肖敏 张晓民 孙颖
摘要：为实现对长输管道焊缝的自动检测，从不同环节对焊接产生的问题进行防范与及时补救。本文研究得出基于应力波反演的石油输送管道内部焊缝检测自动控制系统。首先，将应力波分为轴对称与非轴对称模态，分析其传播规律，将连续性和协调性作为传播条件;其次，探究应力波在焊缝检测中的应用原理，通过频谱分析法确定管道存在的缺陷;最后，将自动控制系统分为硬件与软件两部分，硬件组成包括爬行器、驱动电源与控制卡等结构，根据实时性要求选取关键元器件，并从系统初始化、扫查设置以及插补运算方面完成软件模块设置。仿真结果表明，此系统功能强大，灵敏度高，检测误差尺寸较小，可以有效实现管道内部焊缝的自动检测。
关键词：应力波反演;石油输送管道;内部焊缝检测;自动控制系统;频谱分析
中图分类号：TP346
文献标识码：A
文章编号：1001-5922（2020）12-0113-05
0 引言
管道作为五大运输方法之一，是一种高效、便捷、安全的能源输送方式，在石油化工与天然气等方面发挥关键作用。然而管道在传输过程中，受到老化、腐朽与外力破坏等因素影响，容易产生泄漏事故，在造成严重经济损失的同时还破坏了自然环境。我国每年对油汽管道的维修支出较大，并且呈现逐步增加趋势。因为检测手段的有限性，管道损伤情况不确定，通常导致盲目开挖，浪费大量人力、物力。管道内部的焊接结构受到不同因素的影响，具有不同类型的缺陷。因此，应该对石油输送管道进行定期检测，设计相应检测自动控制系统，及时发现缺陷，采取对应措施，保证石油安全传输。
针对焊缝检测问题，相关学者提出如下方法。文献[1]提出基于双频数据融合的焊接缺陷检测。将矩形激励线圈与GMR器件结合，对检测探头进行设计，并分析该探头的磁感强度分布情况，选取混频激励方式，将两个频率检测到的数据融合处理;以FPGA作为核心，根据X-Y控制平台构建实验系统对焊缝缺陷进行检测，结果表明，该方法可以成功检测到缺陷部位。文献[2]将视觉传感技术应用在焊缝的宽度特征提出中。焊缝宽度能够表现出焊接稳定性，因此，红外热成像方法可用来评价焊接质量。通过跟踪系统分析焊缝宽度变化情况，并利用近红外高速传感相机收集目标图像，根据形态学图像算法对图像进行处理同时检测焊缝宽度。实验证明该方法可以反映焊接过程的状态变化，能实现焊缝的跟踪分析。
随着自动检测技术的日益增多，上述两种检测方式逐渐显现出设备投资大、维护费用较高的不足。基于此，本文利用应力波[3]反演方法设计一种石油输送管道内部焊缝检测自动控制系统。应力波属于应力通过一种特定的速度从介质一端向另一端传递的可鉴别信号，其在传播过程中，若遇到孔洞与裂纹界面，会产生反射、折射与散射现象。因此应力波信号对焊缝缺陷具有较高灵敏性。首先对其不同模态与传播规律进行分析;其次根据检测原理设置系统的软件硬件模块;最后仿真实验表明，该方法提高缺陷定位的精准度，降低维护费用，推动焊缝检测自动化进程。
1 应力波反演的传播规律与检测原理
1.1 应力波的模态性
本文将应力波分为轴对称模态L（0，m）（m=1，2，3…）与非轴对称模态F=（n，m）（n，m=1，2，3）。m在不同模态中属于计数变量，可以体现出管壁的振动形态[4]。
导波在石油输送管道中的频散表达式为：
式中， C1与C2分别代表纵向与扭转模态的函数矩阵，在纵向模态中位移偏振矢量缺少分量，而扭转模态中只存在位移分量，因此分别计算C1=0与C2=0的解，即可获得不同模态对应的材质与内径频散曲线[5]。应力波在传播过程中，频散是导致导波衰减的关键因素。
2）非轴对称模态：在非轴对称模态F（n，m）（n，m=1，2，3）中，如果n=0，管道中的质点会与管壁厚度产生垂直现象，这时质点属于轴对称运动，即L（0，m）模态导波;如果n=1，2，…时，质点运动属于非轴对称的弯曲模态，也就是F模态。
1.2 传播规律分析
应力波在输油管道传播时，通过波阻抗Z1与Z2 Z1≠Z2的分界面时，会出现反射现象，此波称为反射波。假设分界面的坐标为x=0，则应力入射波起伏函数表示为：
1.3 应力波反演检测原理探究
应力波反演的基本检测原理是在输油管道一侧通过激励产生应力波，同侧接受反射波，经过对回波时间差的检测，反演确定管道焊缝存在的缺陷。
应力波的产生和传播会受到频率、激励角度与输油管道壁厚度等因素制约。在检测过程中，通常使用纵波入射法对导波进行激励[7]。本文的应力波反演方法是在反射波回波原理基础上提出的，通过导波技术定位与识别焊缝的损伤部位。检测方法如下图所示，在利用同侧激励同侧接收方法时，传感器收到的直达波时间为t1，反射回波时间表示为t2，△t为产生的时间差，因此，缺陷距离和传感器距离x的计算公式为：
x=v.△At/2
（17）
從上述公式可得出，焊缝损伤定位和应力波的传播速度相关，在应力波速度固定时，能够通过检测得到回波时间差。
结合应力波原理，因为石油输送管道所用材料的波阻抗高于空气的波阻抗，所以Z1》Z2，反射系数β→1，在焊缝损伤处，应力波可以全部反射，该过程中能量损耗忽略不计。
通过上述分析可以得出：应力波到达时间与焊缝缺陷大小无关，与缺陷位置有关;损伤程度则与裂纹面积以及轴向宽度相关。通过反射系数、裂纹周向长度、面积即可计算出损伤程度。
2 焊缝检测自动控制系统设计
焊缝检测自动控制系统主要包括爬行器、驱动器、采集卡等。软件部分则由实时操控、数据采集和处理模块构成。
检测系统的工作原理可描述为：首先，确定探伤条件，规划最佳扫描方法与路径;其次，对检测程序进行编辑;最后将插补输出脉冲当做触发信号，将脉冲传输到与控制电路对应的端口，驱动电机，检测装置将会带动探头对焊缝进行检测。与此同时，采集回波信号，经过量化后，通过编制好的判伤软件对缺陷做自动识别与判断，并保存相关数据，以图像形式对其显示。在检测完成后，自动形成检测报告。
2.1 检测系统硬件结构设计
2.1.1 爬行器
结合对自动检测系统的要求与石油输送管道检测现状，对爬行器进行设计。其设计原则需要满足装卸快捷且存在很好的适应性。
2.1.2 控制卡
利用控制卡可实现对爬行器的控制，通过检测目标的表面数据与检测条件，根据固定的扫描方法，实现对检测目标扫描。
2.1.3 驱动器
驱动器的好坏，一定程度上决定系统性能，它可以确保系统的高效率，低能耗平稳运行。
系统实时性不仅体现在逻辑与获得的结果上，还在于计算结果所需的时间，若不符合限定时间，则说明系统已经崩溃[9]。“实时”并不仅仅是速度快，通常代表能够接受的延时之内。应立波反演检测系统要求在条件允许与确保计算结果准确的前提下，最大程度提高扫描速度，减少检测时间，对系统每个环节的实时性要求较高。
为满足实时性要求，选择重要部分所需元件：脉冲电路由两个计数器芯片8253为核心构成，任意一组计数器内部设置6种不同工作方式;步进电动机具有的脉冲选用CMOS集成电路，提高系统运行可靠性。
综上所述，在硬件选取过程中应该注意系统总操作时序，尽量减少元件使用，不但能缩小系统体积，还能简化设计，提高处理效率，确保正确时序关系。
2.2 检测系统软件模块设计
软件的主要作用是操控步进电机，以此带动自动检测装置完成焊缝检测，且对系统运行路线与方位进行实时显示。
在编程过程中，首先设计运动控制函数，对于不同的检测目标与扫描路径，利用插补软件对其做粗插补，所有插补段通过软件时钟控制达到精插补的目的。
1）系统初始化模块：在每次检测之前，需要对控制卡的计数器做初始化处理，设置所有计数器的工作方式，对其赋值并禁止计数。
2）扫描设置模块：设置扫描初始条件，例如速度、初始位置点、范围与路径等。
3）插补计算模块：插补计算种类较多，为方便实时控制，本文选取数字积分法对扫描路径进行插补。其基本思想是通过微小增量累计求和，达到对直线或曲线插补的目的，具有计算效率高、脉冲分配均匀等目的。
通过对硬件与软件的设计，实现自动控制系统的焊缝检测，该系统界面友好，性能强大。
3 仿真实验数据分析与研究
为验证本系统性能，仿真实验利用传统的振动测试方法，通过加速度传感器对输油管道内某处焊缝的振动情况进行测量，获得应力波信号。选取加速度传感器当作元件的原因是它的灵敏度较高、响应程度好、受外界环境干扰差，可在不同环境下操作。
本次实验装置为：无缝钢管长度为5m，管内直径是50mm，外径为70mm，弹性模量表示为E= 206GPa ， 松柏比是V= 0.35 ， 密度约P= 78000kg/m3。
实验设备包括信号调理器、信号采集箱与工控机各一台。
为增强实验的可比性，进一步体现本系统优势，将文献[1]、文献[2]方法进行对比实验。将检测灵敏度[10]、尺寸检测误差、检测效率、覆盖率与可靠性作为评价指标。其中，选取灵敏度与可靠性两个具有代表性的对比结果进行展示，实验结果如图3、图4所示：
从上述图3、图4可知，本文系统检测灵敏度随着实验次数的增加而提高，明显高于其它对比方法;在可靠性方面3种方法均呈现下降趋势，但是本文系统始终保持在80%以上，下将程度不明显。
4 结语
为改善传统焊缝检测技术精准度低、实时性差的缺陷，文章利用应力波反演技术对石油输送管道内部焊缝检测自动控制系统进行设计。分析应力波的模态类型、传播规律以及传播条件，探究检测原理，描述对管道内焊缝缺陷部位的检测方法，并完成系统的硬件结构与软件模块设置。实验验证表明，该系统结构简单、对检测人员技术要求较低、检测精准度高，提高检测系统的性价比，符合对焊缝检测设备的要求。
参考文献
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