一种手持式管道焊缝漏磁检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及用于管道外壁腐蚀缺陷检测装置，具体涉及一种手持式管道焊缝漏磁检测装置及其检测方法。

背景技术：

油气管道作为是石油和天然气输送工具，在其长周期运行的情况下，可能发生腐蚀穿孔、开裂、密封失效等导致油品泄漏而引发的重大火灾或爆炸等重大事故，对人民生命财产安全和生态环境构成严重威胁。据统计，在管道泄漏爆炸的事故中，影响其安全的最主要风险之一是焊缝缺陷。因而，准确、迅速探测管道焊缝对保障国家公共安全具有十分重大的安全意义与经济价值。兴起于上世纪60年代的漏磁检测技术具有较高的检测可靠性、易于自动化、检测效率高等优点，被广泛应用到罐区储罐底板、储罐罐壁以及管道的检测中，而目前尚无专门用于管道焊缝的漏磁检测装置，传统的管道漏磁检测装置的磁化方向与行进方向平行的检测系统模式不再适用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种手持式管道焊缝漏磁检测装置，这种手持式管道焊缝漏磁检测装置用于解决目前石油化工领域工业管道焊缝缺陷检测难题。本发明的另一个目的是提供这种手持式管道焊缝漏磁检测装置的检测方法

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种手持式管道焊缝漏磁检测装置包括磁化机构、数据采集机构、机架，机架的前端、后端均设置有行进轮，驱动把手设置于机架的前端，机架后端的一个行进轮为定距轮，该定距轮的一侧固定有主动轮，主动轮与从动轮啮合，主动轮与从动轮的传动比1:1，从动轮的侧面同轴设置编码器；磁化机构包括衔铁、永磁体、极靴，衔铁固定于机架顶部的护板下面，两个永磁体并排设置于衔铁下，每个永磁体通过其下面的极靴保护，磁化方向垂直于行进方向；数据采集机构包括霍尔传感器、传感器盒、所述编码器、所述从动轮，传感器盒固定到衔铁下方且位于两永磁体磁极之间，传感器盒与衔铁之间设置有弹簧；霍尔传感器平行于极靴底面排列于传感器盒内部，霍尔传感器阵列方向与磁化方向平行、与行进方向垂直。

上述方案中衔铁、永磁体、极靴、磁化气隙、被测管道焊缝形成闭合的磁回路，永磁体采用高性能铷铁硼，永磁体是磁化机构的励磁源，为磁路提供磁通势；衔铁在磁路中起到导磁作用，它把磁路各部分串联在一起，形成闭合的磁回路，衔铁采用软磁材料制成，衔铁上开有多个螺纹孔。

上述方案中传感器盒通过两个高度调节螺钉与衔铁螺纹固定连接，传感器盒设置一个挡板，挡板将调节螺钉和霍尔传感器隔开，挡板中心开孔，传感器信号线穿过挡板上的孔，从传感器盒出来并进入到导线引出盒，导线引出盒通过螺钉固定到机架上，导线引出盒将各信号线集成一束，连接到电源和数据采集卡，数据采集卡连接工控计算机。由于在拆装调节螺钉或调节高度时，调节螺钉下端很有可能与下方的霍尔传感器发生接触，所以在将调节螺钉和传感器隔开。

上述方案中编码器为e6a2型旋转光电脉冲编码器，采用的采样间距为2mm。其将位移转换成周期性的电信号，再把电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

上述方案中传感器盒内设置聚磁结构，聚磁结构采用高导磁材料工业纯铁制成，聚磁结构为梯形导向聚磁结构，聚磁结构起着收集、均化、导向被测漏磁场的作用，通过聚磁后检测到的漏磁场数据幅值将会得到提高，从而增强检测的灵敏度。

上述方案中传感器盒内霍尔传感器与聚磁结构的布置方式为：传感器盒内部平行排列3片霍尔元件，每片霍尔元件匹配一对梯形导向聚磁结构，便可实现管道焊缝的全方位无检测盲区的扫描检测，不仅使检测结果更加准确，而且由于传感器数目的减少，大大简化后续信息处理设备的复杂度与开发成本。

上述手持式管道焊缝漏磁检测装置的检测方法：

将本发明放置在待检管道焊缝的外壁上，调节传感器高度调节螺钉，使传感器盒底面与管道焊缝紧密贴合；打开系统电源和工控计算机，进入检测系统界面；推动驱动手杆，使本发明沿管道焊缝直线前进，磁化机构通过磁化两极靴之间的管道焊缝区域，使该段管道焊缝接近磁饱和状态，当有缺陷存在，磁场线会发生绕转和溢出，泄漏的磁信号由位于传感器盒内的霍尔传感器捕获；编码器每旋转一定角度就会产生一个电脉冲信号，传递给数据采集卡的相应信号接收端，由数据采集卡将其转换为相应的里程数据，同时霍尔传感器将检测到的漏磁信号转换成电信号后经过信号放大电路放大后传递给数据采集卡的相应信号接收端，由数据采集卡将其转换为相应的漏磁数据，此后，由数据采集卡将此里程数据和漏磁数据输送至预置漏磁信号分析软件的工控计算机，这一过程完成了缺陷的扫查工作；在定距轮的驱动下，编码器对从动轮的转数进行计数，并换算成相应的里程数据，传送到工控计算机，这一过程完成了缺陷的定位工作；最后由工控计算机上预制软件完成缺陷的定性识别与量化分析等工作，并生成检测报告。

本发明具有以下有益效果：

1、传统的管道漏磁检测装置为磁化方向与行进方向平行的检测系统模式，而由于焊缝结构特点，焊缝漏磁检测装置需沿焊缝方向行进，因而本发明沿焊缝行进方向将磁化装置旋转90度，使得磁化方向垂直于行进方向，突破传统漏磁检测装置不适用于焊缝检测的技术壁垒。相应的传感器排布方式也发生改变，传感器平行于极靴底面排列于传感器盒内部，传感器阵列方向与磁化方向平行、与行进方向垂直。通过上述技术革新，实现基于漏磁法的管道焊缝检测，拓宽现有被检对象范围。

2、本发明的数据采集机构引入聚磁结构，聚磁结构起着收集、均化、导向被测漏磁场的作用。聚磁结构收集空间分布的漏磁场，并将其引导到霍尔传感器的检测通路中。通过聚磁后检测到的漏磁场数据幅值将会得到提高，从而增强检测的灵敏度。用较少的霍尔元件完成高可靠性检测，传感器盒内部平行排列3片霍尔元件，每片霍尔元件匹配一对梯形导向聚磁结构，便可实现管道焊缝的全方位无检测盲区的扫描检测，不仅使检测结果更加准确，而且由于传感器数目的减少，大大简化后续信息处理设备的复杂度与开发成本。

3、本发明为与焊缝外形轮廓相匹配，设计与焊缝余高相匹配的传感器盒，一方面降低传感器距离管道焊缝的距离即提离值的波动的影响，另一方面保证传感器距离管道和焊缝的提离值相等，从而提高检测信号的灵敏度。

附图说明

图1是本发明的检测装置示意图；

图2是本发明中管道焊缝检测模式图；

图3是本发明中传感器盒位置示意图；

图4是本发明传感器及其支架位置示意图；

图5是本发明中传感器盒内霍尔传感器阵列以及聚磁结构布置示意图；

图6是本发明中传感器盒外形与焊缝相匹配示意图；

图7是本发明中检测装置工作示意图；

图8是本发明中检测装置工作流程示意图。

图中：1编码器，2从动轮，3定距轮，4主动轮，5轮轴，6轮支架，7护板，8编码器固定壳，9编码器支架，10行进轮，11驱动把手，12橡胶套，13传感器信号线，14编码器信号线，15导线引出盒，16传感器盒，17衔铁，18永磁体，19极靴，20传感器盒弹簧，21霍尔传感器，22聚磁结构，23工控计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4、图5所示，这种手持式管道焊缝漏磁检测装置包括磁化机构、数据采集机构、机架，机架的前端、后端均设置有行进轮10，行进轮10可在人工驱动方式下沿管道焊缝匀速直线前进。机架通过四周与上方安装的护板7构成，护板7起到保护磁化装置的作用，避免外界碰撞对磁化装置造成损坏。驱动把手设置于机架的前端，即沿磁化机构行进方向安装，驱动把手11一方面用于取放和搬运本发明，另一方面通过驱动把手11给本发明推或拉作用力，驱动本发明沿焊缝方向前进；机架后端的一个行进轮为定距轮3，该定距轮3的一侧固定有主动轮4，主动轮4与从动轮2啮合，主动轮4与从动轮2的传动比1:1，从动轮2的侧面同轴设置编码器1，编码器1通过编码器固定壳8设置，编码器固定壳8通过编码器支架9固定在机架顶部的护板7上，编码器支架9与护板7通过螺栓固定连接，编码器1的编码器信号线14汇集到导线引出盒15内。由于定距轮3与编码器配套起定距作用，故称此行进轮为定距轮3。行进轮10选择聚氨酯材料制成，可防油防腐蚀，抗冲击性能良好。行进轮10与轮轴5过盈配合，通过轮轴5固定到轮支架6上。

手持式驱动方式可以检测外围空间受限的管道，在对输送易燃、易爆介质的油气管道进行检测时，不会产生静电或火花，具有安全保证。同时驱动把手11用来取放和搬运检测装置，把手可以设置为两个，分别固定到两侧磁化单元的护板7上。护板7采用不锈钢制成的薄板，安装在磁化机构四周外侧与上侧，通过螺钉与衔铁17螺纹连接，用以保护磁化结构免受外界碰撞的损坏。把驱动把手11设计成通轴结构，便于拆卸和安装把手橡胶套12。

磁化机构包括衔铁17、永磁体18、极靴19，两个永磁体分别设置于衔铁下，每个永磁体通过其下面的极靴保护，磁化方向垂直于行进方向。励磁回路由衔铁17、永磁体18、极靴19、磁化气隙、被测管道焊缝组成。永磁体18采用高性能铷铁硼，永磁体18是磁化机构的励磁源，为磁路提供磁通势；极靴19的作用是保护永磁铁，防止因碰撞、摩擦导致磁铁损坏，同时能够增加磁场的均匀性；衔铁17在磁路中起到导磁作用，它把磁路各部分串联在一起，形成闭合的磁回路，衔铁17一般采用软磁材料制成，这样可以减小磁阻。此外，衔铁17还起到结构支撑的作用，衔铁17上开了多个螺纹孔用来固定安装其他附属结构，如护板7等。

数据采集机构主要完成磁信号到电信号的转换、电压信号的传送、数据的采集存储等任务。数据采集机构包括霍尔传感器21、传感器盒16、聚磁结构22、导线引出盒15、编码器1、编码器固定壳8、编码器传动齿轮（从动轮2、主动轮4）和工控计算机23等构成，可以实现数据的高速采集和返放分析。结合图3所示，传感器盒16通过螺栓连接固定到衔铁17下方、两永磁体18磁极之间，用以放置和保护霍尔传感器21。

由于焊缝结构特点，焊缝漏磁检测装置需沿焊缝方向行进，传统的管道漏磁检测装置磁化方向与行进方向平行的检测系统模式不再适用，因而本发明沿焊缝行进方向将磁化装置旋转90度，使得磁化方向垂直于行进方向，突破传统漏磁检测装置不适用于焊缝检测的技术壁垒。相应的传感器排布方式也发生改变，传感器平行于极靴19底面排列于传感器盒16内部，传感器阵列方向与磁化方向平行、与行进方向垂直。

传感器用于拾取缺陷产生的漏磁场，并将磁信号转换为电信号，综合考虑成本和灵敏度要求两方面，本发明选用霍尔传感器21，它能够检测出10^-3t数量级的磁通变化，且价格较低廉。将霍尔传感器21封装在不锈钢材质的传感器盒16中。传感器盒16通过两个高度调节螺钉与衔铁17螺纹连接，固定到衔铁17下方，两磁极之间，弹簧受衔铁17下端面和传感器盒16上端面的挤压，产生一定弹力，能够使传感器盒16在一定提离值要求下与管道焊缝相贴近。传感器盒16可通过弹簧使撞击得到缓冲，避免造成传感器盒16的变形或破坏。由于在拆装调节螺钉或调节高度时，调节螺钉下端很有可能与下方的传感器21发生接触，所以在传感器盒16内部增加了一个挡板，将调节螺钉和霍尔传感器21隔开。挡板中心开孔，便于传感器信号线13的引出。

结合图5所示，为提高检测灵敏度，引入聚磁结构22。聚磁结构22采用高导磁材料工业纯铁制成。采用聚磁结构收集空间分布的漏磁场，并将其引导到霍尔元件的检测通路中，由霍尔传感器21测量空间漏磁场的一个平均量。在这里，聚磁结构22起着收集、均化、导向被测漏磁场的作用。聚磁结构22收集空间分布的漏磁场，并将其引导到霍尔传感器21的检测通路中。通过聚磁后检测到的漏磁场数据幅值将会得到提高，从而增强检测的灵敏度。本发明中的聚磁结构为梯形导向聚磁结构22，此种导向聚磁结构22的聚磁效果优于形状规则的方形聚磁结构、其检测灵敏度更高。

编码器在检测过程中起到测距和触发的作用，编码器可以把角位移或直线位移转换成电信号并输出。本发明采用的编码器1为e6a2型旋转光电脉冲编码器，采用的采样间距为2mm。其将位移转换成周期性的电信号，再把电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

定距轮3和编码器1的角位移传递由两个传动齿轮来完成，两齿轮模数和齿数均相同，即传动比1:1。主动轮4与定距轮3螺钉连接，并随定距轮3以相同角速度转动，从动轮2与编码器1通过中间轴连接。编码器1由编码器固定壳8固定到编码器支架9上。通过传动关系可知，编码器1与定距轮3的角位移相同，编码器1触发次数与定距轮3的线位移存在一定对应关系。定距轮3每旋转一周，编码器1也将旋转一周，并均匀发出100个光脉冲，每发出一个光脉冲，各通道霍尔传感器21会扫描一次漏磁信号。由定距轮3的半径可推算出每两次脉冲间隔时间定距轮3前进的距离，从而对缺陷进行定位。

本发明中的导线主要包括电源线和信号线等，为了将导线整齐有序的放置，同时有利于线路的拆装，本发明选用可拆卸的航空插头为导线引出盒15，将导线引出盒15通过螺钉固定到驱动把手11上。导线引出盒15将各导线集成一束，连接到电源和采集卡。

结合图6所示，由于焊缝余高的存在，设计传感器盒16为与焊缝外形轮廓相匹配，一方面降低霍尔传感器21距离管道焊缝的距离，另一方面保证霍尔传感器21距离管道和焊缝的提离值相等。

结合图7，这种手持式管道焊缝漏磁检测装置的使用方法：

1、工作原理

将检测装置放置在待检管道焊缝的外壁上，调节传感器高度调节螺钉，使传感器盒16底面与管道焊缝紧密贴合。打开系统电源和工控计算机23，进入检测系统界面。推动驱动手杆，使检测装置沿管道焊缝直线前进。检测装置的磁化机构通过磁化两极靴19之间的管道焊缝区域，使该段管道焊缝接近磁饱和状态，当有缺陷存在，磁场线会发生绕转和溢出，泄漏的磁信号由位于传感器盒16内的霍尔传感器21捕获。数据采集机构由霍尔传感器21以及相应的信号放大电路、旋转光电脉冲编码器、数据采集卡组成。其中光电脉冲编码器的齿轮与装置中的任一行进轮相连，光电脉冲编码器每旋转一定角度就会产生一个电脉冲信号，传递给数据采集卡的相应信号接收端，由数据采集卡将其转换为相应的里程数据，同时磁感应元件（霍尔传感器21）将检测到的漏磁信号转换成电信号后经过信号放大电路放大后传递给数据采集卡的相应信号接收端，由数据采集卡将其转换为相应的漏磁数据，此后，由数据采集卡将此里程数据和漏磁数据输送至预置漏磁信号分析软件的工控计算机23，这一过程完成了缺陷的扫查工作。在定距轮3的驱动下，光电脉冲编码器对轮子的转数进行计数，并换算成相应的里程数据，传送到工控计算机23，这一过程完成了缺陷的定位工作。最后由工控计算机23上预制软件完成缺陷的定性识别与量化分析等工作，并生成检测报告。

检测仪采用直流电源供电，采集的信号波形可实时显示在触摸屏式工控计算机23上，并可将数据进行存盘。管道焊缝检测完毕，需要存储数据，关闭系统电源，通过驱动把手11将检测装置从管道焊缝上取下，放置在洁净、无铁磁性物质的平台上，之后便可装箱或搬运。

2、适用范围

油气管道多以螺旋焊缝与管口对接环焊缝为主，场站内部亦有纵向焊缝（直焊缝）管道，工艺管道多以纵向焊接为主。本发明的管道焊缝漏磁检测系统设计随动的传感器阵列结构，只需调整行进方向，均可用于管道螺旋焊缝、纵焊缝以及管口对接环焊缝。