CN108680607B

CN108680607B - 基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀监测方法

Info

Publication number: CN108680607B
Application number: CN201810998931.3A
Authority: CN
Inventors: 甘芳吉; 黄仕磊; 李文洋
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2038-08-30
Also published as: CN108680607A

Abstract

本发明提供基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，本发明首次提出多向电流法，从四个不同方向通入激励电流，得到四组电压比值，根据电极裂纹方向与电压比值的关系，选择最大的电压比值代入深度求解公式，求解得到裂纹的深度。本发明的多向电流法使得裂纹位置与电流极连线的夹角(余角)范围从0‑90度变为67.5‑90度，显著提高了裂纹深度求解的精度。

Description

基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀监测方法

技术领域

本发明属于管道检测技术领域，尤其涉及基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀监测方法。

背景技术

管道腐蚀是油气管线所面临的诸多风险中最危险的一个，70％-90％的管道安全事故由管道腐蚀引发。

目前，常用的管道腐蚀检测技术，包括相对先进的场指纹技术(Field SignatureMethod,FSM)，也只对局部腐蚀(localized corrosion)和均匀腐蚀(general corrosion)的检测精度高；最新提出的交流场指纹法(Alternating Current Field SignatureMethod,ACFSM)，利用多个频率点的测量数据评估腐蚀深度，能够提高裂纹腐蚀的检测精度，但是该方法要求裂纹方向与电流极连线方向的夹角大于45度，不能求解夹角小于45度的裂纹，当前的电流激励电极的连线方向与管道轴向平行，会限制裂纹缺陷的检测范围。

因此，为了满足实际的检测需求，深入研究随机裂纹腐蚀检测技术显得极为必要。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，通过向被测管道施加不同方向的激励电流，使裂纹方向与电流极连线方向的夹角(余角)范围从0-90度变为67.5-90度，可以更精确的检测随机裂纹的腐蚀深度。

本发明采用如下技术方案：

基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，步骤包括：

步骤1.在测试管道的周向上焊接布置若干组测试电极。

步骤2.信号发生器产生激励信号通过功率放大器产生激励电流，从四个不同方向，向输入电极依次通入激励电流，功率放大器的频率可调整，激励电流幅值可调整。

步骤3.用高精度锁相放大器测量无裂纹正常管道的电压，得到正常管道测试电压值并输入计算机，再利用高精度锁相放大器分别在测试管道待测区域测量待测电压，将测量结果输入计算机，得到四组不同的电压比值；

步骤4.根据裂纹方向与电压比值的关系，选择最大的电压比值代入如下深度求解公式，并使用计算机求解：

步骤5.根据计算机显示的结果得出管道裂纹的深度。

进一步的技术方案是，步骤2中，周向上布置的4组测试电极是指，水平方向，竖直方向，对角线方向，其中输入电极与输出电极相对布置，其连线均通过待测试部位。

进一步的技术方案是，步骤3中，利用高精度锁相放大器测试待测区域电压时，输入激励电流的输入电极与输出激励电流的输出电极的连线与测量探针连线测试方向一致。

优选的技术方案是，功率放大器的频率选择59-500Hz，激励电流幅值选择2A。

优选的技术方案是，步骤2中，功率放大器的频率选择100Hz。

本发明的有益效果：

1.本发明首次提出了多向电流法，从四个不同方向通入激励电流，得到四组电压比值，根据电极裂纹方向与电压比值的关系，选择最大的电压比值代入深度求解公式；本发明的多向电流法使得裂纹位置与电流极连线的夹角(余角)范围从0-90度变为67.5-90度，显著提高了裂纹深度和求解精度。

2.本发明由于采用交流电位降技术的原理，所以具有激励电流小、测量灵敏度高、抗干扰能力强等优点。

3.本发明方法与传统的电位降技术ACFSM采用单一的与管道轴线平行激励电流比较而言，本发明方法首次定量求解随机裂纹缺陷的深度，根据仿真和实验数据结果显示，电流流经裂纹缺陷时，裂纹的方向会影响电流场的分布，从而改变测量电极的电压。

附图说明

图1为趋肤电流分布示意图；

图2为表一测试的不同厚度处的电压分布图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)为五种裂纹方向与电极连线的示意图；

图4为不同角度裂纹的比值深度图；

图5为本发明的多向电流测量示意图；

图6为仿真测试两种裂纹缺陷的最大比值深度图。

图7为本发明方法的实验装置图；

图8为金属平板探针布局示意图；

图9为实验平板背部示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

术语解释：

1.1、趋肤效应

在管道中通以不同频率的交流激励电流(AC)，电流分布遵循趋肤效应。趋肤深度δ的计算公式：

上式中μ_r为材料的相对磁导率；μ₀为真空磁导率；σ为材料的电导率；f为激励电流的频率。电流分布示意图如图1所示。

由式(1)可知，施加高频激励电流时，电流集中存在于管道外壁，随着激励电流频率的降低，电流将逐渐向内壁渗透，管道壁中的电流密度J(r)满足公式：

其中，

式中I是角频率为ω的电流幅值；R是管道的外半径；r是径向距离；J₀(kr)是第一类零阶贝塞尔函数，J₁(kR)是第一类一阶贝塞尔函数。

根据电流密度与电压之间的关系，电压值U(r)的表达式为：

式中l是测量电极的间距。

将(3)式中的贝塞尔函数用指数函数近似代替，则电压值幅值可表示为：

测量电极与管道外壁的接触深度d₀＝R-r≈0.5mm，此时通入激励电流后，测量电极测得的电压幅值U可用式(5)表示：

管道壁厚为T，未经腐蚀前测得的原始电压值为U_(d＝0)，管道投入生产后，实际测得的电压值为U_(d)。当管道内壁的腐蚀缺陷极浅时(d≈0)，随着频率的降低始终满足：

U_(d)/U_(d＝0)≈1；

若底部存在深度为d的均匀腐蚀缺陷，则当δ＝T-d后，测得电压值U_(d)保持不变，U_(d)/U_(d＝0)≈m/U_(d＝0)(m为常数)；而当缺陷为裂纹缺陷时，当δ＝T-d后，随着频率降低，缺陷“层”周围的电流还会向下渗透，U_(d)<m，U_(d)/U_(d＝0)<m/U_(d＝0)。

因此裂纹缺陷的U_(d)/U_(d＝0)值可由两种极限情况(无腐蚀缺陷，均匀腐蚀缺陷)下的U_(d)/U_(d＝0)线性叠加近似：

式中a₁,a₂,a₃为与被测材料特性相关的常数。

1.2、多向电流

对长度为400mm，内径为140mm，外径为160mm的管道进行有限元分析，有限元软件为COMSOL Multiphysics 5.0。测量区域位于管道中间，探针间距为20mm，注入电流幅值为2A，缺陷深度为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm。

材料参数见表1：

由公式(3)可知激励电流频率不同时，不同“厚度层”处的电压分布不同，为了保证渗透电流接触到“缺陷层”，需要设定合适的激励电流，以直流时各径向距离处电压(电压等值分布)为基准，通入频率为2.5KHz和500Hz时电压分布，如图2所示。

从图中可以看出，激励电流频率过高，如2.5KH_Z时，电流无法完全渗透管道壁，在这种情况下，渗透电流无法接触到深度浅的“缺陷层”，测得信号不能反映缺陷信息；降低激励电流频率，趋肤深度增加，渗透电流能达到各个深度的“缺陷层”，如频率为500Hz时。

考虑到管道壁厚为10mm，最大趋肤深度为10mm即可，根据公式(1)及表1参数可以计算出此时对应的电流频率为59Hz。

以图3(b)、图3(e)四种位置缺陷为例(

为裂纹方向与电极连线方向的夹角)。

图3(a)为无缺陷管道，此时测得的电压值为U(d＝0,f＝100Hz)，作为原始电压：

将图3(b)-图3(e)四种位置的缺陷在不同深度下测得电压值U_(d)与U_(d＝0)作比，得到的结果如图4所示。

由图4可知，当裂纹方向与电极连线方向的夹角

小于45°时，U_(d)/U_(d＝0)的值与裂纹深度的关系不符合公式(6)，此时U_(d)/U_(d＝0)不能用于求解缺陷深度；

当

大于45°时，

越接近90°，U_(d)/U_(d＝0)的值与裂纹深度的关系越遵循式(6)的指数分布形式，将U_(d)/U_(d＝0)的代入式(6)后计算的裂纹深度越接近实际深度，

为90°时求解精度可以达到97.16％；同时仿真数据也显示处：

越接近90度，U_(d)/U_(d＝0)的值越大。

因此，对于随机裂纹的深度求解问题，利用

越接近90度，测量精度越高的特点，创新性的提出了多向电流法。通过增加三组激励电流，使得

范围从0-90°变为67.5-90度，图5为测量示意图。

同一缺陷在同一频率下可以获得一组表征信号：

取最大的U_(d)/U_(d＝0)值代入公式(6)求解裂纹深度。

2、基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，步骤包括：

步骤1.在测试管道的周向上焊接布置若干组测试电极。

步骤5.根据计算机显示的结果得出管道裂纹的深度。

优选的技术方案是，步骤2中，功率放大器的频率选择100Hz。

3.实施例1.利用一平板模型进行仿真测试

先对平板模型进行精确求解。

平板长220mm，宽220mm，厚度为10mm，测量探针间距为20mm，注入电流幅值为2A，频率为100HZ，详见如图6所示。

缺陷深度为2mm、2.5mm、3mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm，材料参数如下表2：

以0度裂纹缺陷和45度裂纹缺陷为例，二者在上述仿真条件下获得的测量结果为：

取0度缺陷的值做深度拟合，公式为：

45度缺陷用公式(7)计算的结果如上表2所示。

实施例2利用5块铝板做测试

实验材料：5块220mm×220mm×10mm的铝板，整体实验装置如图7-8所示。

在未加工缺陷前，依次由I_in1、I_in2、I_in3、I_in4电极向平板注入2A，100Hz的交流电，如图5，图8所示，用高精密数字锁相放大器SR850分别测量探针对(P₁-P₂)、(P₁-P₃)、(P₂-P₃)、(P₂-P₄)间的原始电压U_1(d＝0)、U_2(d＝0)、U_3(d＝0)、U_4(d＝0)。

接着，在5块平板底部分别刻画出5条裂纹，其中1-3号平板为0度裂纹缺陷，深度分别为2mm、4mm、6mm，宽度均为2mm；4-5号平板为45度裂纹缺陷，深度分布为3mm、5mm，如图9所示。

然后，由I_in1、I_in2、I_in3、I_in4电极，见如图8所示，依次可向平板注入2A电流，59-500Hz交流电，本次实验优选使用100Hz的交流电，测量U_1(d)、U_2(d)、U_3(d)、U_4(d)。

将测得电压与原始电压作比值，得到的结果如下表3所示：

注：U₁₀＝U_1(d＝0),U₂₀＝U_2(d＝0),U₃₀＝U_3(d＝0),U₄₀＝U_4(d＝0)。

将每个深度对应的最大U_(d)/U_(d＝0)值代入公式(7)，结果如下表4所示。

因此，与以往随机位置缺陷不能检测的情况相比，多向电流法能够求解随机裂纹深度。

用公式(7)中电压比值求解深度的方法，可以消除环境干扰，提高了测量系统的抗干扰能力。

结论分析：

传统的电位降技术采用单一的与管道轴线平行激励电流，本发明利用电流与裂纹的夹角

为90度时，测量电压与原始电压比值最大、同时比值与缺陷深度函数特性最好的特点，从四个方向通入交流激励电流，使得

的范围从0-90度变为67.5-90度，选择最大的电压比值计算缺陷深度。

仿真测试的实验数据显示，新的计算方法提高了随机裂纹的检测精度，可以更有效的检测腐蚀情况。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1.在测试管道的周向上焊接布置若干组测试电极，使裂纹方向与电极连线方向的夹角

步骤2.信号发生器产生激励信号通过功率放大器产生激励电流，从四个不同方向，向输入电极依次通入激励电流，功率放大器的频率可调整，激励电流幅值可调整；

未经腐蚀前测得的原始电压值为U_(d＝0)；

管道投入生产后，实际测得的电压值为U_(d)；

步骤5.根据计算机显示的结果得出管道裂纹的深度。

2.根据权利要求1所述的基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，其特征在于，步骤2中，功率放大器的频率选择59-500Hz，激励电流幅值选择2A。

3.根据权利要求2所述的基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，其特征在于，功率放大器的频率选择100Hz。

4.根据权利要求1所述的基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，其特征在于，步骤2中，周向上布置的4组测试电极是指，水平方向，竖直方向，对角线方向，其中输入电极与输出电极相对布置，其连线均通过待测试部位。

5.根据权利要求1所述的基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，其特征在于，步骤3中，利用高精度锁相放大器测试待测区域电压时，输入激励电流的输入电极与输出激励电流的输出电极的连线与测量探针连线测试方向一致。