基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀监测方法技术

本发明专利技术提供基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，本发明专利技术首次提出多向电流法，从四个不同方向通入激励电流，得到四组电压比值，根据电极裂纹方向与电压比值的关系，选择最大的电压比值代入深度求解公式，求解得到裂纹的深度。本发明专利技术的多向电流法使得裂纹位置与电流极连线的夹角(余角)范围从0‑90度变为67.5‑90度，显著提高了裂纹深度求解的精度。

【技术实现步骤摘要】
基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀监测方法
本专利技术属于管道检测
，尤其涉及基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀监测方法。
技术介绍
管道腐蚀是油气管线所面临的诸多风险中最危险的一个，70％-90％的管道安全事故由管道腐蚀引发。目前，常用的管道腐蚀检测技术，包括相对先进的场指纹技术(FieldSignatureMethod,FSM)，也只对局部腐蚀(localizedcorrosion)和均匀腐蚀(generalcorrosion)的检测精度高；最新提出的交流场指纹法(AlternatingCurrentFieldSignatureMethod,ACFSM)，利用多个频率点的测量数据评估腐蚀深度，能够提高裂纹腐蚀的检测精度，但是该方法要求裂纹方向与电流极连线方向的夹角大于45度，不能求解夹角小于45度的裂纹，当前的电流激励电极的连线方向与管道轴向平行，会限制裂纹缺陷的检测范围。因此，为了满足实际的检测需求，深入研究随机裂纹腐蚀检测技术显得极为必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，通过向被测管道施加不同方向的激励电流，使裂纹方向与电流极连线方向的夹角(余角)范围从0-90度变为67.5-90度，可以更精确的检测随机裂纹的腐蚀深度。本专利技术采用如下技术方案：基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，步骤包括：步骤1.在测试管道的周向上焊接布置若干组测试电极。步骤2.信号发生器产生激励信号通过功率放大器产生激励电流，从四个不同方向，向输入电极依次通入激励电流，功率放大器的频率可调整，激励电流幅值可调整。步骤3.用高精度锁相放大器测量无裂纹正常管道的电压，得到正常管道测试电压值并输入计算机，再利用高精度锁相放大器分别在测试管道待测区域测量待测电压，将测量结果输入计算机，得到四组不同的电压比值；步骤4.根据裂纹方向与电压比值的关系，选择最大的电压比值代入如下深度求解公式，并使用计算机求解：步骤5.根据计算机显示的结果得出管道裂纹的深度。进一步的技术方案是，步骤2中，周向上布置的4组测试电极是指，水平方向，竖直方向，对角线方向，其中输入电极与输出电极相对布置，其连线均通过待测试部位。进一步的技术方案是，步骤3中，利用高精度锁相放大器测试待测区域电压时，输入激励电流的输入电极与输出激励电流的输出电极的连线与测量探针连线测试方向一致。优选的技术方案是，功率放大器的频率选择59-500Hz，激励电流幅值选择2A。优选的技术方案是，步骤2中，功率放大器的频率选择100Hz。本专利技术的有益效果：1.本专利技术首次提出了多向电流法，从四个不同方向通入激励电流，得到四组电压比值，根据电极裂纹方向与电压比值的关系，选择最大的电压比值代入深度求解公式；本专利技术的多向电流法使得裂纹位置与电流极连线的夹角(余角)范围从0-90度变为67.5-90度，显著提高了裂纹深度和求解精度。2.本专利技术由于采用交流电位降技术的原理，所以具有激励电流小、测量灵敏度高、抗干扰能力强等优点。3.本专利技术方法与传统的电位降技术ACFSM采用单一的与管道轴线平行激励电流比较而言，本专利技术方法首次定量求解随机裂纹缺陷的深度，根据仿真和实验数据结果显示，电流流经裂纹缺陷时，裂纹的方向会影响电流场的分布，从而改变测量电极的电压。附图说明图1为趋肤电流分布示意图；图2为表一测试的不同厚度处的电压分布图；图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)为五种裂纹方向与电极连线的示意图；图4为不同角度裂纹的比值深度图；图5为本专利技术的多向电流测量示意图；图6为仿真测试两种裂纹缺陷的最大比值深度图。图7为本专利技术方法的实验装置图；图8为金属平板探针布局示意图；图9为实验平板背部示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。术语解释：1.1、趋肤效应在管道中通以不同频率的交流激励电流(AC)，电流分布遵循趋肤效应。趋肤深度δ的计算公式：上式中μr为材料的相对磁导率；μ0为真空磁导率；σ为材料的电导率；f为激励电流的频率。电流分布示意图如图1所示。由式(1)可知，施加高频激励电流时，电流集中存在于管道外壁，随着激励电流频率的降低，电流将逐渐向内壁渗透，管道壁中的电流密度J(r)满足公式：其中，式中I是角频率为ω的电流幅值；R是管道的外半径；r是径向距离；J0(kr)是第一类零阶贝塞尔函数，J1(kR)是第一类一阶贝塞尔函数。根据电流密度与电压之间的关系，电压值U(r)的表达式为：式中l是测量电极的间距。将(3)式中的贝塞尔函数用指数函数近似代替，则电压值幅值可表示为：测量电极与管道外壁的接触深度d0＝R-r≈0.5mm，此时通入激励电流后，测量电极测得的电压幅值U可用式(5)表示：管道壁厚为T，未经腐蚀前测得的原始电压值为U(d＝0)，管道投入生产后，实际测得的电压值为U(d)。当管道内壁的腐蚀缺陷极浅时(d≈0)，随着频率的降低始终满足：U(d)/U(d＝0)≈1；若底部存在深度为d的均匀腐蚀缺陷，则当δ＝T-d后，测得电压值U(d)保持不变，U(d)/U(d＝0)≈m/U(d＝0)(m为常数)；而当缺陷为裂纹缺陷时，当δ＝T-d后，随着频率降低，缺陷“层”周围的电流还会向下渗透，U(d)<m，U(d)/U(d＝0)<m/U(d＝0)。因此裂纹缺陷的U(d)/U(d＝0)值可由两种极限情况(无腐蚀缺陷，均匀腐蚀缺陷)下的U(d)/U(d＝0)线性叠加近似：式中a1,a2,a3为与被测材料特性相关的常数。1.2、多向电流对长度为400mm，内径为140mm，外径为160mm的管道进行有限元分析，有限元软件为COMSOLMultiphysics5.0。测量区域位于管道中间，探针间距为20mm，注入电流幅值为2A，缺陷深度为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm。材料参数见表1：由公式(3)可知激励电流频率不同时，不同“厚度层”处的电压分布不同，为了保证渗透电流接触到“缺陷层”，需要设定合适的激励电流，以直流时各径向距离处电压(电压等值分布)为基准，通入频率为2.5KHz和500Hz时电压分布，如图2所示。从图中可以看出，激励电流频率过高，如2.5KHZ时，电流无法完全渗透管道壁，在这种情况下，渗透电流无法接触到深度浅的“缺陷层”，测得信号不能反映缺陷信息；降低激励电流频率，趋肤深度增加，渗透电流能达到各个深度的“缺陷层”，如频率为500Hz时。考虑到管道壁厚为10mm，最大趋肤深度为10mm即可，根据公式(1)及表1参数可以计算出此时对应的电流频率为59Hz。以图3(b)、图3(e)四种位置缺陷为例(为裂纹方向与电极连线方向的夹角)。图3(a)为无缺陷管道，此时测得的电压值为U(d＝0,f＝100Hz)，作为原始电压：将图3(b)-图3(e)四种位置的缺陷在不同深度下测得电压值U(d)与U(d＝0)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，其特征在于，步骤包括：步骤1.在测试管道的周向上焊接布置若干组测试电极；步骤2.信号发生器产生激励信号通过功率放大器产生激励电流，从四个不同方向，向输入电极依次通入激励电流，功率放大器的频率可调整，激励电流幅值可调整；步骤3.用高精度锁相放大器测量无裂纹正常管道的电压，得到正常管道测试电压值并输入计算机，再利用高精度锁相放大器分别在测试管道待测区域测量待测电压，将测量结果输入计算机，得到四组不同的电压比值；步骤4.根据裂纹方向与电压比值的关系，选择最大的电压比值代入如下深度求解公式，并使用计算机求解：

【技术特征摘要】
1.基于多向交流电位降的管道裂纹腐蚀检测方法，其特征在于，步骤包括：步骤1.在测试管道的周向上焊接布置若干组测试电极；步骤2.信号发生器产生激励信号通过功率放大器产生激励电流，从四个不同方向，向输入电极依次通入激励电流，功率放大器的频率可调整，激励电流幅值可调整；步骤3.用高精度锁相放大器测量无裂纹正常管道的电压，得到正常管道测试电压值并输入计算机，再利用高精度锁相放大器分别在测试管道待测区域测量待测电压，将测量结果输入计算机，得到四组不同的电压比值；步骤4.根据裂纹方向与电压比值的关系，选择最大的电压比值代入如下深度求解公式，并使用计算机求解：步骤5.根据计算机显示的结果得出管道裂纹的深度。2.根据权利要求1所述的基于多向交流...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘芳吉，黄仕磊，李文洋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51