金属管道腐蚀量的电磁法检测

(陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院，西安 710300)

金属管道运输有着高速、便捷、安全等优点。管道在线运营时间长，特别是处于环境恶劣的埋地金属管道易发生腐蚀，从而造成管道内介质泄漏，引发安全事故。目前，针对埋地金属管道腐蚀量的计算方法主要有两种：文献[1]提出通过神经网络算法，找出与金属管道腐蚀量相关的参数建立模型；文献[2]指出建立金属管道电导率和腐蚀量之间的数学关系。两种方法都是借助理论和试验相结合的研究方法总结得出的，为油气运输提供了安全保障。

1 金属管道腐蚀量检测方法

图1 地下金属的电磁检测技术原理示意

地下金属的电磁勘探设备主要由3部分组成：传感器，控制单元和数据分析部分(见图1)。先施加特定的电流信号给传感器，让其在空间形成电磁场，然后电磁场扩散到金属管道表面，形成涡流效应。由电磁感应定律可知，金属管道的壁厚，电导率、磁导率会不同程度地影响其表面涡流的衰减速度。涡流在空间衰减的过程中形成二次磁场，二次磁场信号被接收传感器接收，通过分析和处理，从接收的磁场信号可以得到被检金属的特征参数。该检测技术在时间和空间上都具有可分性，时间上可分是指接收信号和激励信号一前一后没有干扰；空间上可分是指激励频率不同导致一次磁场的能量和穿透力不同[3]。

2 试验方法与数据分析

2.1 试验系统及试件

信号激发源选择瞬变电磁仪(见图2)，可以激发不同电压和频率的信号，电压为-2020 V，频率为1/16～32 Hz。传感器采用自制的线圈，线圈形状为圆形，激励线圈直径为250 mm，漆包线直径为1 mm，匝数为200，检测线圈直径为150 mm，漆包线直径为0.25 mm，匝数为500。采用与管道材料相同的试件，尺寸为50 mm×50 mm(长×宽)，数量为4个，板材厚度分别为5，10，15，20 mm。

图2 检测设备现场

2.2 检测信号分析

通过分别在试件1(d=5 mm)，试件2(d=10 mm)，试件3(d=15 mm)，试件4(d=20 mm)上进行试验(d为厚度)来获取感应电压，经过滤波处理得到感应电压曲线(见图3)，但无法从感应电压曲线中分辨不同厚度信号的差异，需要把笛卡尔坐标系转化成双对数坐标系(见图4)。由图4可知，信号在后期幅值存在较大差异，衰减速度排序为：v5 mm>v10 mm>v15 mm>v20 mm，与之前检测信号理论分析规律吻合。

图3 感应电压曲线(笛卡尔坐标系)

图4 感应电压曲线(双对数坐标系)

2.3 试验步骤及数据分析

为了研究传感器与试件之间的垂直高度(也称提离高度)对检测数据的影响规律，笔者合理设计试验步骤和装置，检测原理如图5所示。从试件1，试件2，试件3，试件4在提离高度分别为0，50，100，150，200 mm情况下得到的检测数据中，每组选择相邻5个数据，采用y=Aekx函数进行拟合处理(y为感应电压，A为信号幅值，k为衰减率，x为时间)，对比选择出每组数据中衰减率的最大值,以此作为评价依据，得到的检测数据如表1所示。通过对比分析可知：当提离高度H小于100 mm时，检测信号衰减率基本相同，只是幅值发生变化，提离高度越小，信号幅值越大；当提离高度H大于100 mm时，衰减率变化较大，这是因为激励线圈有效响应面积大于试件表面积，形成的涡流不均匀。对于厚度为20 mm的试件，信号衰减率忽大忽小，无法分辨规律。说明对于厚度超过20 mm的试件，该传感器的检测结果可信度低。

图5 提离高度检测原理示意

厚度/mm提离高度/mm幅值/T衰减率00.109 4-0.211 6500.029 6-0.210 2d=51000.009 6-0.219 21500.004 0-0.235 32000.001 7-0.235 500.008 1-0.048 1500.002 1-0.048 2d=101000.001 3-0.048 41500.000 5-0.067 72000.000 2-0.048 800.001 7-0.018 0500.000 5-0.018 1d=151000.000 2-0.018 31500.000 1-0.025 32000.006 3-0.079 600.000 3-0.008 0500.000 2-0.011 3d=201000.000 1-0.005 71500.005 4-0.002 32009.682 4-95.325

3 基于斜率特征量的测厚算法

综上数据分析可知，由于在金属管道表面产生的涡流信号过于微弱，后期幅值达到微伏或者毫伏级别，不同厚度的检测信号在笛卡尔坐标系中无法分别出规律，只有经过坐标变换，在双对数坐标系下才能看出结果与理论相符。对于同一提离高度下，试验设备、参数及环境一致，唯一影响信号变化的只有试件厚度，因此该衰减率与试件厚度存在某种函数关系[4-5]。

基于检测信号衰减率评价埋地金属管道壁厚腐蚀量的方法如下所述。

(1) 提取同一种材料、不同厚度试件的感应电压信号，选择合适的数据区间，采用y=Aekx函数进行拟合处理，得到信号衰减率。

(2) 绘制厚度和其对应的衰减率坐标点，利用ORIGIN软件拟合，选择可信程度最高的函数，进一步得到厚度与衰减率之间的数学模型。

(3) 取同一种材料的其他未知厚度的试件，提取衰减斜率，代入数学模型反演出与之对应的试件厚度，并通过超声测量未知试件的厚度,与反演出的值进行对比，如果相对误差不超过5%，则说明该算法可行。

在提离高度为50 mm的情况下，绘制试件1，试件2，试件3的检测数据坐标点(斜率为横坐标，试件厚度为纵坐标)，经过反复多次选择和对比，最终得出用幂函数进行拟合。采用相同的方法对提离高度为0，100 mm的情况进行数据处理。拟合结果表明：在有效的提离高度下，拟合方程均为y=2.589 5·x-0.439，决定系数R2=0.997 59，不仅拟合方程和实际符合程度高，而且可信度高。

在提离高度为50 mm的情况下，对3个试件的检测数据进行处理，得到衰减率，代入上述拟合公式，反演计算出理论厚度，再通过超声测厚仪对试件厚度进行实际测量，结果如表2所示。

表2 提离高度为50 mm的理论厚度与实际厚度对比

结果表明：信号衰减率与厚度存在一一对应的关系，通过上述方法得到的金属管道壁厚理论值和实际值相差很小，相对误差不大于5%，满足精度要求。

4 结语

通过搭建试验平台，以不同厚度的钢板为试件，提取同一提离高度下不同厚度试件的衰减斜率，进行数据拟合，得到拟合公式，最后验证该算法的准确性。结果表明，该算法可以把检测精度控制在5%内，且不受提离高度的影响。