金屬管道腐蝕量的電磁法檢測(cè)

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，西安 710300)

金屬管道運(yùn)輸有著高速、便捷、安全等優(yōu)點(diǎn)。管道在線運(yùn)營時(shí)間長(zhǎng)，特別是處于環(huán)境惡劣的埋地金屬管道易發(fā)生腐蝕，從而造成管道內(nèi)介質(zhì)泄漏，引發(fā)安全事故。目前，針對(duì)埋地金屬管道腐蝕量的計(jì)算方法主要有兩種：文獻(xiàn)[1]提出通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，找出與金屬管道腐蝕量相關(guān)的參數(shù)建立模型；文獻(xiàn)[2]指出建立金屬管道電導(dǎo)率和腐蝕量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。兩種方法都是借助理論和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法總結(jié)得出的，為油氣運(yùn)輸提供了安全保障。

1 金屬管道腐蝕量檢測(cè)方法

圖1 地下金屬的電磁檢測(cè)技術(shù)原理示意

地下金屬的電磁勘探設(shè)備主要由3部分組成：傳感器，控制單元和數(shù)據(jù)分析部分(見圖1)。先施加特定的電流信號(hào)給傳感器，讓其在空間形成電磁場(chǎng)，然后電磁場(chǎng)擴(kuò)散到金屬管道表面，形成渦流效應(yīng)。由電磁感應(yīng)定律可知，金屬管道的壁厚，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率會(huì)不同程度地影響其表面渦流的衰減速度。渦流在空間衰減的過程中形成二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)信號(hào)被接收傳感器接收，通過分析和處理，從接收的磁場(chǎng)信號(hào)可以得到被檢金屬的特征參數(shù)。該檢測(cè)技術(shù)在時(shí)間和空間上都具有可分性，時(shí)間上可分是指接收信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)一前一后沒有干擾；空間上可分是指激勵(lì)頻率不同導(dǎo)致一次磁場(chǎng)的能量和穿透力不同[3]。

2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試件

信號(hào)激發(fā)源選擇瞬變電磁儀(見圖2)，可以激發(fā)不同電壓和頻率的信號(hào)，電壓為-2020 V，頻率為1/16～32 Hz。傳感器采用自制的線圈，線圈形狀為圓形，激勵(lì)線圈直徑為250 mm，漆包線直徑為1 mm，匝數(shù)為200，檢測(cè)線圈直徑為150 mm，漆包線直徑為0.25 mm，匝數(shù)為500。采用與管道材料相同的試件，尺寸為50 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬)，數(shù)量為4個(gè)，板材厚度分別為5，10，15，20 mm。

圖2 檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)

2.2 檢測(cè)信號(hào)分析

通過分別在試件1(d=5 mm)，試件2(d=10 mm)，試件3(d=15 mm)，試件4(d=20 mm)上進(jìn)行試驗(yàn)(d為厚度)來獲取感應(yīng)電壓，經(jīng)過濾波處理得到感應(yīng)電壓曲線(見圖3)，但無法從感應(yīng)電壓曲線中分辨不同厚度信號(hào)的差異，需要把笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(見圖4)。由圖4可知，信號(hào)在后期幅值存在較大差異，衰減速度排序?yàn)椋簐5 mm>v10 mm>v15 mm>v20 mm，與之前檢測(cè)信號(hào)理論分析規(guī)律吻合。

圖3 感應(yīng)電壓曲線(笛卡爾坐標(biāo)系)

圖4 感應(yīng)電壓曲線(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系)

2.3 試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)分析

為了研究傳感器與試件之間的垂直高度(也稱提離高度)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響規(guī)律，筆者合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)步驟和裝置，檢測(cè)原理如圖5所示。從試件1，試件2，試件3，試件4在提離高度分別為0，50，100，150，200 mm情況下得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)中，每組選擇相鄰5個(gè)數(shù)據(jù)，采用y=Aekx函數(shù)進(jìn)行擬合處理(y為感應(yīng)電壓，A為信號(hào)幅值，k為衰減率，x為時(shí)間)，對(duì)比選擇出每組數(shù)據(jù)中衰減率的最大值,以此作為評(píng)價(jià)依據(jù)，得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。通過對(duì)比分析可知：當(dāng)提離高度H小于100 mm時(shí)，檢測(cè)信號(hào)衰減率基本相同，只是幅值發(fā)生變化，提離高度越小，信號(hào)幅值越大；當(dāng)提離高度H大于100 mm時(shí)，衰減率變化較大，這是因?yàn)榧?lì)線圈有效響應(yīng)面積大于試件表面積，形成的渦流不均勻。對(duì)于厚度為20 mm的試件，信號(hào)衰減率忽大忽小，無法分辨規(guī)律。說明對(duì)于厚度超過20 mm的試件，該傳感器的檢測(cè)結(jié)果可信度低。

圖5 提離高度檢測(cè)原理示意

厚度/mm提離高度/mm幅值/T衰減率00.109 4-0.211 6500.029 6-0.210 2d=51000.009 6-0.219 21500.004 0-0.235 32000.001 7-0.235 500.008 1-0.048 1500.002 1-0.048 2d=101000.001 3-0.048 41500.000 5-0.067 72000.000 2-0.048 800.001 7-0.018 0500.000 5-0.018 1d=151000.000 2-0.018 31500.000 1-0.025 32000.006 3-0.079 600.000 3-0.008 0500.000 2-0.011 3d=201000.000 1-0.005 71500.005 4-0.002 32009.682 4-95.325

3 基于斜率特征量的測(cè)厚算法

綜上數(shù)據(jù)分析可知，由于在金屬管道表面產(chǎn)生的渦流信號(hào)過于微弱，后期幅值達(dá)到微伏或者毫伏級(jí)別，不同厚度的檢測(cè)信號(hào)在笛卡爾坐標(biāo)系中無法分別出規(guī)律，只有經(jīng)過坐標(biāo)變換，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下才能看出結(jié)果與理論相符。對(duì)于同一提離高度下，試驗(yàn)設(shè)備、參數(shù)及環(huán)境一致，唯一影響信號(hào)變化的只有試件厚度，因此該衰減率與試件厚度存在某種函數(shù)關(guān)系[4-5]。

基于檢測(cè)信號(hào)衰減率評(píng)價(jià)埋地金屬管道壁厚腐蝕量的方法如下所述。

(1) 提取同一種材料、不同厚度試件的感應(yīng)電壓信號(hào)，選擇合適的數(shù)據(jù)區(qū)間，采用y=Aekx函數(shù)進(jìn)行擬合處理，得到信號(hào)衰減率。

(2) 繪制厚度和其對(duì)應(yīng)的衰減率坐標(biāo)點(diǎn)，利用ORIGIN軟件擬合，選擇可信程度最高的函數(shù)，進(jìn)一步得到厚度與衰減率之間的數(shù)學(xué)模型。

(3) 取同一種材料的其他未知厚度的試件，提取衰減斜率，代入數(shù)學(xué)模型反演出與之對(duì)應(yīng)的試件厚度，并通過超聲測(cè)量未知試件的厚度,與反演出的值進(jìn)行對(duì)比，如果相對(duì)誤差不超過5%，則說明該算法可行。

在提離高度為50 mm的情況下，繪制試件1，試件2，試件3的檢測(cè)數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)(斜率為橫坐標(biāo)，試件厚度為縱坐標(biāo))，經(jīng)過反復(fù)多次選擇和對(duì)比，最終得出用冪函數(shù)進(jìn)行擬合。采用相同的方法對(duì)提離高度為0，100 mm的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。擬合結(jié)果表明：在有效的提離高度下，擬合方程均為y=2.589 5·x-0.439，決定系數(shù)R2=0.997 59，不僅擬合方程和實(shí)際符合程度高，而且可信度高。

在提離高度為50 mm的情況下，對(duì)3個(gè)試件的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到衰減率，代入上述擬合公式，反演計(jì)算出理論厚度，再通過超聲測(cè)厚儀對(duì)試件厚度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，結(jié)果如表2所示。

表2 提離高度為50 mm的理論厚度與實(shí)際厚度對(duì)比

結(jié)果表明：信號(hào)衰減率與厚度存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過上述方法得到的金屬管道壁厚理論值和實(shí)際值相差很小，相對(duì)誤差不大于5%，滿足精度要求。

4 結(jié)語

通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)，以不同厚度的鋼板為試件，提取同一提離高度下不同厚度試件的衰減斜率，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到擬合公式，最后驗(yàn)證該算法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，該算法可以把檢測(cè)精度控制在5%內(nèi)，且不受提離高度的影響。