基于磁各向异性的管壁应力集中区域检测方法

针对应力集中导致管壁发生屈服失效的问题,提出了利用磁各向异性检测管壁应力集中区域的方法。从能量角度出发,研究了应力导致管壁产生磁各向异性的机理,建立了管壁当量应力与磁各向异性探头输出电压信号的数学模型,通过计算管壁的当量应力判断其是否发生屈服失效,搭建了应力检测实验平台。实验结果表明,应力会导致管壁产生磁各向异性,磁各向异性检测方法能够检测出管壁当量应力的变化趋势和主应力方向所在延长线的角度,进而判断管壁是否产生应力集中区域。

磁层析成像管道检测信号空间传递过程的能量变化

磁层析成像管道检测方法已经被广泛应用于埋地和海底管道的无损外检测。该方法基于金属磁记忆原理,通过在管道外测量空间磁场分布中的异常情况来判别应力集中区的危险等级和位置。为了研究磁层析成像法管道检测信号在空间中的分布特征和传递规律,对磁化管道的应力集中区空间磁记忆信号的能量分布和变化规律进行了研究。利用磁偶极子场建立管道内壁应力集中区磁场模型,基于磁能理论对管道外不同提离空间磁记忆信号的磁场能量和磁能密度进行有限元计算,得出空间磁场的分布规律,分析了不同提离磁信号磁能密度之间的相关性。结果表明,管道外空气中的磁场能量随着提离值的增加而衰减,在管道外壁至提离值小于50 mm时衰减最快;管道外磁层析成像法检测的磁信号与管道内壁应力集中区信号同源。从理论上解释了磁层析成像管道检测的有效性,为从检测数据中提取有效信号提供了理论依据。

基于管道漏磁内检测的缺陷解析方法

为了更准确地分析管道内壁常见的腐蚀孔洞缺陷,采用三维圆锥模型模拟腐蚀孔洞缺陷,提出一种基于管道漏磁内检测的圆锥缺陷解析方法。以磁荷为纽带建立圆锥缺陷解析模型,得到了缺陷处漏磁场的解析表达式;分析了缺陷深度和半径对缺陷漏磁信号的影响规律,并通过有限元仿真对理论计算结果进行了验证。结果表明,建立的圆锥缺陷解析模型计算结果与仿真分析得到的圆锥缺陷漏磁场分布具有很好的一致性,漏磁信号幅值与圆锥缺陷深度呈正相关,与圆锥缺陷半径、提离值呈负相关,所建模型可有效描述管道内壁腐蚀孔洞的漏磁场分布,为解决管道漏磁内检测问题提供了一种新思路。

基于有限元法的磁层析成像管道应力集中区磁场检测研究

为了解释磁层析成像法测量的磁信号与应力集中区之间的定量关系,提出了基于磁偶极子理论的应力集中区磁场空间传递模型,利用有限元方法计算和分析管道不同位置的应力集中区磁场信号分析形态。设计了实验平台,对含有应力集中区的钢管进行测量,验证了模型分析方法的可行性。结果表明:磁层析成像法能够检测位于管道任意部位的应力集中区磁场,管外空间畸变磁场形态和趋势与应力集中区磁场一致。随着提离值的增加,管外的磁信号强度发生指数性衰减,也说明采用该方法检测位于管道顶部的应力集中区准确率更高。

基于平衡电磁技术的钢板表面裂纹深度检测方法

针对钢板表面横纵两方向裂纹深度的检测问题,提出了基于平衡电磁技术的检测方法。通过电磁场分析建立了平衡电磁技术检测横纵裂纹的感应电压模型,并理论分析了检测电压的变化趋势;采用有限元方式分析了平衡电磁技术检测电压与裂纹深度的具体变化规律。通过设计等间距采样的平衡电磁技术检测平台,对钢板表面1~6 mm深的横纵向裂纹进行检测能力验证实验。结果表明:随着横纵向裂纹深度的增加,检测电压幅值线性增大;相同深度的横向裂纹检测电压幅值约为纵向裂纹检测幅值的2倍;该方法具备对钢板表面横纵向裂纹深度定量检测的能力。

基于多尺度特征的管道环焊缝定位方法研究

环焊缝是管道检测数据分析的重要参照物,可用于修正里程轮的累积误差,因此,标定环焊缝是管道漏磁内检测数据分析的必要环节。本文结合漏磁数据的特征和环焊缝在管壁上的空间分布特征,提出一种具有多尺度感受野的轻量化卷积神经网络模型。模型利用具有单传感器感受野的轴向一维卷积和具有周向全局感受野的周向环形卷积,使得环焊缝特征得到了有效提取。借鉴标签平滑的思想,对样本标签进行了增广设计。此外,对损失函数、激活函数也进行了优化设计,最终实现对环焊缝的智能定位。最后,从多种管径的在役管道检测数据中收集了5676个样本,对模型进行了训练和评估。实验结果显示,模型具有较好收敛稳定性,在测试集上的精度达到了93.90%,召回率达到了94.79%。此外,利用未参与模型训练的Φ610管道漏磁内检测数据,对模型进行了应用测试,模型同样表现出了较好的鲁棒性,其F1值达到了0.93,说明模型具有较好的泛化能力,具备一定的工程应用价值。

基于双磁场管道复合型缺陷应力信号提取方法研究

缺陷和应力共同存在的复合型缺陷是影响管道安全运行的重要因素之一。双磁场管道内检测法可用于复合型缺陷处应力损伤程度判断,但应力信号提取方法亟待解决。本文将J-A理论中的磁力学关系引入磁荷模型中,解析计算了不同应力、外磁场下复合型缺陷磁信号,建立基于双磁场信号比值的复合型缺陷应力信号提取模型,提出比值因子用于缺陷处应力水平的评估,并进行了系统的实验验证。研究结果表明,强磁信号对缺陷处应力大小不敏感,信号主要包括缺陷尺寸信息;弱磁信号对缺陷处应力大小敏感,信号包括缺陷尺寸信息和缺陷处应力信息。提出的比值因子可反映缺陷处应力情况,弱磁场强度较低时,比值因子随缺陷处应力的平均变化率大于9%,随着弱磁场强度的增加,比值因子随应力变化幅度变小。

一种面向管道缺陷检测的漏磁数据增强方法

大规模标注数据集是深度学习模型应用的前提。由于油气管道的特殊性,短时间内较难建立具有良好标注信息的大规模数据集。文中提出一种基于漏磁场物理学模型的漏磁数据增强方法。首先,利用三维磁偶极子模型生成各种尺寸缺陷漏磁场法向分量、切向分量和周向分量的仿真数据,并与在役管道检测数据进行随机融合,实现缺陷样本数据的扩充。最后,基于只包含仿真缺陷的样本,对YOLOX-Tiny、-S和-M 3个版本分别进行了100轮训练,再利用真实缺陷样本进行测试。实验结果表明:所扩充的样本数据能够使模型收敛,其中Tiny和S版本的平均精度可稳定在40%左右,间接地说明了所扩充的样本与真实管道缺陷具有一定的相似性,所提数据增强方法具有一定的有效性。

基于磁弹效应的管道弯曲应力检测方法

为解决油气管道弯曲应力难以测量而带来的管道变形与屈曲问题,提出了基于磁弹效应的弯曲应力检测方法。首先建立磁弹性应力检测模型,分析磁弹性传感器检测回路中的磁路与阻抗特征关系;其次对弯曲作用下材料内部的应力分布进行研究;最后开展不同情况下Q235钢板弯曲过程中,阻抗随应力变化情况的试验。结果表明,钢板表面阻抗随应力增加呈明显下降趋势,一定应力范围内阻抗与应力具有近似线性的对应关系,距离受力区域一定范围内仍能检测到阻抗随应力的变化。该方法可对管道弯曲应力进行有效检测,试验结果和理论分析具有很好的一致性。

基于磁记忆管道应力检测信号仿真和实验研究

为了研究应力对磁记忆信号的影响,建立了力磁耦合模型,利用磁导率作为中间量建立磁记忆信号和应力之间的耦合关系。利用有限元法仿真了管道在不同管径、不同壁厚以及不同内压情况下应力集中区的磁记忆信号特征的影响规律,进行了不同内压下磁记忆信号采集实验。研究结果表明:管道的壁厚、管径以及内压都会影响应力集中区的应力,进而使得磁记忆信号发生了变化。

铝板材电磁超声检测中波的产生与传播过程分析

针对电磁超声波如何在非铁磁性金属板中产生的问题,研究了铝板中电磁超声波的产生和传播机理。利用有限元分析软件对铝板受偏置磁场作用,铝板内感生出涡流,在涡流的作用下产生洛伦兹力,最后在该洛伦兹力的作用下铝板内的质点发生位移形成电磁超声波的4个过程进行了仿真。仿真结果表明,通有高频电流的线圈正下方会感生出交变的涡流;在平行于铝板表面的静电场作用下,铝板表面上的质点受到垂直于其表面的洛伦兹力作用;板内质点在此垂直力的作用下振动产生电磁超声波;查看质点各个方向位移的变化直观地看出电磁超声波的衰减很大。最后通过对单个质点位移的仿真分析得出了质点位移最大的方向。

长输油气管道漏磁内检测技术

长输油气管道在油气能源运输中发挥着关键作用,被称为"能源血脉"。为保证管道的安全有效运行,应定期对管道进行检测。管道漏磁内检测技术是目前国内外长输油气管道内检测领域普遍应用的检测技术,该技术以管道管体已形成的体积缺陷为检测目的,可以准确检测出缺陷面积、程度、方位等信息。对油气管道漏磁内检测技术原理和影响因素等进行归纳总结,阐述了管道漏磁内检测中轴向励磁和周向励磁等关键技术的国内外研究现状,对国内外漏磁内检测器的检测能力进行对比,介绍了漏磁信号的处理方法及管道的完整性评价技术,最后提出了管道漏磁内检测行业的未来展望。

高速漏磁检测饱和场建立过程及影响因素研究

在高速漏磁检测过程中,随着检测速度增加,有效磁化时间减少,导致被测构件饱和场无法建立,影响磁化效果。采用方波激励模拟外磁场瞬变情况,建立瞬磁场作用下钢管内部磁场响应模型,对钢管内部饱和场建立过程及影响因素进行研究;分析高速漏磁检测时缺陷漏磁场特征,利用有限元方法计算磁场强度和钢管材质对磁化滞后时间及缺陷检测的影响;设计高速漏磁检测实验平台,对不同运行速度和不同外磁场强度下钢管缺陷进行实验研究。结果表明,外磁场瞬变时,钢管内壁中心磁场明显滞后于外磁场,钢管内部饱和场建立时间与磁场强度和材料电导率有关,提高外磁场强度,可快速建立饱和场,减弱磁化滞后时间和涡流效应影响,提升缺陷检测效果和漏磁检测速度,实验结果和理论分析具有很好的一致性。

管道地理坐标内检测的里程校正算法

利用管道清管器(pipeline cleaner,PIG)搭载捷联惯导(strap down intertial navigation system,SINS)器件实现管道地理坐标的定期测量。SINS计算的结果发散是测量系统实用化的瓶颈,为此将PIG里程校正的卡尔曼(Kalman)滤波方法应用于管道地理坐标测量中。根据管道内检测环境的需要选择霍尔式里程轮和采用微机电系统(micro-electromechanical systems,MEMS)的惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU);针对MEMS器件精度较低的问题,利用分离滤波方法减小信号的零偏噪声,使惯性信号满足Kalman滤波的需要;建立了9维状态误差的数学模型,将里程轮的速度与SINS计算的速度之差作为观测量,通过Kalman滤波对管道定位的状态误差进行估计和补偿;搭建实验装置进行实验验证。结果表明,校正算法解决了计算结果发散的问题,检测160 m长度的管道精度达到3.8%,具有一定的实用性。

管道内检测导航定位技术

针对管道内检测器在管道运行中的定位问题,提出了一种利用导航定位系统进行管道内检测器定位的辅助方法.当管道内检测器进行管道检测时,在管道内检测器上加装惯性导航器件(IMU)构成导航定位系统,将获得的导航定位信息和速度修正信息存储在存储器中.利用导航算法对数据进行处理,采用卡尔曼滤波器对误差进行修正,分析得出管道内检测器的姿态变化和位置变化信息.实验结果表明,通过计算能够获得实验模型运行的姿态变化信息,描绘出实验模型的行进轨迹,分析出实验模型对于初始位置的地理坐标变化情况,为工程实验提供了更多的参考信息.

管道漏磁检测缺陷识别技术

针对神经网络法对管道缺陷进行识别存在所需样本数据量大、容易陷入局部极值、泛化能力没有保证等问题,提出一种新的机器学习方法,即支持向量机法.介绍了支持向量机的分析原理,以碗状缺陷为例,采用ANSYS有限元分析软件对40组不同尺寸的缺陷进行仿真,将得到的40组漏磁数据和10组实测数据作为学习样本,另外10组新数据作为验证数据,以MATLAB软件为平台进行了识别实验.实验结果表明,识别误差均在5%以下,且泛化能力强,识别方法简单,在有限样本情况下比神经网络法更具优势.

超声波在管道防腐层剥离内检测中的传播特性研究

针对在役石油输送管道防腐层剥离致使管道存在安全隐患的问题,提出了基于超声波技术的管道内检测防腐层剥离方法,进行了超声波在单、双层介质中传播特性的研究。选择不同中心频率、不同K值的压电超声斜探头对单、双层介质进行超声检测对比实验,对超声回波信号进行数据对比分析。结果表明,在收发探头间距一定时,超声波的入射角度越小,接收到的信号能量越大,峰值比例系数也越大;超声波的激励频率越大,接收到的信号能量越小,峰值比例系数越大。提出了一种适用于防腐层剥离管道内检测的探头选取方法,针对本实验的被检对象,采用5 MHz、K1探头进行检测时,效果最佳,这为采用超声波进行管道防腐层剥离内检测的工程实现提供了理论依据。

低频电磁的管道内检测器跟踪定位技术

针对管道内检测器在运行过程中的跟踪定位问题,提出了基于低频电磁的管道内检测器跟踪定位方法,分析了低频磁信号传播特性和发射线圈磁场分布特点,设计了搭载在管道内检测器上的低频磁信号发射机和手持式低频磁信号接收机.采用高磁导率坡莫合金管作为发射线圈磁芯,减少了涡流损耗,采用串联谐振提高了发射效率;设计感应式接收线圈,通过并联谐振提高了信号接收范围和信噪比.结果表明,该跟踪定位系统具有良好的稳定性和可靠性,接收信号具有对称特性.在实际工程应用中,该系统有效定位距离可达8 m,提高了管道内检测器跟踪定位范围.

基于密度泛函理论的磁记忆信号产生机理研究

与传统的无损检测技术相比,金属磁记忆方法对铁磁材料早期损伤的诊断更为有效。为了研究磁记忆自发漏磁信号的产生机理,采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势算法建立了磁力学模型,在此基础上,通过计算晶格结构、原子磁矩、系统能量与力的定量变化关系来研究力对材料磁性能的影响,进而分析力与磁记忆自发漏磁信号的关系。研究结果表明:外部载荷作用导致晶格畸变是磁记忆信号产生的根本原因,并且流水静压力导致的晶格畸变比正压力导致的晶格畸变对自发漏磁信号的影响要大;常温下理论计算得到的磁记忆信号随压力增加而线性变化的规律与实验结果具有很好的一致性。

油气管道特殊部件的漏磁检测信号特征分析

针对油气管道特殊部件的结构特点,分析了管道磁化后产生的磁场特征.基于管道漏磁内检测原理及麦克斯韦方程,采用Comsol有限元仿真软件对管道特殊部件与缺陷进行仿真,以漏磁信号轴向分量B_x所占的通道个数、B_x正负峰值出现的先后顺序、B_x幅值以及轴向长度作为分析判别管道特殊部件与缺陷的依据,对管道特殊部件上存在缺陷的整体漏磁信号B_x分量进行特征分析,缺陷信号B_x在补板信号B_x内侧且极性相反时视为补板缺陷.结果表明,该方法在判别管道特殊部件存在缺陷方面具有一定的可行性.