基于电磁耦合传感的小口径管道缺陷检测系统研发.pdf

引用格式：引用格式：汝改革,曾熠,高斌,等.基于电磁耦合传感的小口径管道缺陷检测系统研发J.中国测试，2024,50(1):88-99.RUGaige,ZENGYi,GAOBin,etal.Developmentofsmall-diameterpipelinedefectdetectionsystembasedonelectromagneticcouplingsensingJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(1):88-99.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2023040065基于电磁耦合传感的小口径管道缺陷检测系统研发汝改革1,2，曾熠3，高斌1，孙鹏4，王超4，吴昊4(1.电子科技大学自动化工程学院，四川成都611731;2.德国萨尔大学无损检测和质量保证研究所，德国萨尔布吕肯66125;3.中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆408014;4.四川德源管道科技股份有限公司，四川成都610041)摘要:石油和天然气管道在全球能源基础设施中发挥着至关重要的作用，管道在线内检测(ILI)技术是检测和评估管道完整性的重要工具，然而，它面临着诸多检测挑战，如不同类型缺陷的检出局限。该文提出一种基于电磁感应和永磁体复合磁化机理的新型 ILI 传感内检测系统。首先，提出一种可产生轴向漏磁场和周向均匀交流磁场的新型磁环结构(MRS)；其次，通过添加永磁体磁化结构，优化励磁结构配置，增强管壁穿透能力和磁通强度；同时，在保证内检测器在小口径管道内安全通过下，克服单一技术限制，提高对浅表层缺陷和较深埋深缺陷的检测能力。为评估所提出的 MRS 系统的可行性，开展了管道牵拉测试，RMS 与永磁铁励磁结构的最优配置，实现对深度 0.81mm 表面浅缺陷和埋深 4.1mm 的亚表面缺陷检出；最终，通过有限元仿真和实验以及牵拉测试有效验证了所提方法的检测能力。关键词:ILI 技术;MRS 系统;电磁耦合传感;穿透能力;管道通过能力中图分类号:TH878;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)01008812Development of small-diameter pipeline defect detection system based onelectromagnetic coupling sensingRUGaige1,2,ZENGYi3,GAOBin1,SUNPeng4,WANGChao4,WUHao4(1.SchoolofAutomationEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China;2.InstituteofNondestructiveTestingandQualityAssurance,SaarlandUniversity,Saarland66125,Germany;3.SinopecChongqingFulingShaleGasExplorationandDevelopmentCo.,Ltd.,Chongqing408014,China;4.SichuanDeyuanPipelineTechnologyCo.,Ltd.,Chengdu610041,China)Abstract:Oilandgaspipelinesplayavitalroleintheglobalenergyinfrastructure,andpipelineaccidentsmayhaveseriousimpactsontheenvironment,humanhealth,andtheeconomy.In-lineinspection(ILI)technologyisanimportanttoolforevaluatingandanalyzingpipelineintegrity,however,itconfrontssignificantobstaclessuchastheinabilitytoidentifyvarioustypesofflaws.Inthispaper,anovelILIsensingsystembasedonthemechanismofelectromagneticinductionandmagnetizationisproposed.Firstly,anewmagneticringstructure(MRS)thatcangenerateaxialmagneticfluxleakageandcircumferentialuniformACmagneticfieldwasdeveloped;secondly,thepipewallpenetrationabilityandmagneticfluxwereimprovedbyaddingapermanent收稿日期:2023-04-18；收到修改稿日期:2023-05-28基金项目:国家自然科学基金（61971093，61527803，61960206010）作者简介:汝改革（1992-），男，安徽亳州市人，博士研究生，研究方向为电磁无损检测、智能传感器设计。通信作者:高斌（1983-），男，四川成都市人，教授，研究方向为电磁无损检测、红外无损检测、视觉检测。第50卷第1期中国测试Vol.50No.12024年1月CHINAMEASUREMENT&TESTJanuary,2024magnetmagnetizationstructureandoptimizingtheconfigurationoftheexcitationstructure.Itovercomesthedetection performance constraint of a single detection technology and increases the detection capacity ofshallowsurfacedefectsanddeeperburiedflawswhileassuringtheILIinthehighlift-off.Areal-pipepullingtestwasperformedtoassessthefeasibilityoftheproposedMRS.Finally,thesuggestedmethodsdetectionandpenetrationabilitiesareeffectivelyvalidatedusingfiniteelementmodeling,experiment,andpullingtest.Keywords:ILItechnology;MRSsystem;electromagneticcouplingsensing;penetrability;pipetrafficability0 引言维护和评估管道完整性对确保人类安全和经济稳定至关重要。通过管道机器人诊断管道损伤情况，并利用流动的介质推动内检测器运行。当前，ILI无损检测技术主要包括漏磁(MFL)、磁粉检测(MPI)、超声波检测(UI)以及涡流检测(ECT)1等。MFL 技术利用励磁结构在管壁上产生磁通量，管壁磁饱和状态下，由于磁场的磁压缩和磁折射效应，管壁的不连续处易产生漏磁。缺点包括探伤敏感方向单向，同时在管壁上会形成剩磁，难适用于小管径管道检测2。MPI 技术的检测机理类似于MFL，但通常用于管壁的外部检测。由于需要在管壁上施加磁粉，检测效率有限3。利用 UI 技术将超声波信号发射到管壁上，通过计算回波时间来定位和评估管壁的异常情况。缺点是对耦合剂的依赖性高，检测效率低4。ECT 技术利用电磁感应原理在管壁上产生感应电磁场。接收线圈用于采集管壁异常区域产生扰动磁场的阻抗信息5。局限性在于不能识别亚表面缺陷，但可用于小口径管道检测。ILI 技术需要具备检测和评估各种缺陷类型的检测能力，并对不同管径管道检测具有较好的适应能力，这是目前的挑战。Yang 等6在小口径管道检测研究中提出了一种用于获取小口径管道缺陷轴向和圆周方向多信息的新型探头，但对亚表面缺陷检出受限。张少春等7提出一种非接触式磁力检测技术能够有效识别山地小口径管道的应力集中位置并分析其损伤等级，提高了管道的检测效率，验证了非接触式磁力检测方法的可行性。Cheng 等8表明，频率范围为 100Hz1MHz的低频 ECT 方法也可用于识别导电性较低的复合材料。孙宇等9提出通过外加直流磁化场，利用饱和低频涡流技术(SLFEC)将被测工件磁化至饱和状态，可降低被检测材料相对磁导率增强其渗透能力，提高检测深度，但功耗较大。Wu 等10开发了一种基于直流偏置磁化的ECT 方法，通过增加被测试件异常区域和正常区域之间的温差来改进亚表面缺陷识别能力。吴德会等11提出了漏磁和涡流的融合技术，利用复合激励的 MFL 检测新方法，可实现对轴向和周向缺陷的同步检测。除小口径管道通过性和穿透深度的限制外，检测多类型缺陷也是一个关键问题。多项研究提出了利用多传感器融合方法对各种类型缺陷检测。杨理践等12提出基于平衡电磁技术的管道多类型缺陷检测方法，能够对不同角度缺陷均可检出。Sampath等13提出了一种利用集成技术 ILI 在天然气管道中进行故障识别和定位的新方法，该技术包括光学传感器和双芯片传感器阵列来识别管道缺陷的信息，但多类型缺陷识别能力有限。针对小口径管道通过性、缺陷类型多、功耗等问题，本文提出了一种基于单个励磁的新型 MRS配置，在低频励磁结构下可同时在管壁产生漏磁通量和均匀的涡流场。此外，当 MRS 与永磁体耦合励磁时，在不额外增加功耗的情况下提高了对管壁的穿透能力，对更深的亚表面缺陷有较好的检测能力，同时提高了对表面浅缺陷的检测灵敏度。这些优势也适用于各种类型缺陷的识别。仿真和实验以及实际牵拉测试验证了所提的传感器配置的检测优势。1 检测方法1.1 基于物理端电磁融合机理的管道检测系统小口径管道检测面临着传感器检测能力限制、能耗和通过性等挑战。本文提出一种基于电磁耦合机理的内检测系统，如图 1(a)所示。探头激励部分由线圈、磁轭和永磁体组成，如图 1(b)所示。为了解决通道间相互干扰的问题，利用 ADC模块将磁传感器输出的模拟信号转换为数字信号。同时，FPGA控制信号的产生和数据的存储。电池单元用于支持内部探测器的能源供应。支撑系统用于平衡检测器，保证各检测单元与管壁的距离一致，确保检测结果一致性。所提出的传感结构可同时在管壁上产生均第50卷第1期汝改革，等：基于电磁耦合传感的小口径管道缺陷检测系统研发89匀交变电流场和漏磁场。单个激励结构同时实现两种物理效应，提高了对不同类型缺陷的检测和判别能力。通过对单个电磁耦合传感单元进行分析，通过结合永磁体和激励线圈的合理配置，实现轴向磁化场合周向交变电磁场检测产生了两种物理效应，在物理端融合电磁耦合技术。具体检测机理如图 2 所示。均匀涡流场轴向磁化场周向均匀交流场S SNSN N磁轭激励线圈外部缺陷极靴极靴永磁体永磁体+通入正弦波的激励线圈通入正弦波的激励线圈漏磁场信息交变电磁场信息轴向磁场101201101009080mm8201001020404886420图 2 电磁耦合技术检测机理1.2 提出的电磁感应配置的磁路模型考虑到电磁结构叠加永磁体机理分析的复杂性，为了定性分析缺陷区域对电磁和漏磁信息的影响，提出了基于多励磁结构的磁路模型。试件的电导率一般比空气高 105106倍，所以，电导率不易受外加磁场影响。但是，由于铁磁性材料的磁导率具有非线性特性，外部磁场会导致磁导率发生变化。一般情况下，碳钢管材料的磁导率比空气高 102倍，由于管壁磁通聚集大量磁通，部分磁通量会泄漏到空气中。此外，磁路中不仅包含感应磁通量，还包含磁铁产生的直流磁通量。具体磁路模型如图 3 所示。F0F1F1F0F1是指低频励磁线圈产生的磁势，会在缺陷处产生漏磁通和感应磁通。为永磁体产生的磁势，默认为常数，和磁势方向相同，由于线圈是基于一定偏置下的交变激励驱动，保证输出的磁场处于正向的变化。特点是增加了磁通，补偿由于增加钢刷而导致管壁衰减的磁通量。电路的磁通量使用公式(1)计算。=FR(1)Ry式中：磁轭磁阻；Rm永磁体磁阻；Rn被测试件无缺陷区域的磁阻；Rb钢刷磁阻，一般默认为常数，对应于探头提离值，由式(2)计算得出。Rb=lliftoffbSb(2)b式中：钢刷磁导率；Sb钢刷截面积；lliftoff(定义为提离)钢刷的长度。RdRmflRdisRcF0F1表示试件缺陷区域的磁阻，其值因缺陷类型和尺寸而异。指的是漏磁磁阻，主要受磁化强度的影响。是由缺陷引起的电磁流向畸变所引起的磁阻变化，垂直于缺陷时扰动最大，磁阻会增大。反之，磁阻较小。表示试件中的压缩磁阻，主要受和影响。缺陷区磁阻可用式(4)表示。1Rd=1Rc+1Rdis+1Rmfl(3)Rd=RcRdisRmflRcRdis+RdisRmfl+RcRmfl(4)Fec其中为缺陷引起的电磁场扰动势，为二次感应电电磁耦合传感系统电池和支撑系统ADC 模块硬件系统数据传输口(a)管内机器人系统(b)电磁耦合模块NS管道高磁导率材料永磁体励磁线圈TMR 传感器BmBc缺陷图 1 4 寸管内检测系统结构图RbRyRbRnRcRdisRmflF0RmRmFecF1F1图 3 复合磁场的简化磁路模型90中国测试2024年1月F0RyRmRn磁场，属于反磁力，与方向相反。和和默认为常量。=BS=F0+2F1FecRy+2Rm+2Rb+Rn+Rd(5)lliftoffRbS根据公式(5)，的增加将导致增加。当截面积 保持不变时，减小，导致探头的检测能力下降。1.3 半磁化状态下缺陷的漏磁及电磁模型半磁化状态和电磁渗透技术的研究是进一步分析所提结构产生最佳漏磁和交变电磁场强度的基础。其中，影响检测效果的重要因素主要是磁化能力和穿透深度，过饱和磁化和弱磁化一般难以满足检测需求。B=0(H+M)=0(H+xH)=(0+x0)H=1H(6)max12B1B2Bsat如图 4 所示，为被测试件磁导率的最大值。和分别是缺陷区域和非缺陷区域的磁导率。和分别是缺陷和非缺陷的磁通量。为试样饱和磁化状态下的初始磁通量。HBmaxBsat弱磁化阶段饱和磁化阶段B112B2A/mT伪交叉点半饱和磁化阶段图 4 B-H 曲线分布Hmax1Rd2当外加磁场超过对应的磁场值时，试件感应区进入半饱和磁化状态。在此阶段，磁导率和磁化强度均迅速变化。适用于设置检测能力对应的最佳外磁场设置范围。通过分析发现，斜率最大处可设为伪交叉点，可以作为判断最佳半磁化状态的标准。因此，如果无缺陷区磁导率为。试件有缺陷的情况下，由于磁阻增加，磁通量增加。磁导率下降到，磁通密度增加，促使更多的磁信息泄漏到空气中，从而提高了传感系统的检测能力。基于半饱和磁化的最佳配置状态，考虑到小口径管道空间的限制，可以通过增加钢刷来提高通过性，但会降低磁场的导磁能力，不易检测更深的亚表面缺陷。如图 5 所示，传统的提高磁导率的方法12是基于式(7)，当激励频率过低状态下，会需要更多的能量会降低内检测系统运行时长。由于试件电导率无法改变，因此，通过添加永磁体补偿试件磁化强度降低的损失，以伪交叉点为参考点，确定合适的磁场强度，将原标准深度换算成新的深度。=1f(7)标准渗透深度(表面电磁波密度的 1/e)涡流密度分布渗透深度低频作用低频+永磁体21图 5 电磁波渗透机理dp(x,y)dHd磁路模型清楚地表达了缺陷区域的不同磁通分量。提出了磁偶极子模型来分析缺陷处的 mfl 信息。当磁化方向垂直于缺陷时，根据磁耦合极模型，假设缺陷长度无限大，磁荷在缺陷壁两侧均匀分布，线性磁荷密度为。两壁上的磁荷极性相反，磁荷壁可分为无数片，每部分长度为，因此，根据式(8)。点处的磁密度由一对磁荷产生。dH=d2r2(8)p(x,y)HxHz此外，通过对缺陷壁的磁荷进行积分，将处的积分磁荷叠加后，磁场和之和分别如式(9)和式(10)所示。Hx,mfl=wh0dH1,x+wh0dH1,x=2tan1d(x+w)(x+w)2+y(x+d)tan1d(xw)(xw)2+y(x+d)(9)Hz,mfl=wh0dH1,z+wh0dH1,z=2ln(x+w)2+(y+d)2(x+w)2+y2ln(xw)2+(y+d)2(xw)2+y2(10)d wHz=1当出现裂纹时，。可以简单描述为式(11)，特别是不考虑磁场对试件影响时，只考虑磁场分布如式(12)所示。Hz,mfl=ln(xw)2+y2(x+w)2+y2(11)第50卷第1期汝改革，等：基于电磁耦合传感的小口径管道缺陷检测系统研发91=2.56(dw+1)2(dw+1)Ha(12)Ha其中表示试件的内部磁场强度，不考虑磁场密度对材料性能的影响。dxII=FecRdis同时，当缺陷与磁化方向平行时，交流电磁场发挥作用，涡流流动方向被缺陷阻碍，由于交变磁场集肤效应，涡流聚集在试件表面，部分涡流沿缺陷底部或旁路绕行。根据 Biot-Savart 定律，表面涡流被看作是几条宽度为的电流线，可以看作是一条承载电流 的长直线，。如式(13)所示。Bx,dis=z0Idx2ml(13)lx式中：从测试点 开始的涡流高度；m涡流覆盖区域的宽度。IdrrBz同时，由于涡流绕缺陷两端流动，在缺陷两侧产生涡流弯曲弧度。若微涡流的弧度为，半径为，则在空间中任一点，均服从电磁场叠加定律。产生的磁密度为：Bz,dis=z0Idx4(r2+l2)(14)因此，结合式（9）、（10）、（13）和（14），空间中任一点的电磁场矢量的叠加和为：Bx=Bmfl,xBdis,x=1Hmfl,xBdis,x(15)Bz=Bmfl,zBdis,z=1Hmfl,zBdis,z(16)2 仿真与分析利用有限元技术(FEM)计算多物理场的电磁分布，将验证所提方法的可检测性和可靠性。仿真分析采用 ComsolMultiphysics5.6 软件开展。由于 MRS 和管道模型的复杂性，只选择 MRS 的一个单元进行试验，考虑到结构的对称性，必须简化模型优化计算时间，采用2D 仿真可达到所提s 仿真要求。该模型的基本组成部分是磁轭、励磁线圈和永磁体。表 1 和表 2 列出了相关的几何参数和物理特性。在仿真中，应同时建立磁场和磁场无电流耦合场，将稳态和频域耦合分析电磁场分布。励磁线圈频率设置 100Hz，电流为 0.5A，线圈匝数为 520 匝。表 1 仿真模型中的物理特性参数物理特性励磁线圈磁轭管道空气永磁体电导率/(Sm-1)610710125.510616105相对磁导率1800019011.02图 6 为所提传感结构仿真模型，模型尺寸单位为 mm，其中包含被测试件的内外表面缺陷。图 7表示了涡流场分布。涡流场主要集中在试件的近表面区域，同时是均匀的，磁场很难穿透到亚表面缺陷#1。因此，需要研究由永磁体和 MRS 配置来提高被测试件上的磁场分布，以捕获缺陷处的漏磁和电磁扰动信息。3010505101520253020管道亚表面缺陷激励线圈磁轭NS10010203040尺寸/mm尺寸/mm图 6 所提探头的仿真模型15402002040001234567899.1610610610505101520253035缺陷/mm缺陷/mmMov(434)=33.5 freq(1)=100 Hz Eddy current density图 7 涡流密度分布在管壁区域2.1 电磁耦合穿透机理分析图 8 描绘了具有不同传感配置的磁通量分布，其中磁通密度单位为 A/m。通过比较亚表面缺陷#1 和#2，注意到只有 MRS 配置并且埋深缺陷深度较小时，更多的磁通量和扰动场聚集在试件的表层。扰动场与主磁场方向相反，这与方法部分分析是一致的。当 MRS 和永磁体组合配置时，一方面，它可以满足更深穿透能力的要求；另一方面，它增加了表 2 管道几何参数及缺陷几何参数宽度/mm深度/mmX80管道5006亚表面缺陷#142亚表面缺陷#243表面缺陷#14192中国测试2024年1月缺陷处扰动电磁场的强度，提高了缺陷检测能力和灵敏度。2.2 缺陷类型的缺陷结果在仿真测试中。图 9 表明，当仅采用 MRS 配置时，它对表面缺陷#1 高度敏感，但难以识别亚表面缺陷。仅永磁体激励时，它具有较好的亚表面缺陷检测能力，但检测表面深度较浅缺陷灵敏度有限。容易发现，所提出的MRS和磁体配置对表面和亚表面缺陷具有良好的灵敏度，从而大大提高了可检测性。0100200300400430距离/mm0.180.160.140.120.100.080.060.040.02磁场强度/TMRS永磁体MRS 与永磁体同时作用亚表面缺陷#1亚表面缺陷#2表面缺陷#1(a)不同探头结构配置下检测结果(b)不同结构配置下缺陷磁通变化量亚表面缺陷#1亚表面缺陷#2表面缺陷#1缺陷类型00.0020.0040.0060.0080.012磁场强度峰谷差/TMRS永磁体MRS 与永磁体同时作用0.010图 9 仿真结果3 实验设置和验证基于物理结构耦合实现在物理端的电磁和磁技术融合，能够对亚表面和表面缺陷中不同类型缺陷的有效检出14。本文提出了一种新型的传感结构并开展实验室环境测试。检测机理获得改进，并引入了新的磁化配置。应用于实际管道测试，对牵拉试验和研究进行了详细分析。为了验证所提出探头的检测能力，利用所提探头单元开展实验测试，具体实验装置和结果分别如图 10 和表 3 所示。图 10(a)为六自由度机械臂控制探头扫描管道。扫描速度为 20mm/s。扫描距离为 600mm。图 10（b）为管内清洁状态下实验状态，图 10(c)为管内表面涂有磁悬浮液等油污时的实验状态。实验分为探头对管道不同类型缺陷的检测能力和灵敏度对比研究。(a)6 自由度机械臂电磁探头abcd(b)abcd(c)图 10 管道检测系统图表 3 管道缺陷参数缺陷类型轴向缺陷(a)方型缺陷(b)亚表面周向缺陷(c)周向缺陷(d)尺寸/(mmmmmm)7623.71.8761.624528363从图 11 可以看出，所提探头可检测圆周缺陷、轴向缺陷、圆形小缺陷和亚表面缺陷等不同类型缺陷。为了进一步验证所提出探头对复杂环境的适应性，大量磁悬浮液涂在管道表面，模拟实际管道中亚表面缺陷#1亚表面缺陷#2MRS永磁体MRS+永磁体组合10130120Mov(434)=33.5 freq(1)=100 Hz Magnetic flux density110100908070 mm2.2510300.51.01.52.02.53.03.53.5150510152025mmMov(235)=133 freq(1)=100 HzMagnetic flux density101201101009080mm3.6510250.51.01.52.02.52.8864204814121062181624Magnetic flux densityMov(235)=133 freq(1)=100 Hzmf.normB+mfnc.normBMov(434)=33.5 freq(1)=100 Hzmf.normB+mfnc.normBMagnetic flux density2220mm10130120110100908070mm3.6510250.51.01.52.02.53.03.53.7150510152025mm103020100102030mm7.0810230.51.01.52.02.53.03.53.750510152025mm103020100102030mm7.0810230.51.01.52.02.52.850510152025mm103020100102030mm6.310280.51.01.52.02.53.03.53.5150510152025mm图 8 不同结构配置下的磁通分布第50卷第1期汝改革，等：基于电磁耦合传感的小口径管道缺陷检测系统研发93复杂的表面情况。实验结果与表面清洁的管道相比，磁悬浮涂层管道的检测灵敏度有所降低，但不影响实际管道缺陷检测效果。实验结果表明，所提出的探头结构几乎不受表面环境的影响，对复杂检测环境具有较强的适应能力。同时为了进一步验证所提探头在复杂环境下的检测能力，本文开展探头相对于试件在不同速度下的缺陷检测实验，如图 12 所示，通过对转盘不同速度下对不同深度缺陷测试，其中缺陷 No.2 是倾斜15的缺陷，其余缺陷垂直于转盘切线，探头激励参数和检测系统参数与其他实验设置一致，转盘材料为 45#钢，转盘及裂纹几何参数如表 4 所示。其中转盘转速 1200r/min 对应线速度为 16m/s。w探头No.5No.1No.2No.3No.4图 12 转盘试件示意图表 4 转盘及裂纹几何参数转盘参数厚度6mm不同裂纹深度No.1No.2角度直径300mm6mm 4mm15裂纹宽度0.8mmNo.3No.4No.5裂纹长度40mm3mm 2mm 1mm根据图 13 检测结果可以发现，本实验设置所提探头结构对五个不同深度缺陷均可检出，且信号特征具有较好的一致性。但出现 D2 缺陷信号变化量明显小于 D3，主要是原因是所提探头结构体积覆盖面较大，D2 缺陷方向与圆心方向有一定的倾斜，影响信号强度的原因主要是缺陷深度、长度、宽度以及角度不同，信号变化影响较大。同时根据计算结果可以发现，不同速度下，所提的电磁耦合探头对表面缺陷检测具有较好的一致性，受速度效应影响较小，主要是因为所提探头结构在试件表面产生均匀轴向磁化场，在高速情况下，对均匀磁场影响有限，不会影响检测信号的强度。从图中可以发现 D2 变化量小于 D3，原因是 D2 缺陷有一定的倾斜，而且所提探头是产生的电磁复合场，导致信号强度受缺陷角度影响，小于 D3 的变化量。D1D2D3D4D50.750200400扫描距离/mm6001 200 r/min0.80TMR 传感器采集信号/V0.850.900.951.001.05200 r/min300 r/min400 r/min 900 r/min600 r/min图 13 不同速度下所提探头对不同深度缺陷检测的结果3.1 牵拉测试设置为进一步验证所提出的 MRS 优势，开展实际管道的牵拉测试，图 14(a)描绘了所提出的 ILI 内检测器。MRS 由高导磁材料、励磁线圈、TMR 单元和钢刷组成。通过给励磁线圈激励，在管壁上产生均匀的交变电磁场和轴向磁化场。硬件系统由ADC 模块、功放模块和 FPGA 控制单元组成。ADC 模块主要采用 AD8137，功耗低，成本低。励磁系统主要由功率放大器 OPA564 组成，具有大电流输出能力，FPGA 控制单元为 Zynqxc7z020 芯片，0100200300400500600距离/mm00.10.20.30.4电压/V管道表面清洁状态下 Bx管道表面清洁状态下 Bz管道表面油污状态下 Bx管道表面油污状态下 Bzabcd图 11 管道清洁和油污状态下的检测结果对比电脑上位机界面控制盒内检测系统通道位置4-寸小口径管道(a)内检测系统(b)内检测器起始位置(c)实际牵拉测试图 14 牵拉测试系统94中国测试2024年1月具有高扩展能力。同时，电池单元可以产生 29.6V的输出，维持 ILI 检测器运行的稳定性。MRS 的外径为 96mm。传感器位置被手动标记为相对于管道时钟的参考位置，以便精确校准图 14(b)中的缺陷位置。牵引设备的最大速度为 0.5m/s。整个 4寸管道由四根 2m 的管道组成，总长度为 8m，如图 14(c)所示。为了验证所提的 ILI 系统的检测能力，在 4 寸管道制作各种类型的缺陷。通过对实际管道的典型缺陷测试进一步验证了所提系统的有效性和可靠性。由于缺陷的轴向位置信息是使用焊缝与缺陷之间的距离进行计算，因此可通过焊缝跟踪方法识别缺陷的大致位置。如图 15 所示。03:0003:0006:0009:0012:00焊缝 1焊缝 2焊缝 3焊缝 4焊缝 5 2 m2 m2 m2 m57.5%13.5%17.2%53.7%26.2%31.67%21.5%74.3%17%41%15.5%47.7%15%26.5%31.3%24.2%54.7%66.5%47.2%41.5%管道入口出口G1-1G1-3G1-4G1-2G2-1G2-2G2-3G2-4G2-5G2-6G3-1G3-2G3-4G3-3G3-5G4-1G4-2G4-3G4-4G4-5注意周向缺陷 轴向缺陷圆形缺陷方型缺陷图 15 管道缺陷示意图管节 1 有 4 个缺陷，分别为圆形、方形和环状缺陷三种。管节 2 有 6 个缺陷，包括表面和亚表面缺陷。有四种不同类型的表面缺陷和具有不同埋深的亚表面缺陷。管节 3 存在方形缺陷、轴向缺陷和环向缺陷三种缺陷。管节 4 存在环向、轴向和圆形三种缺陷，其中圆形缺陷深度最低为 24.2%。需要注意的是，图 15 中的各种缺陷并不代表真实的缺陷尺寸。表 5 列举的是管道内不同缺陷参数。为了对管道缺陷检测结果进行客观评价，我们考虑了管道检测环境的复杂性。内检测系统参数设置如表 6 所示。显然，ILI 检测器会在整个牵拉过程中发生转动，从而导致通道时钟发生错位。此外，由于管道的周长较小，单个较大的缺陷可能会同时影响多个通道的信号变化。因此，有必要使用相邻通道同时作为信号参考作为检测缺陷的评估方法。本文以 4:30 和 6:00 时钟方向为单位进行协同分析。10:30 和 12:00 时钟被视为另一个分析单元。传感器数据经过归一化处理，便于对比分析。同时，所提出的方法侧重于检测管段的第二和第四部分的缺陷。灵敏度计算表达式为：sensitivity=Ni,maxNi,min(17)Ni,maxi式中：数据归一化后第 个缺陷信号的最大值；表 5 管道缺陷位置和尺寸信息缺陷编号长度/mm宽度/mm深度/mm缺陷深度/管壁厚度距离前端焊缝距离/m时钟位置/()G1-153.4557.50%0.4322.1G1-253.2253.7%0.71115.8G1-324210.8113.50%1.0345.3G1-42381.0317.17%1.75349.5G2-154.4674.33%0.4187.4G2-22481.5726.17%0.628.4G2-325121.0217.00%0.66170.5G2-4(OUT）13341.931.67%1.40.0G2-5(OUT)3482.4841.00%1.5191.4G2-645201.2921.50%1.73357.9G3-127240.915.00%0.44189.5G3-241240.9315.50%0.5328.4G3-32511.5926.50%0.95170.5G3-42922.8647.67%1.3330.5G3-526241.8831.33%1.76330.5G4-151.4524.17%0.41136.8G4-253.9966.50%0.45322.1G4-352.8347.17%1.31315.8G4-43883.2854.67%1.61134.7G4-52482.4941.50%1.77328.4第50卷第1期汝改革，等：基于电磁耦合传感的小口径管道缺陷检测系统研发95Ni,mini数据归一化后第 个缺陷信号的最小值。3.2 结果分析3.2.1分析检测系统对表面和亚表面缺陷的影响分别对 4 寸管道进行了 3 次重复牵拉试验，保证实验的可靠性，采用 MRS 传感器配置无磁铁和有磁铁两种情况开展实验，结果如图 16 所示。根据图 16(c)和图 16(d)的结果比较，当磁体加入MRS 时，可以有效地检测到亚表面缺陷 G2-4 和 G2-5。另一方面，在不使用磁铁的情况下，只能检测到埋深为 2.52mm 的 G2-5 缺陷，而埋深为 3.1mm 的缺陷 G2-4 无法被检出。结果表明，磁化未达到最佳半磁化状态，难以检测更深的缺陷 G2-4。由于需要更高的穿透深度，利用 MRS 与磁铁有效配置，通过叠加磁铁磁场来增加磁场的穿透深度和磁场强度。如表 7 所示，G2-4 和 G2-5 缺陷的检测灵敏度分别由 0.2 和 0.29 提高到 0.74 和 0.37。满足了埋深较深的亚表面缺陷检测需求。此外，可以发现具有更深缺陷的 G2-4 的灵敏度高于 G2-5，这是因为 G2-4是一个轮廓较宽的缺陷，比 G2-5 泄漏更多的磁通信息，缺陷深度很难作为评价灵敏度的唯一标准。所提出的探头结构对亚表面缺陷的可检测性已经得到有效验证。2 0004 0006 0008 00010 000距离/mm00.51.01.52.02.5归一化4:30 时钟方向第一次牵拉测试4:30 时钟方向第二次牵拉测试4:30 时钟方向第三次牵拉测试10:30 时钟方向第一次牵拉测试10:30 时钟方向第二次牵拉测试10:30 时钟方向第三次牵拉测试2 0004 0006 0008 00010 000距离/mm00.51.01.52.02.53.0归一化4:30 时钟方向第一次牵拉测试4:30 时钟方向第二次牵拉测试4:30 时钟方向第三次牵拉测试10:30 时钟方向第一次牵拉测试10:30 时钟方向第二次牵拉测试10:30 时钟方向第三次牵拉测试2 0004 0006 0008 00010 000距离/mm00.51.01.52.02.5归一化6:00 时钟方向第一次牵拉测试6:00 时钟方向第二次牵拉测试6:00 时钟方向第三次牵拉测试12:00 时钟方向第一次牵拉测试12:00 时钟方向第二次牵拉测试12:00 时钟方向第三次牵拉测试2 0004 0006 0008 00010 000距离/mm00.51.01.52.02.53.03.5归一化6:00 时钟方向第一次牵拉测试6:00 时钟方向第二次牵拉测试6:00 时钟方向第三次牵拉测试12:00 时钟方向第一次牵拉测试12:00 时钟方向第二次牵拉测试12:00 时钟方向第三次牵拉测试(a)无永磁体作用下 4:30 和 10:30 的缺陷信号(c)无永磁体作用下 6:00 和 12:00 的缺陷信号(d)含永磁体作用下 6:00 和 12:00 的缺陷信号(b)含永磁体作用下 4:30 和 10:30 的缺陷信号图 16 有无永磁体作用下在三次牵拉试验下的缺陷检测结果3.2.2分析不同类型的缺陷检测能力。分析电磁耦合检测器对不同类型缺陷的检测能力是十分必要的，如圆形、圆周和轴向缺陷。三次牵拉测试的结果具有很高的一致性，如图 16(a)和表 6 牵拉测试系统参数设置MRS参数设置激励电压16Vpp激励频率100Hz最大励磁功率14W线圈匝数520线圈线径0.25mm提离(钢刷长度)7.5mm牵拉速度0.5m/s测试重复次数396中国测试2024年1月图 16(b)所示。当磁体作用于 MRS 时，可以检测到 G4-1、G4-2、G4-3、G4-4 和 G4-5 缺陷。根据时序信号的特点，这些信号对应的缺陷位置在幅度上有明显的变化。同时，根据式(17)，圆形缺陷 G4-1的灵敏度为 0.56。无磁体和 MRS 配置的检测结果表明缺陷位置的信号具有微弱的波动，这很容易受到背景噪声的影响。无法判断是否检测到缺陷，灵敏度较差。当没有磁铁时，MRS 对检测圆形缺陷不敏感。通过对试验数据的对比分析发现，采用MRS 和磁体的优化配置可以提高不同类型缺陷的检测能力。3.2.3基于灰度图像处理的管道缺陷检测结果分析根据前面的缺陷时序信号分析，利用 MRS 结构进行管道检测，仅评估单通道检测结果，存在无法检测到 G4-2、G4-3、G4-4 和 G4-5 缺陷的潜在风险。考虑到管道内部检测的复杂性，需要对所有通道数据进行统一分析，以优化定性缺陷能力。灰度图像构建可用于表达所有缺陷信息，直观地检测和分析这些缺陷特征。图像结果如图 17 所示。该方法提高了灰度成像过程中检测结果的平滑度。GuidedImageFiltering(GIF)15是最快的边缘保持滤波器之一，它可以引导图像的结构转