一種周向電磁場管道內壁裂紋檢測系統及定量評估方法與流程

本發明涉及一種裂紋定量檢測系統，特別涉及一種基于周向電磁場的管道內壁裂紋檢測系統及評估方法。

背景技術：

管道內壁應力腐蝕裂紋是引起管道泄漏的重要因素。開展管道內壁裂紋定量檢測系統設計對于及時評估裂紋尺寸，有效預防管道破裂具有重要意義。一般情況下管道內壁應力腐蝕開裂為軸向方向，環形焊縫位置容易出現周向開裂。傳統漏磁技術難以檢測軸向裂紋；渦流檢測技術定量精度差，難以有效評估裂紋的尺寸；超聲檢測技術對管道內壁淺層裂紋檢測效果差；內穿式ACFM探頭能夠在管道內壁提供360°環形電流場，實現軸向裂紋的檢測，但并未給出管道內壁裂紋定量方法，同時對周向裂紋檢測效果差。本發明利用周向電磁場技術，改進了內穿式ACFM探頭的結構，減小檢測傳感器與管道內壁之間的間距，避免磁場信號穿過激勵線圈造成衰減，借助環形電場實現軸向裂紋的定量和定位評估，借助交變磁場實現周向裂紋的定量和定位評估，能夠一次性全面定量和定位評估管道內壁所有裂紋。

技術實現要素：

本發明的目的就是針對現有技術不足，利用周向電磁場檢測技術，借助環形電場和交變磁場實現管道內壁軸向和周向裂紋的定量和定位評估，能夠一次性全面定量和定位評估管道內壁所有裂紋。

一種周向電磁場管道內壁裂紋檢測系統及定量評估方法，包括臺架、管道、探頭、夾具、活塞桿、液壓缸、計算機、PLC、驅動器、電機、油泵、安全閥、調速閥、信號發生器、功率放大器和采集卡，所述液壓缸安裝在設有四根樁腿的臺架上，液壓缸兩端分別設有吸液口甲、排液口甲、吸液口乙和排液口乙，吸液口甲、排液口甲、吸液口乙和排液口乙分別安裝有電磁閥甲、電磁閥乙、電磁閥丙和電磁閥丁，所述管道由依靠螺栓固定在臺架滑槽內的兩個夾具夾持，所述活塞桿安裝在與液壓缸內孔同軸的活塞中心，所述探頭依靠中心孔安裝在活塞桿的端部，探頭同軸放置在管道內部，所述管道與液壓缸同軸，所述計算機分別與PLC、采集卡和信號發生器連接，PLC分別與電磁閥甲、電磁閥乙、電磁閥丙、電磁閥丁和驅動器連接，所述驅動器通過電機與油泵連接，所述油泵排油口通過安全閥與調速閥連接，所述調速閥與液壓缸的吸液口甲和吸液口乙連接，油泵的吸油口、安全閥的泄油口、液壓缸的排液口甲和排液口乙分別與油箱相通，所述信號發生器通過功率放大器與探頭內的激勵線圈連接，探頭內的柔性電路板上的放大器與采集卡連接。

所述探頭由錳鋅鐵氧體磁芯、支撐架、柔性電路板、激勵線圈和保護套組成，所述錳鋅鐵氧體磁芯為一端設有凸臺且軸向中心設有安裝孔的圓柱形磁芯，所述激勵線圈從錳鋅鐵氧體磁芯的凸臺端緊密纏繞至另一端，所述支撐架為非導磁性尼龍材料，支撐架從錳鋅鐵氧體磁芯一端套在激勵線圈外側，所述柔性電路板安裝在支撐架的中心凹槽內，所述保護套為耐磨聚四氟乙烯材料，保護套同軸安裝在支撐架外側，所述柔性電路板周向設有等距的若干數量兩軸隧道磁電阻傳感器，所述兩軸隧道磁電阻傳感器的靈敏軸分別沿著探頭軸向方向和徑向方向，所述兩軸隧道磁電阻傳感器與分別焊接在柔性電路板對應位置的放大器連接。

所述一種周向電磁場管道內壁裂紋檢測系統的定量評估方法，包括如下步驟：

(1)通過夾具將待檢管道固定在臺架上，管道內孔與液壓缸同軸，將探頭安裝至活塞桿的端部；

(2)利用計算機控制信號發生器發出頻率為1K Hz幅值為5V的正弦激勵信號，正弦激勵信號經過功率放大器后加載至探頭內的激勵線圈；

(3)激勵線圈在內部和外部軸向方向形成交變磁場回路，交變磁場在錳鋅鐵氧體磁芯作用下聚集并傳導至管道內壁，交變磁場在管道2內壁感應出360°環形均勻電場；

(4)計算機通過PLC控制電磁閥甲和電磁閥丁分別打開液壓缸的吸液口甲和排液口乙，同時控制電磁閥丙和電磁閥乙分別關閉吸液口乙和排液口甲，PLC通過驅動器驅動電機勻速轉動，電機帶動油泵從油箱內吸油，油泵將液壓油通過安全閥、調速閥和吸液口甲注入液壓缸的無桿腔，液壓油通過活塞和活塞桿帶動探頭沿著管道內壁一定速度v前進；

(5)當探頭經過管道內壁的軸向裂紋時，360°環形電場垂直穿過軸向裂紋，電場在軸向裂紋兩端發生聚集，在軸向裂紋中心處電流變的稀疏，探頭內部柔性電路板上的兩軸隧道磁電阻傳感器分別測得軸向裂紋處軸向磁場Bx和徑向磁場Bz，軸向磁場Bx在軸向裂紋處產生向上峰值，徑向磁場Bz在軸向裂紋兩端產生方向相反的峰值，通過計算軸向磁場Bx與背景磁場之間差值D可對軸向裂紋深度進行有效評估，通過探頭速度v和運動時間t計算徑向磁場Bz兩個反向峰值之間間距L可以計算軸向裂紋的長度，依據兩軸隧道磁電阻傳感器檢測的磁場信號最大峰值位置可以確定軸向裂紋位于管道內壁周向方向的位置；

(6)當探頭經過管道內壁的周向裂紋時，激勵線圈外部的交變磁場會在管道內壁周向裂紋處泄露并形成漏磁場，柔性電路板上的兩軸隧道磁電阻傳感器分別測得周向裂紋處軸向漏磁場Ba和徑向漏磁場Br，軸向漏磁場Ba在周向裂紋位置處產生狹窄的波谷，同一位置的徑向漏磁場Br在周向裂紋兩側產生峰值相反的峰值，軸向漏磁場Ba與背景磁場之間的波谷深度H反映周向裂紋的深度，徑向漏磁場Br的峰谷間距W反映周向裂紋的寬度，周向裂紋特征信號會被若干個周向方向兩軸隧道磁電阻傳感器探測到，通過計算具有明顯周向裂紋特征信號的兩軸隧道磁電阻傳感器數目即可估算周向裂紋的弧度和在管道內壁上的位置；

(7)計算機通過PLC控制電磁閥丙和電磁閥乙打開液壓缸的吸液口乙和排液口甲，同時控制電磁閥甲和電磁閥丁關閉吸液口甲和排液口乙，PLC通過驅動器驅動電機勻速轉動，電機帶動油泵從油箱內吸油，油泵將液壓油通過安全閥、調速閥和吸液口乙注入液壓缸的有桿腔，液壓油通過活塞和活塞桿帶動探頭沿著管道內壁反向勻速前進至退出管道內孔，完成管道內壁裂紋的全面定位和定量評估。

附圖說明

附圖1是本發明的整體剖視圖。

附圖2是本發明的結構示意圖。

附圖3是本發明的探頭示意圖。

附圖4是本發明的支撐架示意圖。

附圖5是本發明的柔性電路板和激勵線圈結構示意圖。

附圖6是本發明的軸向裂紋檢測示意圖。

附圖7是本發明的周向裂紋檢測示意圖。

上圖中：臺架1、樁腿1.1、滑槽1.2、管道2、軸向裂紋2.1、周向裂紋2.2、探頭3、錳鋅鐵氧體磁芯3.1、支撐架3.2、柔性電路板3.3、激勵線圈3.5、保護套3.6、夾具4、活塞桿5、活塞5.1、液壓缸6、排液口乙6.1、電磁閥丁6.1.1、吸液口乙6.2、電磁閥丙6.2.1排液口甲6.3、電磁閥乙6.3.1、吸液口甲6.4、電磁閥甲6.4.1、計算機7、PLC8、驅動器9、電機10、油泵11、油箱11.1、安全閥12、調速閥13、信號發生器14、功率放大器15、采集卡16、徑向磁場Bz17、軸向磁場Bx18、軸向漏磁場Ba19、徑向漏磁場Br20。

具體實施方式

結合附圖1-7，對本發明作進一步的描述：

如圖1-2所示，本發明包括臺架1、管道2、探頭3、夾具4、活塞桿5、液壓缸6、計算機7、PLC8、驅動器9、電機10、油泵11、安全閥12、調速閥13、信號發生器14、功率放大器15和采集卡16，所述液壓缸6安裝在設有四根樁腿1.1的臺架1上，液壓缸6兩端分別設有吸液口甲6.4、排液口甲6.3、吸液口乙6.2和排液口乙6.1，吸液口甲6.4、排液口甲6.3、吸液口乙6.2和排液口乙6.1分別安裝有電磁閥甲6.4.1、電磁閥乙6.3.1、電磁閥丙6.2.1和電磁閥丁6.1.1，所述管道2由依靠螺栓4.1固定在臺架1滑槽1.2內的兩個夾具4夾持，所述活塞桿5安裝在與液壓缸6內孔同軸的活塞5.1中心，所述探頭3依靠中心孔3.4安裝在活塞桿5的端部，探頭3同軸放置在管道2內部，所述管道2與液壓缸6同軸，所述計算機7分別與PLC8、采集卡16和信號發生器14連接，PLC8分別與電磁閥甲6.4.1、電磁閥乙6.3.1、電磁閥丙6.2.1、電磁閥丁6.1.1和驅動器9連接，所述驅動器9通過電機10與油泵11連接，所述油泵11排油口通過安全閥12與調速閥13連接，所述調速閥13與液壓缸的吸液口甲6.4和吸液口乙6.2連接，油泵11的吸油口、安全閥12的泄油口、液壓缸6的排液口甲6.3和排液口乙6.1分別與油箱11.1相通，所述信號發生器14通過功率放大器15與探頭3內的激勵線圈3.5連接，探頭3內的柔性電路板3.3上的放大器3.3.2與采集卡16連接。

如圖3-5所示，探頭3由錳鋅鐵氧體磁芯3.1、支撐架3.2、柔性電路板3.3、激勵線圈3.5和保護套3.6組成，所述錳鋅鐵氧體磁芯3.1為一端設有凸臺且軸向中心設有安裝孔3.4的圓柱形磁芯，所述激勵線圈3.5從錳鋅鐵氧體磁芯的凸臺端緊密纏繞至另一端，所述支撐架3.2為非導磁性尼龍材料，支撐架3.2從錳鋅鐵氧體磁芯3.1一端套在激勵線圈3.5外側，所述柔性電路板3.3安裝在支撐架3.2的中心凹槽內，所述保護套3.6為耐磨聚四氟乙烯材料，保護套3.6同軸安裝在支撐架3.2外側，所述柔性電路板3.3周向設有等距的若干數量兩軸隧道磁電阻傳感器3.3.1，所述兩軸隧道磁電阻傳感器3.3.1的靈敏軸分別沿著探頭3軸向方向和徑向方向，所述兩軸隧道磁電阻傳感器3.3.1與分別焊接在柔性電路板3.3對應位置的放大器3.3.2連接。

所述一種周向電磁場管道內壁裂紋檢測系統的定量評估方法，主要包括如下步驟：

(1)通過夾具4將待檢管道2固定在臺架1上，管道2內孔與液壓缸6同軸，將探頭3安裝至活塞桿5的端部；

(2)利用計算機7控制信號發生器14發出頻率為1K Hz幅值為5V的正弦激勵信號，正弦激勵信號經過功率放大器15后加載至探頭3內的激勵線圈3.5；

(3)激勵線圈3.5在內部和外部軸向方向形成交變磁場回路，交變磁場在錳鋅鐵氧體磁芯3.1作用下聚集并傳導至管道2內壁，如圖7所示，交變磁場在管道2內壁感應出360°環形均勻電場，如圖6所示；

(4)計算機7通過PLC8控制電磁閥甲6.4.1和電磁閥丁6.1.1分別打開液壓缸的吸液口甲6.4和排液口乙6.1，同時控制電磁閥丙6.2.1和電磁閥乙6.3.1分別關閉吸液口乙6.2和排液口甲6.3，PLC8通過驅動器驅動電機10勻速轉動，電機10帶動油泵11從油箱11.1內吸油，油泵11將液壓油通過安全閥12、調速閥13和吸液口甲6.4注入液壓缸6的無桿腔，液壓油通過活塞5.1和活塞桿5帶動探頭3沿著管道2內壁以一定速度v前進；

(5)如圖6所示，當探頭3經過管道2內壁的軸向裂紋2.1時，360°環形電場垂直穿過軸向裂紋2.1，電場在軸向裂紋2.1兩端發生聚集，在軸向裂紋2.1中心處電流變的稀疏，探頭3內部柔性電路板3.3上的兩軸隧道磁電阻傳感器3.3.1分別測得軸向裂紋2.1處軸向磁場Bx18和徑向磁場Bz17，軸向磁場Bx18在軸向裂紋2.1處產生向上峰值，徑向磁場Bz17在軸向裂紋2.1兩端產生方向相反的峰值，通過計算軸向磁場Bx18與背景磁場之間差值D可對軸向裂紋2.1深度進行有效評估，通過探頭速度v和運動時間t計算徑向磁場Bz17兩個反向峰值之間間距L可以計算軸向裂紋2.1的長度，依據兩軸隧道磁電阻傳感器3.3.1檢測的磁場信號最大峰值位置可以確定軸向裂紋2.1位于管道2內壁周向方向的位置；

(6)如圖7所示，當探頭3經過管道2內壁的周向裂紋2.2時，激勵線圈3.5外部的交變磁場會在管道2內壁周向裂紋2.2處泄露并形成漏磁場，柔性電路板3.3上的兩軸隧道磁電阻傳感器3.3.1分別測得周向裂紋2.2處軸向漏磁場Ba19和徑向漏磁場Br20，軸向漏磁場Ba19在周向裂紋2.2位置處產生狹窄的波谷，同一位置的徑向漏磁場Br20在周向裂紋2.2兩側產生峰值相反的峰值，軸向漏磁場Ba19與背景磁場之間的波谷深度H反映周向裂紋2.2的深度，徑向漏磁場Br20的峰谷間距W反映周向裂紋2.2的寬度，周向裂紋2.2特征信號會被若干個周向方向兩軸隧道磁電阻傳感器3.3.1探測到，通過計算具有明顯周向裂紋特征信號的兩軸隧道磁電阻傳感器3.3.1數目即可估算周向裂紋2.2的弧度和在管道2內壁上的位置；

(7)計算機7通過PLC8控制電磁閥丙6.2.1和電磁閥乙6.3.1打開液壓缸的吸液口乙6.2和排液口甲6.3，同時控制電磁閥甲6.4.1和電磁閥丁6.1.1關閉吸液口甲6.4和排液口乙6.1，PLC8通過驅動器9驅動電機10勻速轉動，電機10帶動油泵11從油箱11.1內吸油，油泵11將液壓油通過安全閥12、調速閥13和吸液口乙6.2注入液壓缸6的有桿腔，液壓油通過活塞5.1和活塞桿5帶動探頭3沿著管道2內壁反向勻速前進至退出管道2內孔，完成管道內壁裂紋的全面定位和定量評估。

本發明的有益效果是：采用周向電磁場檢測技術實現管道內壁軸向和周向裂紋的定量、定位評估；改進探頭結構，采用柔性電路板將兩軸磁場傳感器集成在探頭上，大大減小陣列傳感器的設計難度；柔性電路板使得傳感器與管道內壁更接近，避免電磁場信號穿過激勵線圈造成衰減。

本發明不局限于上述具體實施方式，根據上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明還可以做出其它多種形式的等效修改、替換或變更，均屬于本發明的保護范圍。