CN107643321B - 基于相位识别的多频交流场指纹法金属管道腐蚀检测技术 - Google Patents

Abstract

一种基于多频交流场指纹法的金属管道缺陷检测技术，向被测管道施加频率从高到低的交流激励电流，在趋肤效应的作用下使电流从管道外壁向管道内壁逐渐渗透，缺陷的存在会改变被测信号的幅值和相位，通过选取一系列电压信号的最大相位角即可求解出缺陷深度。本发明能够测量绝对缺陷深度，无需测量参考电压、原始电压和原始壁厚，具有良好的抗漂移性，适用于长期在线监测。

Description

基于相位识别的多频交流场指纹法金属管道腐蚀检测技术

技术领域

本发明所涉及的领域主要为油气金属管道缺陷检测及在线监测，具体地说，涉及一种油气金属管道缺陷深度的检测及在线监测技术。具体技术方案为：在被测金属管道的待测区域的两端，间隔一定距离固定安装两个电流注入电极，使得管道待测区域的电流分布尽量均匀分布；然后在管道待测区域按照一定规律固定安装测量电极，沿管道轴向上两个相邻的电极构成一个测量电极对；电极对之间的管道金属区域可以等效为一个电阻，因此在激励电流的作用下，电极对之间会产生一个电压；向被测金属管道注入频率从高到低的一组交流激励电流，测量并记录下每个不同频率的电流激励下的电压值；由于存在趋肤效应，当注入高频激励电流时，管道上的电流将集中分布在靠近管道外壁的浅层里，随着激励电流频率的降低，管道上的电流将逐渐从管道外壁向管道内壁渗透，因此不同频率电流对应的测量电压是不同的。由于缺陷的存在会改变测量电压的幅值，同时也会更加显著地改变测量电压的相位，因此可计算出每个电压值的相位角，记为Ψ _f ，然后寻找出一个最大的相位角Ψ _fmax ，然后利用Ψ _fmax 即可求出缺陷的深度。

传统的直流场指纹法（Direct Current Field Signature Method，DCFSM）本质上是一种相对壁厚检测技术，即必须精确测量出被测管道的原始厚度，然后根据电压信号的变化判断出相对壁厚的变化情况，如果DCFSM电路系统维修更换之后，则必须重新测量被测管道的实际壁厚值，对于埋地管道或者海底管道而言，这显然是很难实现。其次，DCFSM技术在系统安装之初，必须准确测量并记录下原始电压值，之后在仪器系统的整个服役期间，测量得到的电压都需要与原始电压进行比值运算；而作为长期在线监测设备，元器件的老化、工作环境的变化等都会引起仪器系统发生明显的漂移，因此DCFSM的工作原理决定了其无法克服漂移引起的测量误差。再者，传统的DCFSM还设置有参考板，参考板上布置有参考电极，参考板与被测管道之间仅通过激励电流电缆进行电气连接，参考板与被测管道之间填充有绝缘材料；研究表明，参考板与被测管道之间的温度差会引起很大的测量误差，工业现场一般通过温度修正的办法减小温差所引起的误差，但如果温度传感器损坏，对于埋地管道、尤其是海底管道等很难或者无法修复温度传感器的工作环境，整个DCFSM系统将不再能正常工作。

因此，本发明的有效益处在于：首先本发明可实现对缺陷深度的绝对测量，即不再需要测量被测管道的原始壁厚值；其次本发明不需要设置参考板，避免了温度变化造成的不利影响；再者本发明无需测量原始电压，仅通过测量信号本身的相位信息即可求解出被测缺陷的深度值。

背景技术

腐蚀是造成油气金属管道泄漏的最主要的因素，我国油气管道泄漏事故频发，因此开发一种安全、高效、可靠的金属管道腐蚀检测技术显得至关重要。而且随着完整性管理概念的深入，离线式的检测技术必然会被在线式的实时监测技术所取代。目前石化行业广泛采用的一种腐蚀监测技术——基于直流电位降法的场指纹法，其工作原理如下：

1、在被测金属管道待测区域的两端间隔一定距离固定安装两个激励电流电极，通过这两个电极向被测管道注入一定幅值的直流激励电流；在被测管道待测量区域固定安装测量电极矩阵，轴向上两个相邻的电极构成一对测量电极对；设置一块与被测管道材料相同的同质参考板，参考板上设置参考电极，参考板与被测管道通过电流电缆电气连接，参考板与被测管道之间填充有绝缘材料，防止两者发生电缆连接点之外的电气连接。

2、一对测量电极对之间的管道金属体可以视为一个等效电阻体，一旦测量区域的测量电极矩阵确定之后，等效电阻体的长度和宽度都将保持不变，只有腐蚀等缺陷引起的等效电阻体的厚度减薄可以改变等效电阻体的阻值，因此在幅值恒定的激流电流的作用下，测量电极对的电压信号变化情况即代表了测量区域壁厚的变化情况。

3、DCFSM系统安装之初，需测量记录被测区域的原始壁厚值，记为WT(t ₀ )。同时还将测量记录测量参考电极的初始参考电压，记为V _ref （t ₀ ），以及测量电极对的初始测量电压，记为V _i （t ₀ ），。在仪器系统服役期间，被测管道发生了腐蚀，将此时测量得到的管道上的被测电压和参考电压和分别记为V _i （t _x ）和V _ref （t _x ），再利用以下公式计算腐蚀深度：

FC _i (t _x ）=((V _i (t _x )/V _i (t ₀ ))/Vref(t _x )/V _ref (t ₀ )-1)×1000 （1）

式中：

V _i （t ₀ ），V _i （t _x ）—初始时刻和腐蚀时刻的被测电压；

V _ref （t ₀ ），V _ref （t _x ）—初始时刻和腐蚀时刻的参考电压；

D(t _x )=WT(t ₀ )-WT(t ₀ )×1000/(FC _i (t _x )+1000) （2）

式中： D(t _x )—缺陷的深度；WT(t ₀ )—被测管道的原始壁厚；

由公式（1）可以看出，DCFSM需引入参考电压进行相应的计算，而且需要与原始电压进行比值运算；而DCFSM属于长期在线监测设备，在实际工程应用中，随着仪器系统的老化以及设备工作环境的改变等，仪器系统必然会发生各种漂移问题，包括基线漂移和零点漂移等，也即是被测电压和参考电压都同时增大或者减小相同的幅值。由公式（1）可知，，参考电压和被测电压同时增大或减小同样的数值，最终的比值将会发生改变，因此漂移会对场指纹法的检测结果造成很大的误差。由公式（2）可知，直流场指纹法计算缺陷深度时还需要准确测量被测管道的原始壁厚，原始壁厚的测量误差也会对缺陷深度的计算造成不利影响，而且一旦其电路系统损坏并进行更换以后，需要重新测量被测管道的实际壁厚值作为原始壁厚值，对于埋地管道或者海底管道而言，这项工作是非常难以实现的；

本专利旨在提出一种基于变频交流场指纹法金属管道缺陷检测技术，该技术不再需要测量参考电压，不需要测量原始电压，不需要测量被测管道的原始壁厚，仅通过电压信号的相位对缺陷深度进行计算评估，可以非常有效地消除系统漂移、温度变化、原始壁厚测量误差等对测量的影响。

发明内容

本发明主要是针对目前传统的直流场指纹技术不能测量绝对缺陷深度、需引入参考电压从而造成易受漂移干扰、参考板与被测管道的温度差会引入很大的测量误差等缺点，提出了一种多频交流场指纹金属管道缺陷检测技术。具体而言，该技术首先在被测管道待测区域的两端，间隔一定距离固定安装两个电流注入电极，在管道待测量区域按照一定规律固定安装测量电极矩阵，轴向上两个相邻电极构成一对测量电极对；通过电流注入电极向被测管道施加一系列频率从高到低的交流激励电流，利用趋肤效应使电流从管道外壁向管道内壁逐渐渗透，测量并记录下不同频率下的激励电流所产生的电压，求出每个电压的相位角，记为Ψ _f ，利用最大的相位角Ψ _fmax 即可求出被测区域的缺陷深度。

所谓趋肤效应是指，当交变电流通过导体时，电流在导体横截面上的分布是不均匀的，导体表面的电流密度最大，且交变电流的频率越高，这种趋势越明显，该现象称为趋肤效应(skin effect)，趋肤效应也称集肤效应。这个电流被称为趋肤电流，其趋肤深度δ由公式（3）决定：

δ=1/(πμ _r μ ₀ σf)½ （3）

公式（3）中的μ _r 为被测管道材料的相对磁导率，μ ₀ 为空气磁导率，σ为被测管道材料的电导率，f是激励电流的频率。由公式（3）知道，随着激励电流频率的降低，趋肤电流的趋肤深度δ将会增加，趋肤电流将逐渐从金属管道外壁向金属管道内壁渗透，这将造成电流流经区域金属块的深度增加，也即是电流流经区域的等效电阻减小，在相同幅值的激励电流的作用下，测量电极间的电压将逐渐减小，同时相应的电压的相位角也将发生改变。如果被测管道存在缺陷，则缺陷会显著地改变电压的相位角，因此本发明利用电压相位角的最大值Ψ _fmax 求解被测区域缺陷的深度d，具体方案步骤如下：

（1）在金属管道待测区域的两端安装一对电流注入电极，在管道待测量区域布置测量电极矩阵，沿管道轴向，两个相邻的测量电极构成一对测量电极对；所有电极均固定安装在被测管道上，因此可以按照下述步骤实现对被测管道缺陷的在线监测：

（2）通过电流注入电极，向被测管道注入频率从高到低的交流激励电流，利用趋肤效应，使金属管道上的电流从管道外壁的浅层逐渐向管道内壁渗透，测量并记录每个激励频率下一对测量电极对的电压，记为V _f ；

（3）计算出每个电压V _f 的相位角，记为Ψ _f ；

（4）寻找出最大的相位角Ψ _fmax ，利用下面的公式即可计算得到被测管道的缺陷d：

d=-2.004Ψ _fmax +10.5。

本发明的有益效果：向被测管道施加频率从高到低的一系列交流激励电流，测量得到一组电压，利用最大电压相位角求解缺陷的深度，本发明不再需要测量原始电压、不再设置参考板、能够进行绝对壁厚损失测量，非常适合用于长期在线监测金属管道的缺陷。

附图说明

图1 直流场指纹技术原理图

图2 多频交流场指纹技术原理图

图3 不同缺陷的相位角。

具体实施方式

本发明的一个实施例子详述如下：

本发明为多频交流场指纹法的金属管道缺陷检测技术，具体实施步骤如下：

（1）选取一根壁厚为10mm，管径为219mm，长度为1000mm的普通碳钢管道作为被测对象，在管道两端焊接一对电流激励电极，在管道中心外壁焊接安装测量电极矩阵，轴向上测量电极间距为35mm；

（2）在测量电极对应的管道内壁分别加工深度为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm和6mm的缺陷，缺陷的尺寸均为35mm×35mm；

（3）根据被测管道的材料特性，调整激励电流的频率，按照趋肤电流的计算公式，使得趋肤电流的趋肤深度从0.1mm到10mm以0.1mm为等增量依次递增，即总共设置100个频率点；

（4）依次测量6对测量电极在不同频率的激励电流下的电压值；

（5）分别计算出每组电压的相位角Ψ _f ，然而利用最大相位角Ψ _fmax 并按照最终计算缺陷深度的公式计算得到的缺陷深度如下表所示：

Claims (3)

1.一种基于相位识别的变频交流电位降金属管道缺陷检测方法，在金属管道待测区域的两端间隔一定距离安装一对电流注入电极，在管道待测量区域布置测量电极矩阵；沿管道轴向，两个相邻的测量电极构成一对测量电极对；所有电极均固定安装在被测管道上，因此可以按照下述步骤实现对被测管道缺陷的检测：

(1)通过电流注入电极，向被测管道注入频率从高到低的交流激励电流，利用趋肤效应，使金属管道上的电流分布从管道外壁的浅层逐渐向管道内壁渗透，测量并记录每个激励频率下某一对测量电极对之间的电压，并记为V_f；

(2)计算出每个电压V_f的相位角，记为ψ_f；

(3)寻找出最大的相位角ψ_fmax，利用下面的公式即可计算得到被测管道的缺陷d：

d＝-2.004ψ_fmax+10.5。

2.根据权利要求1所述的基于相位识别的变频交流电位降金属管道缺陷检测方法，其特征在于，所述检测方法可以用于离线检测，也可用于在线监测，且根据检测精度的要求，激励电流的频率可做出相应调整。

3.根据权利要求1所述的基于相位识别的变频交流电位降金属管道缺陷检测方法，其特征在于，激励电流源由高精度交流电流源组成，测量电极对之间的电压由高精度交流电压测试仪测量得到。

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