水下交流电磁场便携式智能检测仪_王强.pdf

电子质量2022年第12期（总第429期）水下交流电磁场便携式智能检测仪王强1，王伟斌1，杨冬平1，郭敏1，王运才2，马维平2（1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司，山东 东营257000；2.中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛266580）摘 要：首先，在交流电磁场检测（ACFM）技术的基础上，以水下金属结构裂纹类缺陷为主要研究对象，设计优化了水下ACFM探头模块和水下舱体模块；然后，对软件、电路、信号处理系统和相关的硬件进行了系统搭建，通过智能判定程序实现信号显示、提离抖动抑制和缺陷智能判定；最后，研发了一套水下ACFM便携式智能检测仪器。结果表明：该便携式检测仪器实现了以太网的数据传输，可以在50 m深的海水中正常工作，实现水下裂纹的智能报警和显示，提高了仪器的集成化水平与便携性，具有一定的工程实用价值。关键词：水下交流电磁场检测；缺陷检测；抖动抑制；智能判定；仪器研发中国分类号：TP 202文献标识码：A文章编号：1003-0107（2022）12-0082-09Portable Intelligent Detector for Underwater AlternatingCurrent Field MeasurementWANG Qiang1，WANG Weibin1，YANG Dongping1，GUO Min1，WANG Yuncai2，MA Weiping2（1.China Petroleum and Chemical Corporation Shengli Oilfield Branch，Dongying 257000，China；2.Center for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum（East China），Qingdao266580，China）Abstract：Firstly，based on the ACFM technology，taking the cracks of underwater metalstructure as the main research object，the underwater ACFM probe module and underwatercabin module are designed and optimized.Then，the software，circuit，signal processing sys-tem and related hardware are systematically built，and the signal display，lifting jitter suppres-sion and defect intelligent judgment are realized through the intelligent judgment program.Final-ly，a set of underwater ACFM portable intelligent detection instrument is developed.The resultsshow that the portable detection instrument realizes the data transmission of Ethernet，and it canwork normally in 50 m deep seawater，realizes the intelligent alarm and display of underwatercracks，and improves the integration level and portability of the instrument，so it has certainengineering application value.Keywords：underwater ACFM；defect detection；jitter suppression；intelligent judgment；instrument developmentCLC number：TP 202Document code：AArticle ID：1003-0107(2022)12-0082-09收稿日期：2022-09-18修回日期：2022-11-18作者简介：王强（1970），男，山东东营人，中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司高级工程师，从事安全工程方面的研究工作。82水下交流电磁场便携式智能检测仪王强，等0引言在海洋油气工程领域中，海洋平台和海底管道等水下结构长期服役于恶劣的海洋环境中，受到海洋环境的影响，比较容易出现腐蚀、疲劳和开裂等结构缺陷，因而会直接影响水下结构整体可靠性1-4。国内外现有的水下无损检测方式主要包括目视检测、超声检测和磁粉检测等，检测过程中需要去除表面涂层，同时缺陷判定对操作人员的专业知识要求高，仪器的智能性较差。交流电磁 场检测（ACFM：Alternating Current Field Measurement）技术是由交变电压降（ACPD：Alternating Current Po-tential Drop）发展而来，具有操作简单、无需清理表面涂层和非接触检测等优点。该技术的基本原理是：在电磁感应原理的作用下，在被检对象周围产生匀强磁场，当试件中有缺陷时，匀强磁场会发生畸变，检测探头采集电磁场畸变信息，就可实现缺陷检出的目的5-7。进行水下结构检测时，结构表面条件差、探头控制困难，检测过程中容易造成提离不稳定，从而影响缺陷判定的准确性，造成漏检误检；同时，迄今为止没有国内的研究机构或者公司对水下ACFM进行仪器的研发，水下检测系统的完整性和仪器的智能化水平非常有限。本文以水下金属结构的裂纹类缺陷为主要研究对象，引入提离高度变化下的特征信号，从而构建水下ACFM提离效应抑制算法；基于提离变化抑制算法，设计开发水下检测软件系统，实现提离高度变化下缺陷的报警和智能显示；最后，基于水下ACFM技术研发了一套水下便携式缺陷智能检测仪器。1交流电磁场检测技术模型及提离抖动仿真分析1.1理论模型的建立建立水下交流电磁场仿真模型需要考虑的水下环境因素主要是海水的电磁特性8，即磁导率、电导率和介电常数。根据先验研究可知5：海水运动（海浪、海流和内波）所产生的磁场大小非常小，强的（数米高）海洋浪涌产生的高频信号的强度在5 nT（峰-谷）左右；强度为10 m、周期为5.5 min的内波，在海平面100300 m的深度范围中，感应磁场的大小约为1 nT9。海水的电磁特性，即磁导率、电导率和介电常数如式（1）所示：=410-7H/m=3.32 S/m=r0=81.58.854 187 81710-12=721.616 10-12F/m（1）其中，由以上分析可知，海水的磁导率受海水运动的影响非常小，与地磁场大小（在2.510-56.510-5T之间）相比，其感应磁场完全可以忽略不计；同时，海水是非铁磁性物质，其相对磁导率接近于1，故与真空中的磁导率相同；对于典型的海水，当温度为10，含盐量为3时，其相对介电常数为81.5。根据以上参数模拟水下ACFM的过程，从而建立水下仿真模型，如图1所示。1.2提离变化下的仿真结果分析为了模拟提离变化条件下的信号特征，使用多边形模型建立提离变化点阵，定义提离高度的变化如图2所示，提离变化点阵在竖直方向上存在01.0、02.0、03.0、04.0 mm变化。a仿真模型水下探头裂纹待测工件水下环境30 mm5 mmb裂纹尺寸图1水下ACFM仿真模型及裂纹尺寸图2提离高度点阵变化图83电子质量2022年第12期（总第429期）不同提离变化下的Bx、Bz信号响应图如图3所示，阴 影 部 分 标 示 了 实 际 的 裂 纹 区 域，即x轴-15+15 mm范围，从图中可以看出：在Bx信号响应曲线中，Bx的最小值、背景值都发生了变化，无法作为抑制提离高度变化的特征量，但任意一条Bx曲线与陆上ACFM曲线展现出了相同的变化规律，因而定义Bx响应信号的背景值和最小值作为Bx信号的特征信号；在提离变化条件下，Bz响应信号的背景值变化相对较小，但其峰谷间距保持了对裂纹长度的有效响应，定义二者为Bz信号的特征信号。2水下便携式智能检测仪器系统硬件设计2.1水下检测系统整体设计水下ACFM系统硬件设计示意图如图4所示，主要包括水下探头模块、水下舱体模块和数据处理模块。舱体内部包括电源、稳压及电压转换模块、信号激励模块、信号处理模块和NET 2801信号采集模块，探头内部包括激励线圈、磁芯、传感器和信号预处理模块。探头与舱体之间依靠水下密封接头和线缆连接，舱体与数据处理模块之间依靠网线连接。舱体内部的激励模块产生一定幅值和频率的正弦信号加载至探头内部的激励线圈上，激励线圈aBx响应曲线3 2003 1003 0002 9002 8002 7002 6002 5002 4002 300H/(Am-1)提高高度1.0 mm提高高度2.0 mm提高高度3.0 mm提高高度4.0 mmx/mm-30-20-100102030b图3不同提离变化下的信号响应Bz响应曲线4003002001000-100-200-300-400H/(Am-1)提高高度1.0 mm提高高度2.0 mm提高高度3.0 mm提高高度4.0 mmx/mm-30-20-100102030图4水下交流电磁场检测系统硬件设计水面工作台数据处理模块以太网线信号传输线探头激励线圈磁芯壳体传感器舱体外壳密封接头2801激励模块稳压模块激励模块锂电池84水下交流电磁场便携式智能检测仪王强，等在工件表面感应出均匀电流场，电流场经过缺陷区域产生畸变，畸变电流场引起空间磁场畸变，探头内部传感器拾取畸变磁场数值并传输至舱体内部的信号处理模块进行信号调理（放大和滤波），调理完成后的信号经过信号采集传输模块并由以太网线传输至数据处理模块。2.2水下舱体结构设计水下舱体结构模块及实物图如图5所示。其中，舱体主要由舱体、端盖、密封圈和内部各个模块等组成。舱体密封结构设计如图6所示。上部端盖上部带有支撑架，便于设备的携带以及对舱体设备的保护；舱体上端的端口图如图6a所示，包括水密连接器、以太网连接器、充电口和起压口，分别用于舱体和探头通信、舱体和数据处理模块通信、充电以及平衡舱体内外压力；同时，上端盖与舱体中间支撑架之间采用L型钣金件连接，可以将端盖及舱体中的模块一同拉出，有利于对各个模块进行更换；密封设计如图6b所示，舱体和上下端盖之间采用螺纹连接，并且在端盖中设计了密封圈开槽，使用密封圈对舱体进行密封，防水等级为IP 68，理论上可以达到100 m水深12 h测试，承压能力超过1 MPa。本设计的ACFM设 计水深为50 m，根据不同的温度、盐度和压力（或深度），由于海水密度在1.021.07之间，可以得到海水对应的最大压强为：P=gh=1.071039.850=0.524 3 MPa（2）舱体整体处于水下环境中，会受到海水的腐蚀作用、海水运动冲击作用和海生物侵蚀等的影响，为了保证舱体的耐腐蚀性和结构强度，设计上选用不锈钢材料对舱体进行设计，理论上通过薄壁圆筒理想模型进行强度校核计算。通过计算分析可知，当最小壁厚度为4 mm时，水下舱体模块完全符合水下承压设计的要求。2.3探头结构设计水下探头结构示意图和实物图如图7所示。水下探头是水下ACFM磁场信号的输出模块，其包括U型磁芯、激励线圈、三轴TMR传感器、信号预处理模块（磁场信号放大以及滤波）、水密封连接器、密封圈、探头壳及其盖板。探头壳和盖板之间采用20颗螺栓进行连接，盖板和探头壳之间存在密封圈开槽，通过装夹密封圈保证探头的防水性能，通过盖板对U型磁芯进行固定，以保证激励探头在工件表面产生均匀稳定的电流。U型探头磁芯材料为锰锌铁氧体，其相对磁导率r12 000，温度系数小，可以增强激励磁场的强度同时适应温度的变化10，采用0.15 mm的铜丝在磁芯表面进行缠绕形成矩形激励线圈对磁场进行b实物图图5水下舱体结构模块及实物图a结构模块信号发生器端盖稳压模块舱体电源模块电压转换模块a端盖设计水密连接器充电口以太网连接器起压口b密封设计图6舱体密封结构设计密封圈密封圈85电子质量2022年第12期（总第429期）激励，经过数值仿真可以得出：矩形线圈激励下的感应电场相对于传统无损检测使用的激励线圈，而言其在导体工件中的衰减率较小，由此可以得到更高的检测灵敏度11。3水下便携式智能检测仪器系统软件设计3.1上位机LabVIEW软件设计框架本设计使用LabVIEW对水下检测系统进行设计，通过参数设置和信号调试模块，设置上位机软件所需设置的各个参数，并且建立与NET2801的有效通信；信号分析及数据存储模块用于实现信号强度图以及Bx、By、Bz和激励信号的分析、存储。采用LabVIEW的面向对象的编程方式对以太网传输软件进行编程。通过安装NET 2801以太网驱动，生成设备函数可执行代码的动态链接库，当使用设备的某项功能时，通过函数创建句柄从而驱动设备的该项功能，水下ACFM AD采集设计流程图如图8所示。水下ACFM系统的参数设置及信号调试模块如图9所示。以上的参数设置，为实现水下检测设备的以太网通信、AD采集和数据存储奠定了基础。b实物图图7水下探头结构示意图及实物图a结构示意图激励线圈盖板探头壳U型磁芯三轴TMR传感器信号预处理模块水密封连接器图9水下ACFM上位机LabVIEW程序开始创建设备对象初始化和启动ADInitDeviceAD（）读取AD数据ReadDeviceAD对采集到的数据进行处理需要继续读取AD数据以实现连续采集吗是否释放和停止AD设备ReleaseDeviceAD释放设备对象结束图8水下交流电磁场检测AD采集设计流程图86水下交流电磁场便携式智能检测仪王强，等3.2提离抖动抑制算法由仿真可知，当提离高度变化时，Bx信号的背景磁场变化较大，Bz信号的背景磁场相对变化小，而且Bz的特征信号依然存在。提离抖动抑制算法以Bz信号为基础，通过对Bz信号进行微分运算和设定合理的阈值，抑制抖动信号对缺陷判定的影响。强度图显示及微分运算的LabVIEW子模块程序如图10所示。定义X是时间从0（n-1）的采样信号，n为采样个数；定义Y为dX/dt的采样输出序列。理论上，函数F（t）的微分f（t）定义为：f（t）=ddtF（t）（3）式（3）中：dt采样间隔，设置固定值为1。采用二阶中心的方法，通过下列等式可以求得Y：Y=1/2dt（Xi+1-Xi-1）（4）传统ACFM的Bz信号为一个波峰信号和一个波谷信号，对其进行微分运算后，会在微分信号图中形成一个尖峰值，当畸变信号的幅值小于特征信号的尖峰值时，可以通过一定的阈值设定对提离高度产生的畸变信号进行抑制。通过对标准试样缺陷进行标定，可以设定不同长度和深度缺陷的阈值，一次典型提离高度变化下的信号强度图和报警显示如图11所示。通过设定阈值，在强度图中有效地检出了裂纹的存在；同时对特征数组进行标定，通过报警程序实现了裂纹的智能报警。3.3不同提离高度下的抖动消除为了探究水下ACFM系统在不同提离高度下对抖动信号的抑制能力，对长度为30 mm、深度为2 mm、宽度为0.8 mm的矩形裂纹进行抖动检测。检测时，分别在距离表面18 mm的高度下对该裂纹进行检测，利用三轴台架在z方向上的变动模拟提离高度和抖动的变化，抖动幅度为2 mm。18 mm高度下的Bx和Bz检测信号如图12所示。定义Bx的磁场背景值与Bx信号最小值的差值与磁场背景值的比值为Bx信号的灵敏度，即=Bx0-BxminBx0=Bx/Bx012，图中分别标示了抖动信号区域和裂纹特征信号区域。图10强度图显示及微分算法程序算法图11强度图显示及智能报警程序05001 000缺陷阈值543210时间频率-900-00102030405060708090100110b图12不同提离高度变化下的Bx和Bz检测信号a3 0002 9002 8002 7002 6002 5002 4002 3001 mm2 mm3 mm4 mm5 mm6 mm7 mm8 mm抖动信号电压信号特征信号01 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0001 mm2 mm3 mm4 mm5 mm6 mm7 mm8 mm280260240220200180160140120抖动信号特征信号01 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0008 mm1 mm2 mm3 mm4 mm5 mm6 mm7 mm8 mm1 mm2 mm3 mm4 mm5 mm6 mm7 mm87电子质量2022年第12期（总第429期）由图12可知，随着探头提离高度的增加，Bx信号的背景磁场逐渐降低，两者之间成线性变化关系；Bz特征信号与畸变信号随着提离高度的增加而保持稳定，这与仿真信号相互吻合，同时Bz信号的背景磁场变化较小，但对抖动的响应较大。当探头抖动时，在Bx信号中产生了一个剧烈变化低谷信号，同时在Bz中对应产生了一个变化的波峰信号，分别对比Bz信号中抖动信号强度与其特征信号强度，结果如表1所示。不同提离高度对应的微分信号图如图13所示。由图13可知，当提离高度逐渐增加时，抖动信号的幅值变得越来越大，而特征信号的幅值基本保持不变，当抖动信号的幅值变化超过特征信号的幅值变化时，则无法利用微分算法对两种信号进行区分。对比表1中的Bz抖动信号与Bz特征信号，当提离高度从18 mm变化时，两者的幅值都呈现逐渐减小的趋势。当后者幅值大于前者幅值时（即提离高度小于等于6 mm时），可以实现抖动信号与特征信号的区分，因而可以实现该提离高度下对抖动的抑制；反之，无法对两种畸信号进行区分。由以上实验可知，水下ACFM系统可以对提离高度小于等于6 mm的抖动进行抑制，并能有效地提取出裂纹的特征信号，实现对裂纹的有效检出。4水下便携式智能检测仪器的测试水下ACFM系统图如图14所示，该系统主要包括测试水箱、水下探头模块、被测工件、水下舱体模块、网线和数据处理模块，其中为了保证网线对海水侵蚀的抵抗作用，对50 m网线进行橡胶软管包覆，确保水下舱体与数据处理模块的数据交换。为了检验50 m水深条件下水下探头和水下舱体模块的安全性和密封性能，与成都欧迅科技股份有提离高度/mmBx抖动信号Bx特征信号Bz抖动信号Bz特征信号1104.7731.3717.21663.370281.7226.1913.55150.5503180.0518.7831.69040.1904179.6417.5632.83034.4605143.2413.5624.19028.143684.4712.3417.01219.620795.068.8720.50216.240865.299.4714.08013.623表1抖动信号特征信号对比d 7 mm图13不同提离高度下的微分信号图a 1 mmb 3 mmc 5 mm1 0008006004002000-100抖动信号特征信号01020304050607080901009008006004002000-100抖动信号特征信号0204060801001201401609008006004002000-100抖动信号特征信号0204060801001201401608004000-200抖动信号特征信号020406080100120图14水下ACFM系统被测工件水下舱体网线水下探头测试水箱数据处理模块88水下交流电磁场便携式智能检测仪王强，等限公司合作，将水下探头、网线等在水下压力模拟实验罐中进行了压力测试。测试的条件为：水压为0.5 MPa，测试时间为60 min，保持静态压力，网线与外部计算机保持实时通讯。经过测试和检验，水下探头和水下舱体模块未发现有任何损坏或者进水，通过网线连接的上位机数据处理模块未发现任何通讯异常。通过压力测试可知，水下ACFM系统的探头密封、舱体密封和网线承压能力都符合50 m水深的设计要求。使用嵌入式ACFM系统，对裂纹长度为30 mm、宽度为0.8 mm、深度为2 mm的裂纹进行检测，检测完成后将SD卡中的数据输入MATLAB中进行分组和对齐操作得到检测信号，其Bx和Bz响应如图15所示。为了测试水下探头及相应软件、硬件性能实现水下ACFM裂纹智能检测报警，对宽度1 mm以下的裂纹进行检测，分别对深度为1、2、3 mm的裂纹缺陷进行检测。同一碳钢试件上的3个裂纹如图16所示，裂纹的具体尺寸如表2所示。a Bx2 3602 3402 3202 3002 2802 2605060708090100110120采样点Bx信号b Bz图15基于嵌入式系统的裂纹检测信号5060708090100110120采样点Bz信号7 3507 3007 2507 2007 1507 1007 050图16被测试件裂纹及三轴扫描台架裂纹1裂纹2裂纹3图17微分信号和强度图显示600500400300200100-0-1000255075 100125 150 175200 225250 275 300特征信号543210-300-00255075100 125150 175200 225250 275 30070060050040030020010004005010015020025030标定储存命名数据储存检出裂纹！05001 00089电子质量2022年第12期（总第429期）3个裂纹的微分信号和强度图显示如图17所示。在微分信号中存在3个尖峰值，分别对应试件的3个裂纹，同时通过强度图对特征信号进行显示，可以在强度图中观察出明显的3个缺陷。通过标准裂纹对系统进行标定，设定缺陷的阈值，当特征信号的幅值超过经过标定的缺陷阈值信号时，检测系统会对缺陷进行报警，输出“检出裂纹！”信息，通过软件的“数据存储”按钮可以对所有信号进行一键存储。实验结果表明：水下ACFM系统可以检出裂纹宽度为0.08 mm、深度为1 mm的裂纹，具有较高的检测灵敏度。5结束语通过上述分析，得到了以下几点结论：1）利用U型磁芯可以在水下环境的工件表面产生均匀的电流，并且海水电导率对电磁场信号几乎没有影响；2）研发了一套水下缺陷便携式智能检测仪器，基于LabVIEW设计了嵌入式水下检测系统，实现了以太网传输和数据存储自程序，并且该仪器可以在50 m深的海水中正常工作，提高了仪器的集成化水平与便携性；3）所编写的提离抖动抑制算法对提离高度小于等于6 mm的抖动抑制效果显著，并能有效地提取出裂纹的特征信号，实现对裂纹的有效检出，通过强度图实现裂纹的智能报警和显示，提高了水下检测的智能化水平。参考文献：1袁新安.水下结构物缺陷ACFM智能识别方法与系统研究D.青岛：中国石油大学（华东），2022.2 RATNAYAKE R M C.Challenges in inspection planning formaintenance of static mechanical equipment on ageing oiland gas production plants：the state of the art C/ASME2012 31st International Conference on Ocean，Offshore andArctic Engineering.American Society of Mechanical Engi-neers，2012：91-103.3 FRANCIS G.Risk-based structural integrity management foroffshore jacket platforms J.Marine Structures，2019（63）：444-461.4 SAMMARCO P W，KOLIAN S R，WARBY R A F，et al.Distribution and concentrations of petroleum hydrocarbonsassociated with the BP/deepwater horizon oil spill，gulf ofmexico J.Marine Pollution Bulletin，2013，73（1）：129-143.5 DOVER W D，COLLINS R，MICHAEL D H，et al.Theuse of AC-field measurements to crack detection and sizingin air and underwater J.Philosophical Transactions for theRoyal Society of London.Series A，Mathematical and Physi-cal Sciences，1986：271-283.6 DOVER 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