專利名稱：油氣管道壁厚及缺陷檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種油氣管道壁厚及缺陷檢測系統，用于對天然氣、煤氣或石油管道壁厚和缺陷的檢測，屬于無損檢測技術、傳感器技術、機器人技術。
背景技術：
石油天然氣管道輸送在國民經濟中占有極為重要的地位。油氣管道輸送的基本要求是安全、高效。管道一旦發生事故，不僅會造成巨大經濟損失，而且對社會和環境也會產生嚴重的后果，其直接、間接經濟損失巨大，修理費用也非常高，因此，對在役長距離油氣輸送管道，尤其是對新建和老齡管道的檢測更顯重要。
目前對于管道壁厚及缺陷的檢測主要有漏滋法、超聲法、渦流法、電磁超聲法等。對于漏磁法專利G01N 28/82公告了一種檢測鐵質桿件、管件周向缺陷的探傷機，專利CN2546518Y采用勵磁線圈整體磁化的方式對被測管道進行缺陷檢測，專利CN2286158Y的鋼管漏磁探傷機公布了一種采用直流勵磁的方式檢測鋼管周向或軸向分布缺陷的裝置，以上3種裝置只能在被測管道外側對缺陷進行定性檢測，無法識別其厚度大小。超聲檢測原理是根據超聲回波的時間延遲和方向的改變，來探測管道腐蝕坑的大小、裂紋和應力的存在，該種方法用計算機解讀時較為方便和準確，但因在檢測過程中必須使用耦合劑，很難適應煤氣、天然氣管道在線檢測的要求。對于渦流檢測，多用于導電材料表面缺陷、薄板厚度以及涂層厚度的檢測，由于趨膚效應的影響，其渦流無法滲透大于5mm的厚度。專利號為CN 1051086A的電磁超聲自動探傷技術，由于接收信號勵磁線圈與被測表面的距離大小直接影響測量精度，故不能應用于在線檢測；專利G01N28/82雖然解決了CN 1051086A的問題，但未涉及厚度測量。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術中的不足，提供一種油氣管道壁厚及缺陷檢測系統，能夠精確測量管道的壁厚及可能存在的管壁局部缺陷，適應油氣管道在線檢測的要求。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中，系統由傳感器固定裝置、32組可實現徑向粗調和彈簧自適應調整的周向陣列式測量頭部件以及實現過程控制、信號采集、數據處理和環境溫度補償的電控系統組成。對稱的固定裝置上按2種不同跨距均布有徑向調整機構，該機構對應鉸接于帶仿形輪的測量頭底板。系統采用傳感器陣列方式同時采集被測管壁的周向信息，傳感器陣列徑向可調，以適應被測管徑的變化；裝置還可沿被測管道軸向運動，以實現長距離在線檢測。本發明基于電磁式無氣隙漏磁測量原理，采用程控恒流勵磁檢測與裝置軸向運動交替進行的微型計算機控制方案，在導磁管道內同時對管壁周向，分時對管壁軸向進行長距離在線檢測。方案中程控恒流勵磁產生的電磁力使U型鐵芯吸附在管壁上，形成檢測所需的恒閉合磁路；相對于永磁勵磁，檢測過程與裝置軸向運動交替進行的實施方案減小了裝置在管道內軸向運動阻力和測量頭部件的磨損。
本發明由傳感器固定裝置、32組可實現徑向粗調和彈簧自適應調整的周向陣列式測量頭部件、以及實現測量過程控制、信號采集、數據處理和環境溫度補償的電控系統組成。傳感器固定裝置由兩個盤體和盤體連接件組成；各測量頭部件的徑向調整機構分別由各自的螺紋螺桿粗調裝置、彈簧滑桿自適應調整裝置組成；傳感器測量頭由產生恒定磁場的電磁鐵、用于測量和調理磁場變化的霍爾集成器件和聚磁件、用于調整電磁鐵初始狀態的彈簧回復機構以及測量頭保持架等組成；電控部分由用于提供勵磁的恒流源、用于霍爾器件輸出信號的放大與采集裝置以及實現測量過程控制及數據處理的微型計算機系統組成。各部分的連接方式為固定盤體為左右對稱結構，通過左右螺孔螺桿結構對應調節各測量頭部件的徑向伸縮。盤體上的螺孔與通孔螺桿相連，螺桿通過鎖緊螺母使螺桿相對于盤體固定，通過調整螺桿伸出量實現測量頭的徑向粗調，以適應被測管徑的大范圍變化；在螺桿頂端均裝有螺母用以支撐調節彈簧的初始狀態，調節彈簧和滑桿構成測量頭的自適應調節裝置，調節彈簧的頂端緊貼在測量頭的保持架上，而滑桿的頂端通過連接銷與測量頭的保持架相連，滑桿穿過彈簧和通孔螺桿可在螺桿內自由伸縮以適應調節彈簧的變形。對于測量頭，由于調節彈簧的作用保持架上的兩個仿形輪始終與被測管道內壁相貼，從而使測量頭可沿被測管道軸向運動并防止其周向轉動；測量頭上的電磁鐵、霍爾集成器件以及聚磁件組成一個部件通過導桿彈簧回復機構與保持架連在一起，初始狀態時由于回復彈簧的預壓作用使其緊貼在保持架上，同時保證了電磁鐵端面距被測管道內壁的恒定間隙，當勵磁線圈通電后，該部件可沿回復機構的導桿運動至電磁鐵端面緊貼在管道內壁。對于電控部分，恒流源提供勵磁電流，各測量頭的霍爾信號輸出通過放大后送入微型計算機，同時微型計算機用來控制電源的通斷、測量過程的控制、信號采集與處理以及環境溫度補償等。
本發明的工作原理為對已標定好的檢測裝置，適當調整調節彈簧的調節螺母，使彈簧自適應調節裝置有較大的工作范圍；適當調整每個測量頭上回復機構的回復彈簧初始狀態，使電磁鐵緊貼在測量頭底板上；根據被測管徑大小調節每個測量頭對應的螺母螺桿粗調機構，使檢測裝置適應該管徑變化；至此，可將檢測裝置放入被測管道內進行檢測。由于粗調彈簧的預壓作用，每個測量頭的仿形輪均緊貼在管道內壁，測量開始后，通過微型計算機控制勵磁電源的開啟，每個測量頭的勵磁線圈工作，由于電磁吸合力作用使U型軟磁材料的端面緊貼在管道內壁，此時U型軟磁材料和被測管道內壁的局部構成閉合磁回路，由于檢測裝置采用陣列式傳感器結構，因此被測管壁在測量頭范圍的整個圓周均被磁化以至飽和，根據磁回路原理，在放置霍爾器件位置的漏磁大小與被測管道壁厚和缺陷成一定的函數關系，為了調理通過霍爾器件的漏磁信號，裝置采用了聚磁件結構；檢測中同時讀取每個霍爾器件的信號并通過調整放大送入微型計算機，經處理即可獲知該圓周上被測管壁的信息。待采集完后，通過微型計算機控制勵磁電源使其斷開，此時，電磁鐵、霍爾器件以及聚磁件在彈簧回復機構的作用下回到初始狀態。啟動微型計算機控制系統使檢測裝置沿被測管道軸向運動固定距離以便檢測下一段管道。至此，完成一個檢測周期。重復以上各步可完成長距離管道檢測。
本發明的技術優點如下1、本發明基于電磁式無氣隙漏磁檢測原理，實現了勵磁檢測與裝置軸向運動交替進行的微型計算機控制方式，大大減輕了牽引負擔；2、勵磁采用無氣隙閉合回路方式，增強了磁化效果；3、采用大范圍粗調和彈簧自適應調整的徑向調節裝置，結構簡單，性價比高；4、測量頭的仿形輪結構實現了軸向運動和周向防轉功能；5、測量頭與調節滑桿之間的銷連接使檢測裝置具有一定的越障功能。


圖1是本發明系統總體結構圖。
圖2是本發明圖1的A向視圖。
圖1圖2中，盤體1、螺栓2、盤體連接件3、滑桿4、粗調鎖緊螺母5、粗調螺桿6、調節彈簧鎖緊螺母7、調節彈簧粗調螺母8、調節彈簧9、測量頭底板10、被測管道11、仿形輪12、仿形輪固定螺母13、仿形輪支架14、連接螺栓15、連接件16、回復導桿17、預緊調節螺母18、回復彈簧19、導座20、支撐架21、霍爾器件22、聚磁件23、勵磁線圈24、U型軟磁材料25、導座固定螺釘26、連接銷27、彈簧座28、仿形輪支架固定螺栓29、仿形輪支架固定螺母30、連接螺栓31、球鉸連接件32、球鉸33。
圖3是本發明基于電磁回路的漏磁法厚度測量原理圖。
圖4是本發明基于電磁回路的漏磁法缺陷檢測原理圖。
圖3圖4中，支撐架21、霍爾器件22、聚磁件23、勵磁線圈24、U型軟磁材料25。
圖5是本發明電控系統框圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的最佳實施例作進一步描述。
本發明包括1個傳感器固定裝置和32組可實現徑向粗調和彈簧自適應調整的周向陣列式測量頭部件，以及用于實現測量過程控制、信號采集和數據處理以及環境溫度補償的電控系統。具體敘述如下本發明檢測系統的總體結構如圖1、圖2所示，其中傳感器固定裝置由盤體1、盤體連接件3、螺栓2、連接螺栓31、球鉸連接件32和球鉸33組成。兩個盤體1和盤體連接件3通過螺栓2構成一個整體，組成對稱結構，球鉸33通過球鉸連接件32和連接螺栓31與盤體1的外側相連。
32組可實現徑向粗調和彈簧自適應調整的周向陣列式測量頭部件為避免結構干涉分2種不同跨距均布于傳感器固定裝置上，其跨距分布如圖1中虛線所示。徑向粗調裝置由滑桿4、粗調鎖緊螺母5、粗調螺桿6、調節彈簧鎖緊螺母7、調節彈簧粗調螺母8、調節彈簧9、彈簧座28以及連接銷27組成。滑桿4頂端通過連接銷27與測量頭底板10連接，滑桿4可繞連接銷27轉動；滑桿4的另一端穿過調整彈簧9和帶通孔的粗調螺桿6，滑桿4可在調整彈簧9和粗調螺桿6內自由伸縮；粗調螺桿6通過螺紋與盤體1相連，粗調鎖緊螺母5安裝在粗調螺桿6上，并與盤體1外圓周緊貼實現鎖緊功能；調節彈簧粗調螺母8和調節彈簧鎖緊螺母7一起安裝在粗調螺桿6上，粗調螺母8可在粗調螺桿6上移動以改變調節彈簧9的初始狀態，粗調鎖緊螺母7與粗調螺母8緊貼實現鎖緊功能；調節彈簧9一端通過彈簧座28與測量頭底板10緊貼，另一端置于粗調螺母8上，通過調節彈簧9的伸縮實現對被測管道徑向尺寸的自適應調節。
測量頭由底板10、仿形輪12、仿形輪固定螺母13、仿形輪支架14、連接螺栓15、連接件16、回復導桿17、預緊調節螺母18、回復彈簧19、導座20、支撐架21、霍爾器件22、聚磁件23、勵磁線圈24、U型軟磁材料25、導座固定螺釘26、仿形輪支架固定螺栓29以及仿形輪支架固定螺母30組成。仿形輪12通過仿形輪固定螺母13安裝在仿形輪支架14上，仿形輪支架14與底板通過仿形輪支架固定螺栓29和仿形輪支架固定螺母30相連，測量過程中，由于回復彈簧9的作用使仿形輪12始終緊貼在被測管道11的內壁；帶螺紋的回復導桿17上安裝預緊調節螺母18，其頂端和連接件16通過螺紋連接，底端置于導座20中，回復導桿17可沿導座20運動，在預緊調節螺母18和導座20之間裝有回復彈簧19，回復機構的連接件16通過連接螺栓15與底板10固定，回復機構的導座20通過導座固定螺釘26固定在U型軟磁材料25上，U型軟磁材料25上繞有勵磁線圈24，支撐架21粘接在U型軟磁材料25中間，霍爾器件22粘接在兩個聚磁件23中間，并一起粘接在支撐架21的頂端。
本發明的油氣管道壁厚及缺陷檢測裝置的測量過程如下對已標定好的檢測裝置，調整每個測量頭對應的粗調螺桿6和粗調鎖緊螺母5，使檢測裝置適應被測管內徑變化；將整個裝置放入被測管道內準備檢測；測量開始后，通過微型計算機控制勵磁電源打開，每個測量頭勵磁線圈開始工作；接著通過微型計算機啟動信號采集系統，將每個測量頭部件的信號經調理后送入微型計算機；采集完后，通過微型計算機控制勵磁電源使其斷開，電磁鐵停止工作并回到初始狀態；啟動微型計算機控制系統使檢測裝置沿被測管道軸向運動固定距離以便檢測下一段管道。至此，完成一個檢測周期，重復以上各步可完成長距離管道檢測，最后由微型計算機處理相關數據，打印輸出結果。
圖3為基于電磁回路的漏磁法厚度測量原理圖，軟磁材料25、勵磁線圈24、支撐架21、霍爾集成器件22、聚磁件23和被測管壁的局部共同構成一個閉合磁回路。當勵磁線圈24上通一恒定電流時，在U型軟磁材料25中產生恒磁場，使其與被測管壁相吸合，該閉合磁場可使被測管壁的局部磁化至飽和或近飽和狀態，因此在被測管壁局部的磁感應強度大小幾乎恒定；由于磁回路的總磁動勢只與勵磁線圈匝數和電流大小有關，即磁回路的總磁動勢不變；故當被測管壁厚度發生變化時，穿過該管壁局部的磁通量發生變化，從而導致磁回路中的空氣漏磁大小也發生變化，即該漏磁大小與管壁厚度成對應關系，因此通過測量漏磁場中固定點的磁場大小即可確定對應一定的被測管壁厚度；由于漏磁大小變化微弱，采用聚磁件23可使漏磁場中局部面積的磁場聚合并均勻化，從而提高測量靈敏度。對于每一組測量頭的漏磁大小與管壁厚度之間的對應關系要通過標定試驗得到即在只改變管壁厚度的情況下，通過擬合找出漏磁大小與厚度之間的函數關系，并以此作為判定依據。
圖4為基于電磁回路的漏磁法缺陷檢測原理圖，其工作原理與厚度測量基本相同，只是當被測管壁有缺陷時，在缺陷處的磁力線會發生畸變，同時在磁回路中的空氣漏磁也發生變化，經聚磁件23的磁場聚合與均勻后得到被測管壁局部缺陷的相關信息。同樣，對于不同缺陷的識別是通過各種缺陷的標定實驗建立強大的數據庫來匹配完成。壁厚變化和缺陷都會引起霍爾器件輸出信號的變化，其判定方法是綜合被測管道的軸向檢測信息識別完成。
圖5為本發明整個系統的電控框圖。電控系統由微型計算機及其應用軟件、多路模擬放大電路、多路A/D轉換、數據處理、顯示打印裝置、恒流源、繼電器、可編程邏輯控制器PLC、環境溫度傳感器以及檢測系統牽引控制組成，采用恒流勵磁檢測與裝置軸向運動交替進行的微型計算機控制方式，在導磁管道內同時對管壁周向，分時對管壁軸向進行長距離在線檢測。其中多路模擬放大電路、A/D轉換、數據處理、顯示打印完成傳感器裝置的信號采集與處理工作；恒流源通過繼電器由PLC控制電磁鐵的勵磁過程，環境溫度傳感器通過PLC來補償因溫度變化引起的誤差。整個檢測過程的控制如下微型計算機系統通過控制PLC開啟繼電器，由恒流源給檢測系統的多個勵磁線圈供電；接著微型計算機系統開始數據采集，待采完后通知微型計算機來控制PLC使繼電器斷開；然后通過微型計算機控制檢測系統牽引部分使檢測裝置沿被測管道軸向運動固定距離，準備下個周期的檢測，重復以上各步即可完成整個管道的檢測。測量完成后，微型計算機按照有關要求顯示和打印全部測量結果并進行合格判定，全部數據以文件的形式進行存儲，在非測量階段提供網絡訪問服務。
權利要求
1.一種油氣管道壁厚及缺陷檢測系統，其特征在于包括一個傳感器固定裝置和32組可實現徑向粗調和彈簧自適應調整的周向陣列式測量頭部件，以及用于實現測量過程控制、信號采集和數據處理以及環境溫度補償的電控系統，傳感器固定裝置中，兩個盤體(1)和盤體連接件(3)通過螺栓(2)構成一個整體，球鉸(33)通過球鉸連接件(32)和連接螺栓(31)與盤體(1)的外側相連；32組測量頭部件分兩種不同跨距均布于傳感器固定裝置上，滑桿(4)頂端通過連接銷(27)與測量頭底板(10)連接，另一端穿過調整彈簧(9)和帶通孔的粗調螺桿(6)，并可在調整彈簧(9)和粗調螺桿(6)內自由伸縮；粗調螺桿(6)通過螺紋與盤體(1)相連，粗調鎖緊螺母(5)安裝在粗調螺桿(6)上，并與盤體(1)外圓周緊貼實現鎖緊功能，調節彈簧粗調螺母(8)和調節彈簧鎖緊螺母(7)一起安裝在粗調螺桿(6)上，粗調螺母(8)可在粗調螺桿(6)上移動以改變調節彈簧(9)的初始狀態，粗調鎖緊螺母(7)與粗調螺母(8)緊貼實現鎖緊功能；調節彈簧(9)一端通過彈簧座(28)與測量頭底板(10)緊貼，另一端置于粗調螺母(8)上，測量頭中，仿形輪(12)通過仿形輪固定螺母(13)安裝在仿形輪支架(14)上，仿形輪支架(14)與底板通過仿形輪支架固定螺栓(29)和仿形輪支架固定螺母(30)相連，帶螺紋的回復導桿(17)上安裝預緊調節螺母(18)，回復導桿(17)的頂端和連接件(16)通過螺紋連接，底端置于導座(20)中，預緊調節螺母(18)和導座(20)之間裝有回復彈簧(19)，回復機構的連接件(16)通過連接螺栓(15)與底板(10)固定，回復機構的導座(20)通過導座固定螺釘(26)固定在U型軟磁材料(25)上，U型軟磁材料(25)上繞有勵磁線圈(24)，支撐架(21)粘接在U型軟磁材料(25)中間，霍爾器件(22)粘接在兩個聚磁件(23)中間，并一起粘接在支撐架(21)的頂端。
2.如權利要求1的油氣管道壁厚及缺陷檢測系統，其特征在于所述的電控系統由微型計算機及其應用軟件、多路模擬放大電路、多路A/D轉換、數據處理、顯示打印裝置、恒流源、繼電器、可編程邏輯控制器PLC、環境溫度傳感器以及檢測系統牽引控制組成，采用恒流勵磁檢測與裝置軸向運動交替進行的微型計算機控制方式，在導磁管道內同時對管壁周向，分時對管壁軸向進行長距離在線檢測，其中，恒流源通過繼電器由PLC控制電磁鐵的勵磁過程，環境溫度傳感器通過PLC來補償因溫度變化引起的誤差，微型計算機系統通過控制PLC開啟繼電器，由恒流源給檢測系統的多個勵磁線圈供電，微型計算機系統數據采集后控制PLC使繼電器斷開，然后通過檢測系統牽引部分使檢測裝置沿被測管道軸向運動固定距離，準備下個周期的檢測，重復以上各步完成整個管道的檢測。
全文摘要
一種油氣管道壁厚及缺陷檢測系統，由傳感器固定裝置、32組可實現徑向粗調和彈簧自適應調整的周向陣列式測量頭部件以及實現過程控制、信號采集、數據處理和環境溫度補償的電控系統組成，對稱的傳感器固定裝置上按兩種跨距均布有徑向調整機構，該機構對應鉸接于帶仿形輪的測量頭底板。本發明采用程控恒流勵磁檢測與裝置軸向運動交替進行的微型計算機控制方式，在導磁管道內同時對管壁周向，分時對管壁軸向進行長距離在線檢測。程控恒流勵磁產生的電磁力使U型鐵芯吸附在管壁上，形成檢測所需的恒閉合磁路，相對于永磁勵磁，檢測過程與裝置軸向運動交替進行的實施方案減小了裝置在管道內軸向運動阻力和測量頭部件的磨損。
文檔編號G01N27/72GK1525140SQ03151039
公開日2004年9月1日 申請日期2003年9月18日 優先權日2003年9月18日
發明者顏國正, 左建勇, 丁國清, 張云偉, 付西光, 顏德田 申請人:上海交通大學