本文摘要：摘要：針對中國油氣管道中普遍存在的環焊縫缺陷、類裂紋缺陷以及針孔小缺陷檢測能力和識別率較低的難題，通過理論分析、建模仿真、設備研制、現場應用等環節，自主研發了新一代超高清管道漏磁內檢測器。該檢測器實現了探頭通道間距0.6mm，軸向采樣間距1mm，滿足海量數
摘要：針對中國油氣管道中普遍存在的環焊縫缺陷、類裂紋缺陷以及針孔小缺陷檢測能力和識別率較低的難題，通過理論分析、建模仿真、設備研制、現場應用等環節，自主研發了新一代超高清管道漏磁內檢測器。該檢測器實現了探頭通道間距0.6mm，軸向采樣間距1mm，滿足海量數據存儲和采集要求，信號數據采集量增加15倍，并將漏磁檢測、變形檢測及定位檢測集成到同一臺檢測器上，可一次性檢測出各類缺陷，同時對齊腐蝕、變形以及環焊縫缺陷。開發了基于深度學習的智能化識別分析軟件，建立BP神經網絡深度學習模型，實現了缺陷的一體化識別，提高了小孔腐蝕的可檢測能力，可有效識別面積小于1A×1A(A為管道壁厚)的缺陷。初步解決了當前三軸高清漏磁內檢測器無法精確描述和量化小孔腐蝕缺陷、環焊縫缺陷的突出問題，對于打破國外壟斷，提升中國管道完整性技術水平意義重大。
關鍵詞：內檢測;超高清;海量存儲;環焊縫;小孔腐蝕;智能化識別
管道內檢測器是一種集成了檢測、信息采集、處理、存儲等技術的裝置，其技術水平一定程度上代表了一個國家的工業發展水平。1965年，美國Tuboscope公司開發出第1代管道漏磁內檢測器，聚焦于金屬損失檢測。1980年以來，美國西南研究院、加拿大BJ、德國NDT、美國GE(PII)、德國ROSEN等機構相繼開展了油氣管道內檢測技術研究與系列化設備研制，并成功應用于工程服務。
2000年以來，中國科研機構在國家重點研發項目、重大科學儀器研制項目的支撐下，逐步開展了油氣管道內檢測技術的研究及設備的研制，設備在功能、精度等方面與國外的差距進一步縮小，已完成第1代漏磁內檢測器、第2代高精度漏磁內檢測器、第3代三軸高清漏磁內檢測器、第4代三軸高清復合漏磁內檢測器的研制[1-10]，第4代三軸高清復合漏磁內檢測技術將腐蝕數據、變形數據、壓力、速度等數據一體化采集，并在同一平臺上進行分析。
漏磁檢測從勵磁方式上可分為軸向勵磁和環向勵磁，軸向勵磁技術對環向缺陷敏感，環向勵磁對軸向缺陷敏感，中國學者歷經10余年攻關，成功開發出軸向勵磁、環向勵磁、幾何變形、慣性導航(InertialMeasurementUnit，IMU)等管道內檢測技術，實現對管體腐蝕、變形、機械損傷、路由位置的檢測[11-15]。沈陽工業大學與國家管網西部管道公司已聯合研發機械組合式軸向勵磁+環向勵磁技術，目前處于試驗階段，但在信號對齊、裂紋或環焊縫類裂紋缺陷檢測方面仍存在問題[16]。
此外，超聲波檢測技術也是管道內檢測常用方法，通過耦合劑實現傳感器與管壁之間超聲信號的發射和接收，檢測器可在液體管道中運行，不適合在天然氣管道中運行[17-18]。磁巴克豪森噪聲信號在管道應力集中處波動明顯，若將磁巴克豪森技術集成到管道內檢測器上，可實現長距離管道應力內檢測，工程應用前景廣闊[19-21]。
目前，中國內檢測技術在原理應用、精度等方面與國外仍存在一定差距，具體體現在：①中國管道內檢測技術研究起步時間短，檢測器重要部件、關鍵結構尚需加大研究力度，芯片、傳感器以及高精度陀螺亟需實現自主創新;②管道內檢測技術勵磁方式單一，與軸向成45°以下的缺陷無法有效識別與檢測，環向勵磁技術尚處于工程試驗階段，螺旋勵磁沒有開展任何工作;③與國外管道檢測技術工業化差距大，國外在環向勵磁、螺旋勵磁、超聲波裂紋檢測、電磁超聲檢測(ElectromagneticAcousticTransducer，EMAT)方面基本實現常規化，中國50%以上的管道內檢測市場被ROSEN和GE(PII)等國外檢測企業占據。
針對中國管道環焊縫缺陷、類裂紋缺陷以及針孔小缺陷檢測能力不足和識別率不高的難題，研發了新一代超高清亞毫米級管道漏磁內檢測器。通過磁路仿真設計、探頭開發、海量數據采集和存儲，建立基于深度學習的BP神經網絡模型，提高了超高清檢測技術的缺陷量化和識別能力，對推動中國管道內檢測技術發展與工業化意義重大。
1關鍵技術
1.1磁路有限元數值仿真以管徑323mm的管道為例，分別計算壁厚為6.4mm、8.0mm、9.5mm、10.3mm、12.7mm時管道外壁的漏磁場強度。基于磁場分析的有限元仿真方法，建立超高清管道漏磁檢測系統的有限元仿真模型，計算出管壁外部2mm提離時的磁場強度，為管道漏磁檢測系統的開發提供參考。不同的顏色代表不同的材料，其中鐵芯為1J22合金，永磁鐵采用N48釹鐵硼，鋼刷為65Mn，外部包裹的為空氣。給出了有限元計算網格，由于結構的對稱性，選擇二維八節點軸對稱單元PLANE233，包裹空氣的外表面使用了無限單元INFIN110，一共采用了39577個單元和119556個節點。
1.2亞毫米級間距探頭研制
成功研制出字形亞毫米級間距霍爾探頭，實現單個探頭各通道間距達0.6mm。將相鄰的兩個字形探頭正反交錯設置，使得探頭在檢測器中心軸的徑向上形成內外兩排的排布方式，相較于現有技術的單排設計，此設計方式布置的探頭個數明顯增多，排布更加緊湊，相鄰兩個探頭的間隙達到最小，有助于檢測出管道內部針孔型小缺陷，大幅度提高檢測精度。
同時，相鄰的兩個探頭沿檢測器中心軸的徑向保留一定距離，保證檢測器在管道內運行時，探頭具有一定的活動空間，減少因管道壁的擠壓對探測機構造成的損壞。探頭支撐部位設置多個彈性部件，每個探測單元通過一個連接機構與檢測器的中心軸連接。彈簧可提供一定的緩沖力度，提高了連接機構的柔和性，使檢測器過焊道時更加平穩，降低了探測機構受撞擊時的力度，延長了檢測器的使用壽命。
1.3數據分析軟件開發與數據集構建
1.3.1數據采集
數據采集系統的硬件主要包含A/D采樣芯片、現場可編程邏輯門陣列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)、雙口RAM處理器緩存、ARM控制器、NANDFlash存儲器，其特點在于方便實現對數字霍爾磁信號、里程信號、溫度信號等的采集和控制。對于不同類型的檢測信號，其數據采集方式不同，非磁檢測信號(如壓力、溫度等)的數據量小，經信號調理后，直接送入ARM處理器模數轉換端口進行采集，而漏磁檢測信號數據量大，主要由FPGA控制A/D轉換芯片實現多路采集。
1.3.2數據分析軟件開發
對于超高清亞毫米級檢測技術，海量數據的讀取和分析是關鍵，開發了一套數據分析軟件，實現漏磁數據、變形數據以及IMU數據的統一整合與分析。軟件以曲線、灰度、彩色等表現形式呈現出直觀的管道圖像;功能上可實現管道缺陷和焊縫缺陷的識別和量化，并評以、II、III級;可進行檢測數據的對比分析，生成檢測數據的三維地理坐標，識別和量化管道中的凹陷、橢圓化、褶皺等;識別分析管道壁厚的變化，標記管道的三通、閥門、法蘭、彎頭、焊縫等特征。
數據分析軟件采用統一基準利用缺陷特征參數進行缺陷長度、寬度、深度的量化，可進行管道缺陷特征自動辨識和缺陷量化，同時具備靈活的統計、報表及輸出功能，生成三維管道缺陷點分布，輔助完成缺陷自動化、智能化識別，并能實現缺陷等效尺寸的計算和臨界破壞壓力值的分析，實現對缺陷點安全性的評估。
1.3.3檢測數據比較
新一代超高清內檢測數據信號與第4代三軸高清數據信號、第3代高清數據信號相比，在數據密集程度、缺陷像素質量等方面獲得大幅提高。以323mm管道內檢測器為例，第3代內檢測器采用單軸傳感器布設，漏磁通道數量為80個，內外部缺陷識別(InsideOrOutside，IDOD)通道30個;第4代內檢測器采用三軸模擬霍爾傳感器3.0~6.9mm布設，漏磁通道360個，IDOD通道30個，軸向采樣間距2mm;新一代超高清內檢測器采用三軸亞毫米數字霍爾傳感器布設，漏磁通道768個，IDOD通道768個，軸向采樣間距1mm，總通道數1536個，數據顯示的密集度大幅增加。
2工程應用案例
2020年2月，新一代超高清亞毫米級管道內檢測設備在中石化某輸油管道進行了應用。該管道全長105.5km，常規壁厚6.4mm，管道直徑323mm，設計壓力9.5MPa。該設備擁有雙通道，三軸主、副探頭共1536個檢測通道，探頭通道數量是第4代設備的5~6倍;探頭間距為0.6mm，明顯小于行業國際巨頭的1.6mm，軸向采樣間距為1mm，較一般傳統檢測技術的軸向探頭間距3~6.9mm、軸向采樣間距2mm，數據總量提高近15倍，可精準描述管道焊縫缺陷，對于針眼小孔腐蝕的檢測發現具有重要意義。
通過檢測和開挖驗證，可清晰地判斷出環焊縫缺陷的異常等級和焊縫缺陷類別。開挖驗證缺陷為焊縫邊緣余高未填滿，同時可以檢測出針孔缺陷(小于1A×1A，A為壁厚，如果壁厚小于6mm，則按照6mm計算)，以及其他特征(如凹陷等)，缺陷檢測與識別精度大幅提高。
GB/T27699—2011《鋼質管道內檢測技術規范》中規定，金屬損失的類型可以按照其長度和寬度分為均勻金屬損失、坑狀金屬損失、針孔、環向凹溝、環向凹槽、軸向凹溝及軸向凹槽，通過開挖驗證比較分析，檢測器的性能指標與開挖驗證檢測技術指標吻合，此次檢測可信度達到90%，優于80%的預定指標;可檢測率達到95%以上，優于90%的預定指標;缺陷識別率達到98%以上，優于90%的檢測指標。
3結論與建議
(1)突破了超高清漏磁亞毫米級探頭間距難題，將探頭通道數量增加了5~6倍，采集數據量增加15倍，實現亞毫米級通道間距的海量數據采集，基本做到缺陷的精細化描述，解決了油氣管道針眼小面積深度腐蝕的難題。(2)形成了管道超高清漏磁檢測、變形檢測、位置檢測三位一體的復合檢測技術，并在同一時間軸上進行對齊和分析，定位更加準確，可以準確描述幾何變形、金屬損失的復合缺陷。
(3)突破了管道厚壁管磁化的檢測難題，將磁場強度提高到了原來的2~3倍，初步實現了管道小缺陷和環焊縫缺陷的精準檢測;突破了基于海量數據的綜合分析技術，大大增強焊縫的可識別性;通過與開挖數據比對分析，大幅提高焊縫未焊透、未熔合、開口裂紋等缺陷的識別精準度，基本實現焊縫的量化評價。
(4)開發了基于深度學習的智能化內檢測數據分析軟件，建立深度學習的BP神經網絡模型，實現了缺陷一體化、智能化識別，提高了小孔腐蝕的可檢測能力，可有效識別面積小于1A×1A的缺陷，初步解決了當前三軸高清漏磁內檢測器針對小孔腐蝕缺陷和環焊縫缺陷無法實現精確描述和量化的突出問題。(5)不斷豐富超高清數據庫的缺陷數量，提高軟件智能化分析識別能力，在環焊縫量化評價上進一步提高精度。加大管道內檢測新技術的研發，針對現有漏磁場不能檢測的小滲漏、小孔泄漏等，采用聲磁融合理論，開展新型內檢測技術的研究。
參考文獻
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作者：董紹華1,2田中山3賴少川3王同德1宋執武1彭東華1劉冠一1魏昊天1
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