁厚的快速扫查的技术问题，可实现对保温层下管道壁厚的定量无损检测，满足对在役运行的含保温层管道的快速扫查的需求，实现压力管道的全寿命周期的完整性管理。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种含保温层的管道壁厚检测系统，其特征在于，包括以下功能模块：检测模块，具有检测探头，所述检测探头包括通过脉冲激励信号产生交变磁场的激励线圈，以及接受磁场变化并产生感应电压的霍尔传感器；主控模块，产生频率和占空比都可以调节的脉冲激励信号；采集霍尔传感器的感应电压信号；并将采集到的数据发送到上位机中进行后端处理；上位机，接受主控模块传输的数据；对感应电压信号进行处理，提取特征信号，实现管道壁厚的逆运算求解；完成数据的可视化以及存储；供电模块，对检测探头、主控模块和上位机进行供电；其中，所述检测探头具有圆柱形外壳骨架；所述圆柱形外壳骨架内填充有铁芯；所述铁芯沿着所述圆柱中轴线的截面图形为中空的“工”字型；所述铁芯中空的空间底部设置有所述霍尔传感器，所述铁芯中空的空间其余部分填充导热材料；所述激励线圈绕制于所述铁芯“工”字型的两侧间隙处。
10.进一步优选的，所述导热材料为环氧树脂。
11.进一步优选的，所述检测模块具有多个所述检测探头，多个所述检测探头形成阵列。
12.进一步优选的，每个所述检测探头内置于一个探头夹具中，相邻的所述探头夹具通过两侧底部的连接结构相互铰接形成所述阵列。
13.进一步优选的，相互铰接的所述连接结构为可拆卸的连接结构。
14.进一步优选的，所述系统还包括位置测量模块，用以测量并记录所述系统所处的管道壁位置信息。
15.本发明还提供采用上述系统进行的含保温层的管道壁厚检测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将检测探头放置于含保温层的管道壁待检区域内；s2、通过主控模块产生连续脉冲激励信号，并将其输入检测探头的激励线圈；s3、在被测试管道壁和检测探头之间的空间形成一个耦合的电磁场，利用霍尔传感器将探测到磁感应强度信号转化成相对应的电压信号；s4、将s3中的电压信号输入到后端的滤波放大单元，滤除电压信号中的杂波电压信号并对信号进行一定倍数的放大；
s5、将s4中通过滤波放大后得到的脉冲电压信号进行ad采集，提取出该脉冲电压信号的幅值；s6、通过脉冲电压信号幅值的变化反演管道壁厚的减薄情况。
16.进一步优选的，所述方法还包括s0、建立脉冲电压信号幅值和管道壁厚的关系，具体包括，选取与待检管道壁相同材质的管道壁试样，设置n次实验，其中第i次实验（i=1,2,
…
,n）的试样为管道壁厚减薄δd_i，测得脉冲电压信号幅值的变化δu_i；以δd_i为横坐标、δu_i为纵坐标线性拟合得出管道壁厚-幅值方程δu_i=a*δd_i+b，其中a，b为常系数，由线性拟合确定；此时，所述s6中，测量出的脉冲电压信号幅值的变化为δu_0，将δu_0代入所述管道壁厚-幅值方程，即求出对应管道壁厚d_0。
17.进一步优选的，所述脉冲电压信号为以基础管道壁厚为参考信号的差分峰值信号。
18.与现有技术相比，本发明提供了一种含保温层的管道壁厚检测系统及方法，解决了传统技术受限的对长距离管道、复杂管路情况下壁厚的快速扫查的技术问题，可实现对保温层下管道壁厚的定量无损检测，满足对在役运行的含保温层管道的快速扫查的需求，实现压力管道全寿命周期的完整性管理。
附图说明
19.图1为本发明检测系统的模拟现场检测照片；图2为本发明检测系统的检测方框流程框图；图3为本发明检测系统检测探头形成阵列的结构示意图；图4为本发明检测探头的结构示意图；图5为本发明优化使用的有限元模型示意图；图6为本发明原始检测信号结果示意图；图7为本发明差分峰值信号示意图；图8为本发明差分峰值-管道壁厚线性拟合关系图；图9为本发明线圈匝数与差分峰值的关系图；图10为本发明线圈内径与差分峰值的关系图；图11为本发明铁芯厚度优化示意图；图12为本发明铁芯高度优化示意图；图13为本发明提离50mm金属板厚度-电压峰值线性拟合示意图；图14为本发明上位机软件检测结果实时显示示意图。
具体实施方式
20.如图1-2所示，本发明中含保温层的管道壁厚检测系统，包括以下功能模块：检测模块1，具有检测探头，检测探头包括通过脉冲激励信号产生交变磁场的激励线圈，以及接受磁场变化并产生感应电压的霍尔传感器；集成电路盒2，内部集成有主控模块和供电模块，主控模块产生频率和占空比都可以调节的脉冲激励信号，采集霍尔传感器的感应电压
信号，并将采集到的数据发送到上位机中进行后端处理，供电模块为其他模块和设备进行供电；上位机3，接受主控模块传输的数据，对感应电压信号进行处理，提取特征信号，实现管道壁厚的逆运算求解，完成数据的可视化以及存储。此外，还可以在主控模块与检测模块之间设置采集模块（可以设置再集成电路盒2中），采集模块可以包括滤波放大单元，以滤除电压信号中的杂波电压信号并对信号进行一定倍数的放大。同时，为了在移动过程中实时测量和记录检测位置，本发明还为检测系统配置了位置测量模块4，位置测量模块优选为旋转编码器。
21.为了快速全面对管道壁厚进行扫查，考虑将多个检测探头5进行阵列放置，同时探头夹具6需要适用平板检测和管道检测这两种情况，提出了含保温层的管道壁厚检测用阵列探头夹具，如图3所示，每个检测探头5内置于一个探头夹具6中，相邻的探头夹具6通过两侧底部的连接结构7相互铰接形成阵列。多个探头夹具6通过铰接的方式可以实现弯曲以完美贴合管道或平板的各种表面，满足阵列检测探头移动检测的需求。图3所示为四组检测探头5和探头夹具6形成的阵列，铰接的连接结构7为可拆卸的连接，因此可以根据管道壁的曲率半径和具体尺寸，适当增减检测探头5和探头夹具6的数量以实现更好贴合。位于两端的探头夹具6还连接有把手8以便于阵列检测探头移动。
22.为实现方便移动，检测探头在满足测量精度要求的情况下应尽量小巧，如图4所示，本发明中专门设计的检测探头5，具有圆柱形外壳骨架5-1；圆柱形外壳骨架5-1内填充有铁芯5-2；铁芯5-2沿着圆柱中轴线5-3的截面图（即图4的截面图）形为中空的“工”字型；铁芯中空的空间底部设置有霍尔传感器5-4，铁芯中空的空间其余部分填充导热材料5-5；激励线圈5-6绕制于铁芯5-2“工”字型的两侧间隙处。本发明导热材料5-5优选导热良好的环氧树脂材料实现对检测探头的封装。
23.本发明提供的“工”字型铁芯的检测探头5中各结构部件的尺寸如图4所示，其中“工”字型铁芯5-2，内半径为r1，外半径为r，高度为h1；霍尔传感器5-4位于检测探头5的底部中间；激励线圈5-6均匀绕制而成，内半径为r，外半径为r，高度为hc。
24.在涡流检测中，当管道与线圈半径之比较大时，管道问题常采用近似方法化为平板便于进行仿真求解，该管道模型可以简化为三层平板结构（如图5所示，图中三层自上而下分别为保护层9-1，保温层9-2，管道壁9-3），建立了带保温层管道壁厚2d有限元模型。
25.通过研究发现，选择合适的激励频率，在确保涡流的趋肤深度大于高钢级管道壁厚的情况下，改变管道壁厚，可以得到检测信号与管道壁厚的分布关系图如图6所示（图6中各线条所对应的壁厚与图7中从左至右正好相反）。
26.把壁厚为9.0mm的电磁信号作为参考信号（管道壁无腐蚀的情形），将不同管道壁厚情况下的电磁信号与参考信号进行差分，获取差分信号和管道壁厚的关系图，如图7所示。
27.由图7可看出差分信号随管道壁厚的增大而逐渐减小。提取差分信号的峰值与管道壁厚度进行拟合，得到的拟合关系如图8所示。
28.从图8可以看出差分峰值与管道壁厚呈现良好的线性关系。据此，可根据这种线性规律对不同提离高度下，检测信号差分电压的峰值与管道壁厚的线性关系进行标定，得出在某一提离高度下检测信号差分峰值与壁厚的拟合关系式，进而根据该拟合关系式进行反演求解，从而实现对管道壁厚的定量检测。
29.为提高检测探头在检测管道壁厚方面的性能，针对差分峰值较小的问题，可以考虑对检测探头进行优化，在优化过程中，着重考虑的优化指标是差分信号的幅值bz，提高差分信号对于管道壁厚的变化的灵敏度。激励线圈的过程需要考虑4个因素，即线圈内径r、线圈外径r、线圈高度hc、绕线匝数n，在本发明优化方案中，考虑的参数为线圈内径、线圈高度、绕线匝数这三个，由三者的参数确定之后，绕制加工结束可以得到线圈的外径。对探头的线圈内径、线圈高度、绕线匝数3种参数各考虑2个水平进行交互作用试验定性分析，如表1所示。
[0030][0031]
根据待考察因素的类型和各因素的水平，考虑三个因素之间的相互作用，得到自由度之和：3
×
（2-1）+3
×
（2-1）
×
（2-1）=6。试验按l8(27)正交表安排，如表2所示。
[0032]
根据表2的试验结果进行分析，从极差可以看出，线圈匝数对差分峰值的影响最大，其次是线圈内径和线圈高度。按照各参数对探头差分峰值的影响程度，依次设计优化实验。
[0033][0034]
根据已有的大探头的设计优化逻辑，即正交试验的结果，先对探头检测性能影响最大的线圈匝数进行优化；如表2.1和图9所示，线圈匝数超过600之后，差分峰值的增速放缓；综合考虑差分峰值、探头减重和减少发热的需要，设置线圈匝数为600；设置不同线圈内径的条件下的仿真模型如表2.2所示；
[0035][0036]
从线圈内径-差分峰值关系图10的结果可以看出，在线圈内径为14mm参数设置下的线圈仿真后得到的差分峰值达到了最大，这一组的线圈参数即为本次优化得到的最优的参数。
[0037]
同时引入铁芯加强磁场，以此提高差分峰值。对铁芯的高度h1以及厚度（即r-r1）进行优化，保持铁芯高度不变，在2mm-10mm之间改变铁芯厚度，同时考虑差分峰值以及铁芯的重量，综合二者将铁芯厚度定为5mm；保持铁芯厚度为5mm，在47mm-63mm之间改变铁芯高度，同时考虑差分峰值以及铁芯的重量将铁芯厚度定为55mm，最终可以获得优化后的铁芯参数，如图11-12所示。
[0038]
优化得到检测探头的最优具体参数如表3所示。
[0039][0040]
检测探头的最优参数已给出，根据装置不同的应用场景以及工作情况，给出较优的探头参数范围，如表4所示，其余参数并非是优化中的最优参数，但是仍具有比较良好的性能，可以满足多种情况的需要。
[0041][0042]
若激励信号与探头的提离高度保持不变，脉冲涡流检测系统得到的检测信号差分峰值随管道壁厚度呈线性分布关系，如式（1）所示，δu=aδd+b（1），其中δu为脉冲激励下管道检测电压的差分峰值，δd为被测管道的壁厚减薄情况，b为某一提离高度下检测信号差分峰值与壁厚减薄的拟合关系式的截距，a为某一提离高度下检测信号差分峰值与壁厚减薄的拟合关系式的斜率。
[0043]
脉冲涡流检测系统得到检测信号差分峰值，代入公式（1）求解即可得到被测管道的壁厚减薄情况，与标定管道壁厚作差即可得到剩余管道壁厚值。
[0044]
基于以上原理，本发明采用上述系统进行的含保温层的管道壁厚检测方法，具体包括以下步骤：s1、将检测探头放置于含保温层的管道壁待检区域内；s2、通过主控模块产生连续脉冲激励信号，并将其输入检测探头的激励线圈；s3、在被测试管道壁和检测探头之间的空间形成一个耦合的电磁场，利用霍尔传感器将探测到磁感应强度信号转化成相对应的电压信号；s4、将s3中的电压信号输入到后端的滤波放大单元，滤除电压信号中的杂波电压信号并对信号进行一定倍数的放大；s5、将s4中通过滤波放大后得到的脉冲电压信号进行ad采集，提取出该脉冲电压信号的幅值；s6、通过脉冲电压信号幅值的变化反演管道壁厚的减薄情况。
[0045]
为了建立脉冲电压信号幅值和管道壁厚的关系式，还包括s0、具体包括，选取与待检管道壁相同材质的管道壁试样，设置n次实验，其中第i次实验（i=1,2,
…
,n）的试样为管道壁厚减薄δd_i，测得脉冲电压信号幅值的变化δu_i；以δd_i为横坐标、δu_i为纵坐标线性拟合得出管道壁厚-幅值方程δu_i=a*δd_i+b，其中a，b为常系数，由线性拟合确定；此时，s6中，测量出的脉冲电压信号幅值的变化为δu_0，将δu_0代入所述管道壁厚-幅值方程，即求出对应管道壁厚d_0。
[0046]
实施例霍尔传感器选用ss495a,供电电压为4.5v-10.5v。该检测探头的具体参数如表3所示，绕线选择1mm线径的漆包线，铁芯的材料选择相对磁导率为10000左右的纯铁。
[0047]
被测试件选择材质为x60钢的不同厚度的平板，厚度依次为3.4mm、3.8mm、4.2mm、
4.6mm、5.0mm、5.4mm、5.8mm、6.2mm、6.6mm、7.0mm、7.4mm、7.8mm、8.2mm、8.6mm、9.0mm；设置检测探头的提离高度为50mm。
[0048]
含保温层的高钢级管道壁厚检测系统检测环境如图1所示。
[0049]
依次检测不同管道厚度区域，重复5次，采集实验数据，取平均值，可以得到金属板厚度和电压峰值的拟合关系曲线，如图13所示。
[0050]
随着金属板厚度的增大，对应的电压峰值将会增加。拟合后的曲线为δu=2.073δd-0.01392，r2为0.9894，这证明δu对于δd有着线性的响应。δd每发生1mm的变化，对应的差分峰值就会变化2.073mv。
[0051]
同理改变检测线圈的提离高度为40mm，30mm，20mm，10mm，进行相同的步骤，最终得到所有的拟合结果为表5所示。
[0052][0053]
随着提离高度的减小，拟合曲线的k呈现增大的趋势，且整体线性度比较好，说明该系统对于高钢级板材的厚度变化，差分电压的峰值有良好的线性响应。而含保温层管道在检测过程中由于存在一定厚度的保温层而往往存在较大的提离高度（提离高度基本对应保温层厚度），线圈磁场强度会随距离的增大快速衰减，本发明方法基本不受提离高度增大的影响，具有极好的适应性。
[0054]
将提离高度设置成40mm，在上位机软件中选择提离高度为40mm的拟合曲线进行厚度的反演实验，结果如表6所示。
[0055][0056]
厚度反演误差在
±
0.5mm以内，说明所提出的含保温层的高钢级管道壁厚检测方法及系统具有比较良好的检测精度；同时在上位机的软件界面中，可以直观的看到检测过程中探头的运动信息以及金属的壁厚随里程变化的信息，如图13所示，检测过程方便高效，检测结果直观清晰。
[0057]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种含保温层的管道壁厚检测系统，其特征在于，包括以下功能模块：检测模块，具有检测探头，所述检测探头包括通过脉冲激励信号产生交变磁场的激励线圈，以及接受磁场变化并产生感应电压的霍尔传感器；主控模块，产生频率和占空比都可以调节的脉冲激励信号；采集霍尔传感器的感应电压信号；并将采集到的数据发送到上位机中进行后端处理；上位机，接受主控模块传输的数据；对感应电压信号进行处理，提取特征信号，实现管道壁厚的逆运算求解；完成数据的可视化以及存储；供电模块，对检测探头、主控模块和上位机进行供电；其中，所述检测探头具有圆柱形外壳骨架；所述圆柱形外壳骨架内填充有铁芯；所述铁芯沿着圆柱中轴线的截面图形为中空的“工”字型；所述铁芯中空的空间底部设置有所述霍尔传感器，所述铁芯中空的空间其余部分填充导热材料；所述激励线圈绕制于所述铁芯“工”字型的两侧间隙处。2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述导热材料为环氧树脂。3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述检测模块具有多个所述检测探头，多个所述检测探头形成阵列。4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，每个所述检测探头内置于一个探头夹具中，相邻的所述探头夹具通过两侧底部的连接结构相互铰接形成所述阵列。5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，相互铰接的所述连接结构为可拆卸的连接。6.根据权利要求1-5任意一项所述的检测系统，其特征在于，所述系统还包括位置测量模块，用以测量并记录所述系统所处的管道壁位置信息。7.一种采用权利要求1-6任意一项所述检测系统进行的含保温层的管道壁厚检测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将检测探头放置于含保温层的管道壁待检区域内；s2、通过控制模块产生连续脉冲激励信号，并将其输入检测探头的激励线圈；s3、在被测试管道壁和检测探头之间的空间形成一个耦合的电磁场，利用霍尔传感器将探测到磁感应强度信号转化成相对应的电压信号；s4、将s3中的电压信号输入到后端的滤波放大单元，滤除电压信号中的杂波电压信号并对信号进行一定倍数的放大；s5、将s4中通过滤波放大后得到的脉冲电压信号进行ad采集，提取出该脉冲电压信号的幅值；s6、通过脉冲电压信号幅值的变化反演管道壁厚的减薄情况。8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述方法还包括s0、建立脉冲电压信号幅值和管道壁厚的关系，具体包括，选取与待检管道壁相同材质的管道壁试样，设置n次实验，其中第i次实验（i=1,2,
…
,n）的试样为管道壁厚减薄δd_i，测得脉冲电压信号幅值的变化δu_i；以δd_i为横坐标、δu_i为纵坐标线性拟合得出管道壁厚-幅值方程δu_i=a*δd_i+b，其中a，b为常系数，由线性拟合确定；此时，所述s6中，测量出的脉冲电压信号幅值的变化为δu_0，将δu_0代入所述管道壁
厚-幅值方程，即求出对应管道壁厚d_0。9.根据权利要求7或8所述的检测方法，其特征在于，所述脉冲电压信号为以基础管道壁厚为参考信号的差分峰值信号。

技术总结
本发明公开一种含保温层的管道壁厚检测系统及方法。该含保温层管道的管道壁厚检测系统包括检测模块，主控模块，上位机，供电模块。本发明基于该系统提出一种含保温层管道壁厚的检测方法，可实现对保温层下管道壁厚的定量无损检测，满足对在役运行的含保温层管道的快速扫查的需求，实现压力管道的全寿命周期的完整性管理。整性管理。整性管理。


技术研发人员：管鑫 于亚婷 樊一鸣 孙诚 王宝超 富锐 蒙昭臣 刘江涛 杨焕 徐明君 杨晓龙 张小军 季奇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/8/14