阅读说明：本技术 一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置和扫查方法 (Ferromagnetic material wall thickness defect scanning device and method ) 是由 向安 来园凯 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置和扫查方法,本发明所述装置包括中低频电磁涡流主机、带增量式计步器或打点式计步器的传感器总成、数据处理终端及电缆等。中低频电磁涡流主机对传感器总成发出信号并接收反馈信号,接收到的反馈信号经蓝牙或电缆传输到数据处理终端,数据处理终端利用针对铁磁性材料信号处理的特殊算法,在无需拆除包覆层和无需进行表面处理的情况下,实现对铁磁性材料管道或设备的连续扫查,并实现对缺陷的半定量计算。本发明适合在役铁磁性管线和设备腐蚀缺陷的检测,可快速发现和定位安全隐患位置,检测精度高、速度快,并可以穿透保温层和保护层对管道或设备的壁厚进行检测,是良好的无损检测方法。(The invention discloses a ferromagnetic material wall thickness defect scanning device and a ferromagnetic material wall thickness defect scanning method. The medium-low frequency electromagnetic eddy current host sends signals to the sensor assembly and receives the feedback signals, the received feedback signals are transmitted to the data processing terminal through Bluetooth or a cable, the data processing terminal utilizes a special algorithm aiming at ferromagnetic material signal processing, continuous scanning of ferromagnetic material pipelines or equipment is achieved under the condition that a coating layer does not need to be removed and surface processing does not need to be carried out, and semi-quantitative calculation of defects is achieved. The method is suitable for detecting corrosion defects of in-service ferromagnetic pipelines and equipment, can quickly find and position potential safety hazard positions, has high detection precision and high speed, can penetrate through the heat-insulating layer and the protective layer to detect the wall thickness of the pipeline or the equipment, and is a good nondestructive detection method.)

一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置和扫查方法

技术领域

本发明属于针对基础化工和石油炼化行业铁磁性管道和设备的无损检测领域，具体是一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置和扫查方法。

背景技术

基础化工和石油炼化装置运行过程中，通常采用铁磁性材料作为管线和设备的材料。出于保温、防潮等需求，这些管线和设备往往覆盖绝热层和保护层。这些管线和设备在役（在线）工作时，承受着气体或液体的高压，处于比较恶劣的工作环境中运行，长期处于高温、高压和腐蚀的环境中，容易发生腐蚀形成缺陷，并将引起严重的后果。因此，对重点高腐蚀风险的管线和设备壁厚减薄状态进行监控非常必要，现有的管线和设备壁厚测量方法一般采用传统的超声波测厚仪进行定点测量。

由于超声波测厚仪一方面只能进行定点测厚，无法实现连续扫查，容易出现漏检或不能检测到缺陷最严重的区域；另一方面，采用超声波测厚需要对包覆层（包括保温层和保护层）进行拆除、也需要对金属表面进行处理、检测过程中需要采用耦合剂、检测完成后需要恢复包覆层，这样一是检测时间长、成本高，二是由于拆除和恢复包覆层及金属表面处理容易对管线和设备造成二次损伤。因此，需要一种无需拆除包覆层、无需对管线表面进行处理，可以实现连续扫查的检测方法。作为涡流检测技术的分支，脉冲涡流检测技术采用方波或阶跃方式激励，包含丰富的频率成分，属于非接触式的无损检测方法，可以在不拆除包覆层的情况下对管线和壁厚缺陷进行连续扫查。

现有已公开的脉冲涡流检测技术一般采用差分峰值、差分峰值时间、过零点、提离交叉点、拐点、拐点时间和晚期信号衰减率等作为壁厚检测的特征值，其中：差分峰值、差分峰值时间、过零点和提离交叉点更多用于非铁磁性材料的壁厚检测，拐点、拐点时间和晚期信号衰减率可用于铁磁性材料的壁厚检测。

脉冲涡流在铁磁性材料的传递过程中其感应电压会随时间变化而衰减，其衰减规律前期符合幂函数关系，后期符合指数函数关系，因此，存在一个由幂函数关系转变到指数函数关系的拐点；壁厚越厚，该拐点的感应电压值越大、拐点出现的时间也越晚，且拐点处感应电压值或拐点时间与壁厚存在一定的函数关系，所以，可以以拐点处感应电压值或拐点时间作为脉冲涡流壁厚检测的特征值；但在现场应用中，该拐点会受到提离高度和环境干扰的影响，其检测效果往往存在较大波动。晚期信号衰减率或晚期信号斜率也是脉冲涡流检测铁磁性材料的特征值，其受提离高度和环境干扰的影响较小，但其计算方法相对复杂，计算速度慢，确定信号衰减率或信号斜率的区间较为困难。

发明内容

本发明为了解决上述的技术问题，而提供一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置和扫查方法。

本发明是按照以下技术方案实现的：

一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查方法，包括如下步骤：

S1：根据待测管道的材质、管径、是否带包覆层、包覆层厚度等选择合适的传感器总成；

S2：根据待测管道的材质、壁厚、是否带包覆层、包覆层厚度及步骤S1中选择的传感器总成选择合适的激励电磁信号，电磁信号的频率介于1-32HZ，电压值介于2-20V之间；

S3：将步骤S1中选择的传感器总成置于待测管道的外表面或包覆层外表面，采用中低频电磁发生系统发出步骤S2中选择的电磁信号，连续移动传感器总成，采集待测管道的检测信号，该检测信号包含电磁在传导过程中产生的随时间衰减的感应电压值和计步定位值；

S4：步骤S2中的检测信号经中低频电磁发生系统预处理后通过蓝牙或电缆传输至数据处理终端；

S5：数据处理终端对数据进行批量处理并提取与壁厚相关的特征值，其步骤包括：

S5.1，数据处理终端接收到的经预处理的每个检测位置数据包括按时间分布的20-31个时窗；每个时窗包括响应时间T及对应感应电压值V；去除前0-5个时窗；

S5.2，计算剩余各时窗的响应时间T和感应电压V的自然对数值；

S5.3，计算每相邻两组或三组时窗的响应时间T和感应电压V的自然对数值的拟合直线的斜率K值；

S5.4，对比步骤S5.3中所获得的斜率K值，选取最大K值Kmax；

S5.5，选取Kmax对应的最后一个时窗所对应的响应时间T及感应电压V，选取该时窗及前三个时窗的数据作为选择区间；

S5.6，计算选择区间四个时窗的“响应时间T，感应电压V的自然对数值”拟合直线的斜率，并对斜率求绝对值，该斜率绝对值即为特征值S；

S6：利用步骤S5中得到的特征值S计算铁磁性材料的壁厚值，其步骤包括：

S6.1，对不同壁厚的标准试块进行测量，获得对应已知壁厚值的一组特征值；

S6.2，通过步骤S6.1中的已知壁厚值和特征值拟合得到壁厚与特征值的关系式；

S6.3，将步骤S5.5中得到的特征值带入步骤S6.2中的关系式中即可得到对应位置的壁厚值；

S7：利用超声波测厚仪获得待测管道某点壁厚值，并与步骤S6.3中获得的壁厚值进行比较，获得校准系数；

S8：显示检测位置与壁厚的实时成像结果。

一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置，包括中低频电磁涡流主机、传感器总成、数据处理终端及电缆，所述中低频电磁涡流主机用于将电磁信号发射给传感器总成，并接收反馈信号；传感器总成用于采集待测铁磁性管线或设备检测部位的检测信号，并将检测信号通过中低频电磁涡流主机发送给数据处理终端；数据处理终端，用于对检测信号进行处理并提取检测信号中与铁磁性管道或设备壁厚的特征值以及显示铁磁性管道或设备壁厚值的实时成像结果。

所述数据处理终端为包含数据处理模块和显示模块的普通电脑或平板电脑系统，数据处理终端通过蓝牙或电缆与中低频电磁涡流主机连接。

所述中低频电磁涡流主机中设有电磁信号发射模块、信号采集模块及信号预处理模块。

所述传感器总成与中低频电磁涡流主机通过电缆连接，数据处理终端与主机通过蓝牙或电缆连接。

所述传感器总成由发射线圈、接收线圈和计步器组成，所述计步器为增量式计步器或打点式计步器；传感器总成置于待测管道外表面或包覆层外表面并连续移动；所述计步器用于对检测位置进行定位。

本发明具有的优点和有益效果是：

本发明公开了一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置和扫查方法；其中，扫查装置在无需拆除包括保温层和保护层在内的包覆层且无需进行表面处理的情况下，实现对铁磁性管线和设备壁厚的连续扫查，可适用不同管径的检测要求，可在500℃温度下实现铁磁性管线或设备内外部腐蚀缺陷的快速扫查。该套系统结合传感器总成中的打点计步装置，可大致确定缺陷的所在位置，实现快速、直接、准确的定位铁磁性材料管线和设备中的腐蚀缺陷位置。而扫查方法与原有的方法（算法）相比，计算时间更短，方法复杂度更低。

附图说明

图1是本铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置系统结构示意图；

图2是双对数坐标系下各壁厚检测曲线的表现形式示意图；

图3是不同壁厚检测数据双对数斜率形成的曲线示意图；

图4是标准壁厚拟合曲线及公式；

图5是壁厚测量结果图像的示例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的说明。

如图1-5所示，一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查方法，包括如下步骤：

S1：根据待测管道的材质、管径、是否带包覆层、包覆层厚度等选择合适的传感器总成；

S2：根据待测管道的材质、壁厚、是否带包覆层、包覆层厚度及步骤S1中选择的传感器总成选择合适的激励电磁信号，电磁信号的频率介于1-32HZ，电压值介于2-20V之间；

S3：将步骤S1中选择的传感器总成置于待测管道的外表面（或包覆层外表面），采用中低频电磁发生系统发出步骤S2中选择的电磁信号，连续移动传感器总成，采集待测管道的检测信号，该检测信号包含电磁在传导过程中产生的随时间衰减的感应电压值和计步定位值；

S4：步骤S2中的检测信号经中低频电磁发生系统预处理后通过蓝牙或电缆传输至数据处理终端；

S5：数据处理终端对数据进行批量处理并提取与壁厚相关的特征值，其步骤包括：

S5.1，数据处理终端接收到的经预处理的每个检测位置数据包括按时间分布的20-31个时窗（每个时窗包括响应时间T及对应感应电压值V），去除前0-5个时窗；

S5.2，计算剩余各时窗的“ln(响应时间T)、ln（感应电压V）”；

S5.3，计算每相邻两组或三组时窗“ln(响应时间T)、ln（感应电压V）”拟合直线的斜率K值；

S5.4，对比步骤S5.3中所获得的斜率K值，选取最大K值Kmax；

S5.5，选取Kmax对应的最后一个时窗所对应的响应时间T及感应电压V，选取该时窗及前三个时窗的数据作为选择区间；

S5.6，计算选择区间四个时窗的“响应时间T，ln（感应电压V）”拟合直线的斜率，并对斜率求绝对值，该斜率绝对值即为特征值S；

S6：利用步骤S5中得到的特征值S计算铁磁性材料的壁厚值，其步骤包括：

S6.1，对不同壁厚的标准试块进行测量，获得对应已知壁厚值的一组特征值；

S6.2，通过步骤S6.1中的已知壁厚值和特征值拟合得到壁厚与特征值的关系式；

S6.3，将步骤S5.5中得到的特征值带入步骤S6.2中的关系式中即可得到对应位置的壁厚值；

S7：利用超声波测厚仪获得待测管道某点壁厚值，并与步骤S6.3中获得的壁厚值进行比较，获得校准系数；

S8：显示检测位置与壁厚的实时成像结果。

一种铁磁性材料壁厚缺陷扫查装置，包括中低频电磁涡流主机、传感器总成、数据处理终端及电缆，所述中低频电磁涡流主机用于将电磁信号发射给传感器总成，并接收反馈信号；传感器总成用于采集待测铁磁性管线或设备检测部位的检测信号，并将检测信号通过中低频电磁涡流主机发送给数据处理终端；数据处理终端，用于对检测信号进行处理并提取检测信号中与铁磁性管道或设备壁厚的特征值以及显示铁磁性管道或设备壁厚值的实时成像结果。

所述数据处理终端为包含数据处理模块和显示模块的普通电脑或平板电脑系统，数据处理终端通过蓝牙或电缆与中低频电磁涡流主机连接。

所述中低频电磁涡流主机中设有电磁信号发射模块、信号采集模块及信号预处理模块。

所述传感器总成与中低频电磁涡流主机通过电缆连接，数据处理终端与主机通过蓝牙或电缆连接。

所述传感器总成由发射线圈、接收线圈和计步器组成，所述计步器为增量式计步器或打点式计步器；传感器总成置于待测管道外表面或包覆层外表面并连续移动；所述计步器用于对检测位置进行定位。

该方法基于的原理如下：

图3是双对数坐标系下不同壁厚的铁磁性材料（2/4/6/8mm）的脉冲涡流检测曲线图，其中黑色曲线为空测曲线。幂函数在双对数坐标系中表现为直线，指数函数在双对数坐标系中仍表现为曲线。从图3中可以看到，空测数据满足幂函数关系，即脉冲涡流信号在空气中的衰减规律满足幂函数关系。从图3中可以看出，脉冲涡流信号在穿透不同厚度的铁磁性材料时可以分为三个阶段，第一阶段满足幂函数关系，且不同壁厚的信号曲线基本重叠；第二阶段满足指数函数关系，壁厚越厚越晚出现第二阶段；第三阶段满足幂函数规律，且与空测曲线重叠，说明第二阶段到第三阶段的过渡位置为信号穿透铁磁性材料的过渡点；该过渡点在双对数坐标系中表现为斜率变化最大的点。与前文提到的拐点类似，该过渡点的感应电压值、时间及相邻点间的斜率都与壁厚值有一定关系，可以作为脉冲涡流检测方法计算壁厚的特征值。过渡点在双对数坐标系中表现为斜率变化最大的点，如图4，本专利通过求各检测点相邻两感应电压值间双对数斜率最大值来计算特征值所在位置。在脉冲涡流信号穿透铁磁性材料的过程中，第二阶段满足指数函数关系，而指数函数在单对数坐标系中表现为直线，且不同壁厚的铁磁性材料第二阶段的斜率不同，且与壁厚由满足幂函数关系，本专利以第二阶段的斜率作为特征值。通过求得的特征值位置，即可求该位置前几个感应电压值在单对数坐标系中的斜率值，即特征值；通过该特征值与壁厚关系即可求得铁磁性材料的壁厚。

实施例

壁厚与特征值关系的获取方法是：选择30mm传感器总成，发生电磁信号频率选择2HZ、电压选择5V；将传感器总成分别放置于2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm标准20#钢试块表面，并进行定点测量，获得特征值分别为：0.7619、0.2108、0.0999、0.0541、0.0375、0.0263、0.0196、0.0165。将八组标准壁厚值与对应特征值进行拟合，得到壁厚与特征值的关系式，如图5所示。20#钢壁厚与特征值关系为：D=1.7281*S^-0.535，其中D为壁厚，S为特征值。

下面结合一个具体实例进一步说明：

某化工装置入口管线，外径为219mm，壁厚为8.1mm，材质为20#钢，运 行温度为45℃，管线长度为0.8米，按以下步骤进行检测：

(1)选择30mm传感器总成，发生电磁信号频率为2HZ，电压选择5V；

(2)将传感器总成放置于管线外表面，并用数据处理终端控制中低频电磁 发生系统发出电磁信号，将传感器总成沿管线待测区域平缓移动，直到0.8m检 测区域结束；

(3)在数据处理终端显示屏上显示检测位置与对应壁厚的实时图像。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。