（精密仪器及机械专业论文）高清晰管道漏磁通检测系统地面标记技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中文摘要 我国的石油长输管线相当的一部分已经进入了老龄期。由于管道在长期 的腐蚀下所导致的穿孔泄漏，严重威胁着人类的生命、财产和生存环境的安 全。在针对管道腐蚀检测的方法中，漏磁通检测法是使用的十分广泛的一种 方法。漏磁通法管道检测系统由三个部分组成：管内智能爬行机( m f l p i g ) ， 地面标记系统和数据分析系统。 目前中国石油天然气管道局正在组织力量自主开发高清晰漏磁通检测系 统，本文研究的地面标记系统是该项目的一部分。地面标记系统是整个漏磁 通检测系统的定位部分，其作用非常重要，是实现管道检测结果精确定位的 重要保障。 本文首先将简要介绍管道检测的意义、方法，漏磁通法检测的原理和地面 标记系统的工作原理，分析了漏磁信号的特点和性质。然后详细阐述高清晰 地面标记系统的设计方案，相比于国内外的现有产品，它创造性的使用了全 新的结构，优化改进了软硬件的设计方案，使之更具有便携、商可靠性和高 清晰度等特点。 地面标记系统有两个组成部分一地面标记器和标准时钟源。本文将系 统的介绍它们的结构设计，信号采集、处理、存储电路设计，时钟电路设计， 锾离子电池的充放电控制电路设计，数据通讯电路设计，以及键盘、显示器 等的设计。并概述了地面标记系统的程序和上位机软件设计。晶体振荡器是 地面标记系统最关键的元件，本文将对晶体振荡器的选择和设计进行研究， 并通过测试实验考察其性能。最后，通过大量的系统可靠性和现场实验，对 系统的可靠性、清晰度、工作表现等作了检验。 关键词：管道：高清晰；漏磁通；检测；地面标记器；标准时钟源：温 补晶振。 a b s t r a c t m a n yl o n gd i s t a n c eo i l - p i p e l i n e sh a v ec o m ei n t ot h eo l dp e r i o di no u rc o u n t r y p i p e l i n e s l e a k sc a u s e db yc o r r o s i o ni n c e s s a n t l yt h r e a t e nh u m a n s l i f e ，p r o p e r t y a n dl i v i n ge n v i r o n m e n t n l em a g n e t i c f l u xl e a k a g et h e o r yi sap o p u l a rm e t h o d i n s p e c t i n gt h ep i p e l i n e s c o r r o s i o n t h es y s t e mo fp i p e l i n ei n s p e c t i o nb a s e d m a g n e t i c f l u xl e a k a g et h e o r yi n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h em f l p i gt h ea b o v e g r o u n dm a r k i n g ( a g m ) s y s t e m ，a n dt h ed a t aa n a l y s i ss y s t e m n o w , c n p t c ( c h i n an o r t hp i p e l i n et e c h n o l o g yc o m p a n y ) i sd e v e l o p i n gt h e h i g hr e s o l v i n gp o w e rm f lp i p e l i n ei n s p e c t i o ns y s t e m a g ms y s t e mr e s e a r c h e di n t h i st e x ti st h ep a r to f t h i si n s p e c t i o ns y s t e m ，t h ea g m s y s t e mi st h el o c a t i n gp a r t o ft h ep i p e l i n ei n s p e c t i o nb a s e do nt h em a g n e t i c f l u xl e a k a g et h e o r y i tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nl o c a t i n gt h ep i p e l i n e sc o r r o s i o n i nt h ef i r s t t h i st e x ti n t r o d u c e s 也es i g n i f i c a n c ea n dm e t h o d so ft h ep i p e l i n e i n s p e c t i o n ，t h em a g n e t i c f l u xl e a k a g et h e o r y , a n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h e a g ms y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm f ls i g n a la r ea n a l y z e d a n dt h e n ，an e w d e s i g np r o j e c to ft h eh i g hr e s o l v i n gp o w e ra g ms y s t e mi sp r e s e n t e d c o m p a r e d w i t ho t h e rp r o d u c t s t h en e wa g mh a sc r e a t i v es t r u c t u r ea n do p t i m i z e ds o f t w a r e a n dh a r d w a r e ，s oi ti sm o l ep o r t a b l e ，m o r er e l i a b l ea n dm o r es e n s i t i v e t h ea b o v eg r o u n dm a r k e ra n dt h es t a n d a r dc l o c ks o u r c ea r et w oe s s e n t i a l d e v i c e so ft h ea g ms y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e i rs t r u c t u r ed e s i g n t h e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fs i g n a lc o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t am e m o r y , t i m e r e c o r d i n g ，l i t h i u mb a k e r yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ， k e y b o a r da n dd i s p l a y a l s o ，t h es o f t w a r eo fa g ms y s t e mi ss u m m a r i z e di nt h i s t e x t i na d d i t i o n ，i ti si n v o l v e dt h a ts e l e c t i o na n dd e s i g no ft h ec r y s t a lo s c i l l a t o r s ， a sak e yc o m p o n e n to f t h i ss y s t e m t h e i rp e r f o r m a n c ei sc h e c k e du pb yi n s p e c t i o n e x p e r i m e n t s f i n a l l gr e l i a b i l i t y , r e s o l v i n gp o w e ra n dp e r f o r m a n c eo ft h ea g m s y s t e ma r ev a l i d a t e db yal o to f e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：p i p e l i n e ；h i g hr e s o l v i n gc a p a b i l i t y ；l e a k i n g m a g n e t i s m ；i r k s p e c t i o n ； t h ea b o v eg r o u n dm a r k i n gd e v i c e ；s t a n d a r dc l o c ks o u r c e ；t c x o ( t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e dc r y s t a lo s c i l l a t o r s ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发袭 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁逮盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者签名：昊刚 签字吼拗孵月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基连叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：基洼叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者张关剐 签字日期 晰月弓日 导师签名：锨j 签字日期：二毋矿年月；日 第一章绪论 _ _ _ 一 一一一 第一章绪论 本章将简要地介绍论文的研究背景、意义，管道腐蚀检测的方法、漏磁 通检测的原理，和本文将要完成的工作。 1 1 管道运输的发展状况及检测的现实意义 油气管道运输业作为联结油气资源与市场的桥梁和纽带，以其高效率、 低成本和安全可靠的优势越来越显示出旺盛的生命力。随着我国油气进口量 的不断增加和天然气资源开发利用水平的不断提高，管道运输业f 呈现出蓬 勃发展的态势。 现代管道运输业作为一种安全、经济的运输手段，迄今为止已经有了一 百多年的历史。管道运输现在已经成为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱 的五大运输方式之一，在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用。 与其他运输方式相比，管道运输有以下的优点：第一，大大减少转运换装环 节，实现连续运输，运量大，效率快，可避免空车返回的运力浪费，易于实 现自动化管理；第二，管道建设投资省、见效快、占地少，并且管道建成投 产后，9 0 的土地可以恢复使用：第三，管道运输所消耗的人力物力均小于 公路、铁路等常规的运输方式；第四，运输过程可实现完全密闭化，效率高、 损耗低，；第四，可适应各种复杂地形、地貌和气候条件。由于管道运输在 输送石油、成品油、水、天然气、煤气等液、气体介质和工业原料、粮食、 水泥、煤浆等固体散装物料方面具有独特的优势，所以在世界范围内发展得 很快。随着世界各地对能源市场的需求急增，管道工业已成为现代工业和国 民经济的命脉。而且随着我国石油和天然气工业的发展，管道工业向海洋的 发展以及西部油田的开发，管道运输在经济和国防建设中发挥着越来越重要 的作用。 尽管我国管道运输历史悠久，是世界上最早使用管道输送液体的国家。 但是直到新中国成立以前，我国还没有一条长距离输油管道，我国的管道运 第一章绪论 输业，在长距离运输上还是一片空白。直到1 9 5 8 年，随着卡拉玛依油田的开 发和独山子炼油厂的扩建，才建成了我园历史上第一条长距离输油管道：克 拉玛依一独山子炼油厂的两条并行输油管道。该管道全长近3 0 0 k m ，填补了 我国长距离输油管道的空白。进入7 0 年代，随着大庆、辽河等油田的相继开 发，我国在东北地区兴建了一批输油管道。1 9 7 4 年首次走出国门，修建了中 国一朝鲜输油管道。8 0 年代，我国又建成了具有当时世界水平的东黄复线以 及在西北地区建成了克乌、马惠宁等输油管线。这些输油输气管道网为各地 的经济发展提供了有力的帮助，促进了国民经济的腾飞。进入9 0 年代，我国 的长输油管道建设有了新的突破，并又相继建成了批长输管道，油气长输 管道每年铺设长度超过4 0 0 公里，东北、华北、华东管网逐步完善。进入新 世纪，我国长输管线工业又有了长足的发展。并且随着对能源市场的需求急 增，管道工业的发展将越来越快，并且将逐渐走向国际化。 近年来我国十分重视海上油气田的开发建设，海上长输管道建设也发展 起来。在我国辽阔的海域上，大陆架范围之内油气资源十分丰富，已经发现 了六个油气搞地。现在我国石油产量已经达到5 0 0 0 万吨年，仅仅依靠油轮 运输海上石油是远远不够的，因此海底管线的建设将直接影响到我国海洋油 田的开发和生产建设。随着管道运输的异军突起，管道运输范围显著扩大， 随着原有油、气长输管道的逐步完善，成品油、近海、沙漠管道的建设。固 体物料开始应用管道输送。 目前。全国各地相继建成了l4200 余公旱的陆上原油管道、l26 00 余公里的干线输气管道、32o0 余公里的成品油管道及2l o 0 余公 里的海底管道。我国的油气管道运输业从无到有，从小到大，得到了快速发 展，为石油、石化工业的发展做出了极大贡献。但是，与发达国家相比，我 国目前建成的油气管道的长度和规模都有很大差距，长距离、大口径成品油 管道建设刚刚起步，输气管网的规模和覆盖面也很小，油气管网的现状与市 场需求的矛盾比较突出。 随着管线的增多，管龄的增长以及人为的破坏、施工缺陷和腐蚀等原因 的存在，管道事故频频发生，严重污染了人类的生存环境，给人民的生命财 产和生存环境造成了巨大的威胁由于各种原因造成的海上石油泄漏更严重 地破坏了海洋生念环境。 在世界范围内时常会有管道泄漏事件的发生，每次管道泄漏都会造成重 第一章绪论 大的损失，令人触目惊，i h , 。例如，2 0 0 4 年4 月1 2 日，印度东部比哈尔邦的 条国内主要输油管道4 月1 2 同发生破裂，并引起大火。出事地点位于比哈尔 邦省会巴特纳和莫l i l - j h 瑟赖火车站之问的地区，巴特纳至莫i i i - j l 瑟赖区 间的铁路是印度东部地区的交通枢纽，火灾造成了该地段的部分铁路设施被 毁，当地的铁路运输中断。 我国的长输管线相当的一部分已经进入了老龄期。统计资料表明世界上 总管网5 0 已经使用了3 0 年以上，极易因腐蚀而发生泄漏，从而造成巨大 的生命财产损失和环境污染。长输管线一般长度在二三百公里以上，发生泄 漏事故之后很难及时发现情况和查出泄漏地点。在我国管道泄漏事件也时有 发生。在1 9 9 5 年，中朝输油管线发生了一次泄漏，为了补孔修复，停输5 5 个小时，几乎全线凝管，严重影响了对朝鲜的石油供应，造成了巨大的经济 损失。 管道作为气体、石油等介质的长距离输送设备，安全是管道运行的最基 本条件。因此，在进行管道规划、设计、施工、操作及维护的各个阶段，都 要根据相应的法规采取安全措施，尤为重视对泄漏事故的早期发现及防止泄 漏扩散。但是，即使管道在铺设、运行的过程中达到了设计质量标准，管道 的老化仍然是不可避免的。就世界范围而言，大量的长输管线都使用了很长 的时间。我国的长输管道的老化同样十分严重。我国有许多超龄服役的管道， 常会发生泄漏事故。由此可见，输油管道腐蚀检测对于降低管道事故发生、 减少国家能源物资的损失、防止环境污染等方面都有十分重要的意义，并且 已经产生明显的社会和经济效益。 根据美国有关部门的统计，管道泄漏事故的原因中，第三者施工是第， 腐蚀泄漏是第二。因此，管道腐蚀检测意义重大。对管道进行定期的腐蚀状 况监测，可以有效地掌握管道的运行状念和腐蚀状况，及时发现具有潜在危 险的腐蚀点和泄漏点。从而，将因管道腐蚀穿孔而导致的管道泄漏事故防患 于未然。 兰二至堕笙 一 12 管道腐蚀漏磁通检测原理概述 1 2 1 管道腐蚀的基本检测方法 目前我国的长输管道大部分已服役了二十多年，管道因腐蚀破坏造成的 穿孔频繁，维修更新率比较高。管道的腐蚀泄漏，不仅污染_ r 环境，而且还 给国家带来了难以弥补的经济损失。为此在管道建设迅速发展的同时，如何 保证管道的安全运行也成为越来越重爱的问题。 目前国内外在埋地管道腐蚀方而已做了大量的研究，开发了各种各样的 检测技术。这些技术主要包括管道外腐蚀检测和管道内腐蚀检测两大类。 一、管道腐蚀的外部检测法 1 现场调查法( 人工巡检) 利用肉眼或者光学仪器对钢铁管道的腐蚀状况直接进行观测，这是最常 用的检查方法。该方法简单明了、直观，并可以根据此分析产生腐蚀的原因， 确定进一步检测的方法、区域和范围。 2 阴极保护系统检测法 在现代管道上，埋地管道的外腐蚀保护一般由绝缘层和阴极保护组成的 防护系统来承担。通过对阴极保护系统进行检测，可以判断管道防腐层的损 坏程度，从而得出管道受腐蚀的情况。基于这一原理而研究出的方法，其检 测参数大都是管地电位的测量和管内电流的测量。 管地电位检测技术包括p e r s o n 检测法、短削歇电位检查法、组合电位 测试法、直流电压梯度法等：管内电流检测技术主要包括电流梯度分布法、 分段管内电流比较法等。这些检测方法都属于间接检测管道腐蚀的方法，需 要工作人员仔细测量和分析，才能得到有效可靠的测量数据。有的方法对测 量工作人员的要求十分严格，例如用直流电压梯度法检测时，为准确判定管 道涂层缺陷的位置，要求工作人员垂直于管道方向测量，这就是说，测量前 必须知道管道的确切位置。若对长距离埋地管道进行测量，这一要求很难达 到。此外，在良好的阴极保护下管道有时也会发生腐蚀和泄漏。 所咀，通过对防腐层的检测柬判断管道的腐蚀状况并不是最理想的方法。 而且，从管道的敷设情况来看，有的管外检测技术不适于检测穿越公路、铁 而且，从管道的敷设情况来看，有的管外榆测技术不适于检测穿越公路、铁 第一章绪论 1 2 管道腐蚀漏磁通检测原理概述 1 2 1 管道腐蚀的基本检测方法 目前我国的长输管道大部分已服役了二十多年，管道因腐蚀破坏造成的 穿孔频繁，维修更新率比较高。管道的腐蚀泄漏，不仅污染了环境，而且还 给国家带来了难以弥补的经济损失。为此在管道建设迅速发展的同时，如何 保证管道的安全运行也成为越来越重要的问题。 目前国内外在埋地管道腐蚀方面已做了大量的研究，丌发了各种各样的 检测技术。这些技术主要包括管道外腐蚀检测和管道内腐蚀检测两大类。 一、管道腐蚀的外部检测法 1 现场调查法( 人工巡检) 利用肉眼或者光学仪器对钢铁管道的腐蚀状况直接进行观测，这是最常 用的检查方法。该方法简单明了、直观，并可以根据此分析产生腐蚀的原因， 确定进一步检测的方法、区域和范围。 2 阴极保护系统检测法 在现代管道上，埋地管道的外腐蚀保护一般由绝缘层和阴极保护组成的 防护系统来承担。通过对阴极保护系统进行检测，可以判断管道防腐层的损 坏程度，从而得出管道受腐蚀的情况。基于这一原理而研究出的方法，其检 测参数大都是管地电位的测量和管内电流的测量。 管地电位检测技术包括p e r s o n 检测法、短间歇电位检查法、组合电位 测试法、直流电压梯度法等：管内电流检测技术主要包括电流梯度分布法、 分段管内电流比较法等。这些检测方法都属于间接检测管道腐蚀的方法，需 要工作人员仔细测量和分析，才能得到有效可靠的测量数据。有的方法对测 量工作人员的要求十分严格，例如用直流电压梯度法检测时，为准确判定管 道涂层缺陷的位置，要求工作人员垂直于管道方向测量，这就是说，测量前 必须知道管道的确切位置。若对长距离埋地管道进行测量，这一要求很难达 到。此外，在良好的阴极保护下，管道有时也会发生腐蚀和泄漏。 所以，通过对防腐层的检测来判断管道的腐蚀状况并不是最理想的方法。 而且，从管道的敷设情况来看，有的管外检测技术不适于捡测穿越公路、铁 第一章绪论 路和海底的管道，检测所收集的数据极其有限，无法对管道进行全面的腐蚀 检测。 3 电阻法 测量检测元件在腐蚀环境下受到腐蚀后电阻的变化，以求得管道壁厚的 减小及腐蚀速度。 4 防射线透射法 利用x 射线、同位素辐射及高能射线等对管道进行透视照相，照片上可 直接反映出管道的腐蚀情况。 5 声发射法 利用仪器探测管道裂痕纹扩展时发射的声波，以检测管道的应力腐蚀破 裂、腐蚀疲劳和泄漏等。 6 、线性极化法 在腐蚀电位附近，电流的变化与电位的变化呈正比，其斜率与腐蚀速度 呈反比，通过对极化曲线斜率一极化电阻的测量可计算出管道的腐蚀速度。 此外，还有交流阻抗法、检测孔法、现场挂片等检测管壁腐蚀的方法。 另外，还可通过对腐蚀系统耗氧量的测定，腐蚀产物如溶解的金属离子和析 出的氢量的测定来判断管道的腐蚀程度。 二、管道腐蚀的内部检测法 管道发生腐蚀后，通常表现为管道的管壁变薄，出现局部的凹坑和麻点。 因为有的管外检测技术还不适于检测公路、铁路、海洋等区域下的管道，无 法实现对管道的全面检测。针对管外检测技术存在的问题、国外一些发达国 家先后开发出了一些可行的管道内腐蚀检测技术。 管道内腐蚀检测技术就是主要针对管壁的变化来进行测量分析的。德国、 美国等国家在这方面起步较早、且已经结合此项技术研制出了各种智能检测 爬行机( 也称智能清管器，简称p i g ) 。p i g 主要用于检测管道的腐蚀缺陷， 按其采用的无损检测技术可以分为以下几类：漏磁通法、超声波法、涡流 磁化涡流检测法、激光检测法、电视测量法、遥控磁场涡流法、电磁声法、 照相检测法等。其中激光检测法和电视测量法需和其他方法配合才能得出有 效准确的腐蚀数据。 第一章绪论 现在国外使用较为广泛的管道腐蚀检测方法是超声波检测法和漏磁通 法。下面对上述几种管内腐蚀检测方法进行简单的论述。 1 超声波检测法 一般把频率在2 0 k h z 2 5 m h z 范围的声波叫做超声波。它是一种机械振动 波，它能透入物体内部并可以在物体中传播。利用超声波在物体中的多种传 播特性的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等 因此是应用最广泛的一种无损检测技术。超声波检测法主要是利用超声波的 脉冲反射原理来测量管壁受蚀后的厚度。检测时将探头垂直向管道内壁发射 超声脉冲基波p ，探头首先接收到由管壁内表面反射的脉冲f ，然后超声探头 又会接收到由管壁外表面反射的脉冲b ，f 与b 之怕j 的间距d 反映了管壁的厚 度，若管壁受蚀，d 将减小。 这种检测方法是管道腐蚀缺陷深度和位置的直接检测方法，检测原理简 单，对管道材料的敏感性小，检测时不受管道材料杂质的影响，能够实现对 厚壁大管径的管道进行精确检测，不受壁厚限制还能分辨管道的内外壁腐 蚀、管道的变形、应力腐蚀破裂和管壁内的缺陷，如夹渣等。此外，超声波 法的检测数据简单准确，无需校验，检测数据非常适合作为管道最大允许输 送压力的计算，为检测后确定管道的使用期限和维修方案提供了极大的方便。 这种方法的不足之处是超声波在空气中衰减很快，检测时般要有声波的传 播介质，加油或水等 2 漏磁通法 漏磁通法检测的基本原理( 如图1 1 ) 是建立在铁磁材料的高磁导率这一 特性之上的。 钢管中因腐蚀产生缺陷处的磁导率远小于钢管的磁导率，钢管在外加磁 场作用下被磁化。当钢管中无缺陷时，磁力线绝大部分通过钢管，此时磁力 线均匀分布：当钢管内部有缺陷时，由于缺陷部分磁阻的增加，磁力线发生 弯曲，并且有一部分磁力线泄漏出钢管表面，这部分漏磁相对于被测管道 不存在缺陷时的漏磁大许多。通过磁传感器检测被磁化铜管表面逸出的漏磁 通，就可判断缺陷是否存在。 第一章绪论 幽】i 漏融通法检测原理幽 漏磁通法适用于检测中小型管道，可以对各种管壁缺陷进行检验，检测 时无需用合剂，也不会发生漏检。但漏磁通法只限于材料表面邪近表面的检 测，被测的管壁不能大厚。抗干扰能力差，空间分辨力低。另外，小而深的 管壁缺略处的漏磁信号要比形状平滑但很严重的缺陷处的信号大很多，所以 漏磁检测数据往往需要经过校验才能使用。漏磁检测并不能发现所有类型的 管道缺陷，其主要能够发现管道上由于腐蚀和擦伤等造成的金属损失，对于 管道上的裂纹，尤其是轴向裂纹并不是很敏感，但其有时也能发现硬癖点， 夹杂物，分层和焊接孔隙等冶金缺陷。 先进漏磁检测与超声波检测是目盼常用的两种管道检测手段，其性能比 较见表1 1 。 表i 1 先进漏磁检测与超卢波检测性能比较 壁厚( m )对不同物体的灵敏度圆周覆盖率弯头覆盖范围 检测方式 最大 最小材质 流体焊缱( )( ) 漏磁检测 2 0 3 0o尚无有】0 01 0 0 超声检测 1 0 05 无 有有1 0 0小于1 0 0 内、外腐蚀最小腐蚀值最小直符误差 检测方式榆测赞用 将测方式 检测能力 ( m m ) ( m m ) ( m m ) 漏磁检测有0 1 t1 0 00 2 t 较高问接榆测 超声检测自 l0 2 0 0】0 较低直接检测 3 涡流法 基于电磁感应原理，当把通有交变电流的线圈( 激磁线圈) 靠近导电物 第一章绪论 体时，线圈产生的交变磁场会在导电体中感应出涡电流，该涡电流的分布及 大小除了与激磁条件有关外，还与导电体本身的电导率、磁导率、导电体表 面或近表面缺陷的存在或组织变化等部有密切关系。涡电流本身也要产生交 变磁场，通过检测其交变磁场的变化，可以达到对导电体检测的目的。因此 可以通过磁化管壁，检测涡流产生的交变磁场的方法来检测管壁的腐蚀情况。 涡流检测法虽然可适用于多种黑色金属和有色金属，检测蚀孔、裂纹、 全面腐蚀和局部腐蚀，但是涡流对于铁磁材料的穿透力很弱、只能用来检查 表面腐蚀。而且、如果在金属表面的腐蚀产物中有磁性垢层或存在磁性氧化 物，就可能给测量结果带来难以避免的误差。另外，由于涡流法的检测结果 与被测金属的电导率有密切关系、为了提高测量精度还要求被测体系最好保 持恒温。 管道腐蚀检测的方法很多，每一种方法所获得检测结果也不尽相同。其 适用性取决于管道环境、响应时间和是否便于操作等因素。在实际应用中要 多考虑管道腐蚀的特点，采用一种或多种检测方法组成可靠性及经济性均佳 的综合检测系统。真正使检测系统灵敏度高、响应快，及时准确的检测出管 道的腐蚀情况。以便对管道进行及时的维修和更换，以避免因为管道泄漏而 造成的损失和环境污染。 1 ，2 2 漏磁通法管道检测原理 一、漏磁通管道检测系统总体构成 在上一小节中提到了管道检测的方法之一漏磁通法，利用漏磁通原理进 行管道检测的系统通常由三个部分组成： 1 管内检测部分( 管道机器人或智能爬行机，简称“p l g ) ，主要作用 是在管道内的行进过程中对管道进行磁化，并将传感器检测到的漏磁信 息记录存储。 2 管外定位部分( 即地面标记系统) ，其主要作用是记录p i g 运行到管 道不同位置时对应的时刻，从而建立起整个检测过程中管道位置和时间 一一 兰二兰堡笙 _ _ 一一一 的对应关系。 3 数据处理部分( 即计算机和软件系统) ，主要作用是对检测的信息进 行处理，将其还原成管道内部的缺损信息。 地面标记系统是漏磁通法管道检测中的地位是不可或缺的。它的主要任 务是标记肝卜p i g 通过管道标记点f 下方时的时间值。一般情况下，输油管线 上每隔l 公旱就有一个测试桩，在实际的管道检测中即将该点作为地面标记器 的标记点。进行数据处理的时候，用地面标记器记录的m f l p i g 通过的时间减 去m f l p i g 的启动时问，再换算成0 0 1 秒的整数倍就可以得到时间增量值。同 时还可以避兔误差的累计，使时阃误差能够限制在一公里的行进过程里，最 终，保证管道检测的定位精确度。 二、管道漏磁通管内检测器的工作原理和结构 漏磁检测的原理很简单，但是它在油气管线的应用需要复杂的检测器技 术。管道腐蚀漏磁通检测器的管内检测部分称为智能检测爬行机，简称“p i g ”， 国际上通用的p i g 的定义是：任何依靠管道内部流体的驱动在管道内运行的 设备称为“p i g ”。 漏磁检测器是一种完全整装的系统，自从管道漏磁检测装置与本世纪6 0 年代产生以来，大致经历了二代的技术发展过程，8 0 年代中期以前称为第一 代，以后称为第二代。第一代的漏磁检测装置存在着不少缺点；体形庞大、 笨重，运行不稳定；对弯头、焊缝等周边缺陷在检测上有困难，对检测结果 的解释有时无法理解。到了1 9 8 4 年，钕铁硼永磁铁的出现对漏磁检测器进入 到第二代起到了巨大的推动作用。第二代漏磁检测装置普遍采用钕铁硼永磁 铁励磁，它不仅提高了被测管壁的磁化强度，同时也使装置的小型化成为可 能，装置的通过性能得到大幅度提高；传感器技术的发展使检测灵敏度和精 度大为提高：出现了能区分管壁内表缺陷还是外表缺陷的判别技术，甚至有 采用可以检测轴向、径向、环向三维漏磁通的传感器；提高了缺陷几间尺寸 检测精度：充分利用先进电子技术，在设计上引入有限元等数字计算技术， 提高了分辨率，使得检测结果可用三维图象来表达；此外，还增大了数据的 存储量，开发了新型的专用软件。 当前广泛应用的漏磁检测器包含大量的相关系统，被分为由多个活动接 9 第一章绪论 头连接的部分，现在使用的m f l p i g 一般由测量节单元、记录节单元、电池节 3 部分组成，所有的部件都包含在一个硬包装旱。每节的前后都有橡皮碗支撑 在管道内，各节之间由力。向节连接，保证检测仪在输油气压力下能顺利通过 管道转弯处和仪器内部免受撞击。图1 2 所示的是国外一家公司漏磁检测器测 量节部分的结构。漏磁检测器一般包括磁化、传感、数据收集和动力系统。 这些系统的设计和运行影响着检测性能和能力。m f l p i g 的技术水平体现在 三个方面即：检测性能、行走性能和安全性能。 罐化嚣2 一传惑器3 - 管道4 一里程轮5 一驱动皮碗 图1 2 漏磁通检测仪整体结构示意图 1 3 本文的主要m f p 以及意义 目前我国使用的大部分管道检测仪器需要依赖于进口。不仅对国外的依 赖性很强，而且有的检测设各并不是很符合我国输油管道的特点。目前，我 国现有的管道腐蚀检测设备和国际先进水平相比，还存在很大差距，很难适 应竞争日益激烈的国内外输油气管道检测市场需求，尤其是天然气管道和海 洋管道检测技术领域涉足的还不多。因此，迫切的需要大力开发管道检测技 术，开发我们自己的检测仪器。 为了开发自己的管道腐蚀检测仪器，中国石油天然气管道局管道技术公 司与英国a t 公司合作研发高清晰管道漏磁通检测器，尽快研究开发出可为 西气东输管道进行高清晰检测的漏磁通管道检测器( m f l p i g ) 。高清晰检测 器能够探测在役管道中存在的腐蚀等各种缺陷，为管道维修提供科学准确的 第一章绪论 数据，避免盲目大修，能节省大量维修费用，产生重大经济效益和社会效益。 通过国际技术合作，管道技术公司可在较短时间内掌握当今国际上先进的高 清晰检测器的核心技术，从而实现真正意义上的提高管道技术服务的核心竞 争力。 我们作为中国石油天然气管道局管道技术公司的合作伙伴，也参与了此 次高清晰管道检测器的开发，受管道技术公司的委托，我方主要负责管外定 位部分即地面标记系统的研制和丌发。作为该课题组的主要成员，在一年的 科研工作中，我主要完成了以下工作： 一、查阅了大量的国内外有关管道腐蚀检测方面的资料，对管道检测的意义 和方法有了一个比较深刻的认识。并且注意比较了各种腐蚀检测的使用 范围和优缺点。 二、重点查阅了有关漏磁通检测方法的原理，优点及发展情况。查阅了有关 智能检测爬行机( p i g ) 的资料，了解了其结构、功能、类型以及不同p i g 的优缺点。 三、了解了地面标汜系统工作原理，以及其在漏磁通管道检测系统中的重要 作用和意义。 四、研究了管道漏磁信号的特点和性质，了解了各种磁传感器适用的范围和 场合，特别是磁探测线圈的原理。 五、了解各种晶体振荡器的工作原理和特点，选择合适的类型，设计出高温 定度、小尺寸、低功耗的适合于高清晰地面标记系统的晶体振荡器。并对 晶振的稳定度作了大量的测试。 六、开发完成了地面标记系统，包括地面标记器和标准时钟源两部分的结构 设计，硬件电路如信号获取、处理和存储电路，电池充放电控制电路，时 钟电路设计，数据通讯电路设计，人机交互方式( 键盘、显示器) ，以及 程序和上位机软件等的设计。 七、对地面标记器进行了可靠性模拟实验及现场工作实验，验证了系统的可 靠性能和工作性能。 地面标记系统是漏磁通管道检测系统不可或缺的一部分。它的主要任务 是为整介检测过程提供时问标记，从而对犟程轮的记数进行刻度。最终在以 第一章绪论 管道长度为横坐标的缺陷记录图上，记有一道全程的罩程和方向刻度，保证 缺陷的精确定位。 虽然检测器m f l p i g 本身具有罩程轮，可以在机器人的行进过程中转动 从而记录下在管道中行进的罩程，但由于一些意外因素，例如m f l p i g 在行 进过程中出现翻转等情况，会影响里程轮记数的精确度。据统计，m f l p i g 每行进1 公里会产生1 m 以上的误差，如果没有个标记系统对其行进过程 进行实时的标记和校准的话，这些误差将被一直累积下来，从而导致对长距 离管道的缺损无法进行精确定位，使整个检测过程功亏一篑。因此，对于长 距离管道的缺损检测，每间隔定距离( 1 2 公里) 在管道上方安装一个地 面标记器是非常必要的。 因此，作为漏磁通管道检测系统的一部分，地面标记系统的作用是不可 或缺的，它的时问标记的精确度将会影响整个检测的位置精确度，是实现缺 陷点精确定位的重要保障。 第二章高清晰漏磁通检测地面标记系统的总体设计 第二章高清晰漏磁通检测地面标记系统的总体设计 2 1 管道漏磁信号的有限元分析 地面标记系统检测的信号是被磁化的管道漏失到周围土壤和空气中的磁 信号。我们首先需要了解这些磁场的分柿、大小等特点，爿能确定检测的方 式和方法。 实际上，由于经过磁化的管道形成了闭合磁路，漏失到管道外面的磁场 相对于管内检测器磁铁的磁强度和管壁的磁场强度都是很微弱的，分析这一 部分磁场很复杂，可以采用有限元的数值解法来进行分析。 2 + 1 1 电磁场理论 电流密度- ，在磁导率的介质中形成的稳定磁场h 和磁感应强度b 之间 的关系由麦克斯韦方程组( 式2 1 式2 3 ) 及相应的边界条件( 式2 4 ) 确定。 v h = j ( 式2 1 ) v b = 0 ( 式2 2 1 b = ( 式2 3 ) b 】。= b 2 。h l ，= h 2 ，( 式2 4 ) 如果磁势a 定义为 b = v av a = 0 ( 式2 5 ) 则在均匀介质中由式2 1 、2 2 和2 5 可得 一上v ：一；， ( 式2 6 ) 对于轴对称的管道系统，a = a ( r ，z k ，j = 山勺为0 方向单位矢量) ， 于是，式2 - 6 简化为 ；一0r一0,4等一aoro r 一 r8 z zr 2 ( 式2 7 ) 第二章高清晰漏磁通检测地面标记系统的总体设计 由式2 5 可得 耳= 一瓦o a 占：= ! r 剑o r ( 枷) 这样就可以利用有限元法对满足式2 6 及相应的边界条件2 4 的漏磁检 测系统中各区域的磁势a 进行数值计算。 2 1 2a n s y s 二维有限元分析 有限元法是以变分原理为基础，把一个数理方程的求解问题变成一个泛 函求极值的边分问题。在具体求解过程中，又利用了差分法的离散处理的网 格思想，把整个求解空间剖分成有限个小单元，把要求解的函数a 在每个小 单元上表示成以节点上的函数值爿f 为系数的单元基函数的展开式，这样把连 续介质中求解连续函数a 的问题离散成求解有限个节点上的函数一i 的问题。 于是，利用泛函在整个求解空间取极值，导出以4 f 为未知量的联立代数方程， 即有限元方程。利用计算机可以求出月个节点上一f 的值，实现未知函数a 的数值计算。 管道漏磁场的有限元仿真计算量很大，需要有高配置的计算机和分析软 件作为辅助。大型有限元分析软件a n s y s 可以进行结构、热、流体、电磁、 声学等学科的有限元分析，它具有独特的多物理场耦合分析优化功能。同时 提供了三维实体建模，有限元网格自动划分，材料特性定义，可视化后处理 等功能。采用a n s y s 进行管道漏磁场的分析可以简化求解的过程，加快求 解速度。 a n s y s 的分析过程包含三个步骤： ( 1 ) 前处理，也叫预处理( 包括创建或导入几何模型、定义材料属性、 划分网格) ： ( 2 ) 求解( 包括施加载荷及载荷选项，设定约束条件，边界条件以及求 解) ： ( 3 ) 后处理( 查看分析结果和检验结果) 。 利用a n s y s 分析，得到了管道外漏磁信号的磁力线分布图和磁场强度曲线。 第二章高清晰漏磁通检测地面标记系统的总体设计 如图2 1 , d 2 ，2 所示 图2 1 管道漏磁信号磁力线分布图 图2 2 管道外漏磁场强度曲线 第二章高清晰漏磁通检测地面标记系统的总体设计 通过a n s y s 有限元分析，我们得知了管道外的漏磁信号相对于磁铁和管 道内部漏磁信号是很小的( 如图2 1 ) 。如图2 2 ，当管道内检测器磁铁强度 为1 t ( 特斯拉) 时，其管道正上方5 0 c m 3 m 处的磁场大小约为1 g ( 高斯) ，相差 l 万倍( 1 t = 1 0 0 0 0 g ) 。 这也就是说，我们需要测量的漏磁信号是高斯级的，而地球磁场的大小 约为0 5 g ，也是高斯级的；另外某些环境磁场例如高压电线周围的磁场也都 在这一数量级上。因此，地面标记系统既要有很高的灵敏度，能够测量高期 级的小磁场，同时又必须有很好的抗干扰措施，才能有效地消除环境磁场对 测量结果的影响。 2 2 地面标记系统的工作原理 地面标记系统是漏磁通管道检测的管外定位部分，也是不可或缺的一部 分，其在整个检测过程中的作用和意义上一章已经详细讲述。地面标记系统 是有两个部分组成的，分别是地面标记器和标准时钟源( 或称主时钟) 。 2 2 1 地面标记器的功能和工作原理 地面标记器的作用主要是记录漏磁通管道检测器( m f l - p i g ) 通过其正x 下 方的时间。一般情况下，输油管线上每隔1 公里就有一个测试桩，在实际的管 道检测中即将该点作为地面标记器的标记点，即在每公里的测试桩处安放一 个地面标记器。该系统的时间是用m c u 内部的1 6 位计数器的计数来实现的，计 数的多少决定了时间的长短。检测前要对地面标记系统s d m f l - p i g 的计数器进 行同步；检测结束后进行数据处理的时候，用m f l p i g 通过地面标记器正下方 时的计数值减去m f l p i g 启动时的计数值，就可以得到时间增量值。 地面标记器原理如下：m f l p i g 的励磁器部分是一个n - s 极沿管道轴向放 置的强磁体，它一方面磁化管壁，用于进行管壁缺陷检测；另一方面也是地 面标记器确认m f l p i g 通过的依据，因为无论励磁器对管壁的磁化程度多高， 总有一部分磁力线从管壁向外“漏失”，称为漏磁。地面标记器中有个磁 第二章高清晰漏磁通检测地面标记系统的总体设计 探测线圈用于捕捉该“漏磁信号”。通过判断、识别磁感应信号的幅度、波 形进而确定m f l p i g 通过标记点币下方的准确时间。从而对翠程轮的记数进行 刻度。最终在以管道长度为横坐标的缺陷记录图上，记有一道全程的罩程和 方向刻度，提供缺陷的精确定位。 定位过程如下：m f l p i g 检测器在工作之前，首先读取标准时钟源的当前 时间( 即计数器的值) 作为启动时间，即计算时间增量的起始时间。再用同 一时钟源同步所有地面标记器，这样，m f l - p i g 检测器与地面标记器就具有了 统一的时间基准。地面标记器计算时间增量的时候所用的时间基点是m f l p i g 检测器启动的时间，在该时刻时间增量为0 。 m f l p i g 检测器通过硬件控制电路控制信号的采集与存储，它可以产生两 种中断，分别用于控制数据的采集与时间增量的记录。中断之一是靠里程轮 上的传感器产生的外部中断，管内检测器用罩程轮记录管道的旱程值，其分 辨率一般为1 6 0 l ( l b 旱程轮的周长) ，检测器靠霍尔元件感应里程轮的转 动，里程轮每转动6 度就会激发次外部中断，在中断程序中采集管壁的状况 并记录于硬盘中。另个中断是定时中断，用于记录管内检测器从开始工作 到当前时刻的时间增量，m f l p i g 检测器每0 0 1 秒产生一次中断，用一个计数 器记录中断的次数，即获得时间增量值。就是说每一个采样信号除了对应一 个里程之外，还对应一个时间增量。 在定位的时候，将地面标记器记录的时间增量值与管内检测器记录的采 样数据对应的时间增量对比，找到相同的时间增量之后，就将标记点对应的 管道实际位置标记在采样数据的坐标轴上，当所有的标记点都标记在采样数 据的坐标轴上的时候，就把所有管壁的腐蚀或者泄漏点定标在标记点之间了。 2 2 2 标准时钟源的功能 由于在实际检测过程中，所用的地面标记器的数量较多，前期的同步和 后期的数据通讯工作量都非常大，而且零散的外形为杯状的地面标记器不易 野外携带，因此，为了克服这些问题，设计了一个标准时钟源( 主时钟) 。 它的外形是一个箱体，每个主时钟内部可安放8 个地面标记器，这样实际上 就是将每8 个地面标记器分成一组，每组的同步，通讯和充电等任务由主时 第二章高清晰漏磁通检测地面标记系统的总体