一种基于变频交流电位降法的金属管道缺陷检测技术的制作方法

本发明主要用于测量金属管道的缺陷深度，具体地说，涉及一种向被测管道施加不同频率的交流激励电流，将测量得到的一系列电压值进行微分求导，利用导数极值点来求解缺陷深度的方法。传统的基于直流电位降法的场指纹法和单一频率的交流电位降法都需要准确测量得到被测管道的原始壁厚信息，然后根据电压值来求解壁厚损失量，也即是这两种技术本质上不能直接测量被测管道的绝对厚度，只能根据原始壁厚值求解出相对壁厚量等，因此原始壁厚的测量误差会累积影响最终的缺陷深度检测结果。另外传统的场指纹法和单一频率的交流电位降法需要测量原始电压以及参考电压等，系统的漂移会对测量造成很大的不利影响。而本发明不再需要测量原始电压和参考电压，也即是系统漂移将不再对检测造成不利影响，同时本发明也不需要测量被测管道的原始壁厚，避免了原始壁厚测量误差的影响。

背景技术：

目前石化行业的金属管道普遍存在因腐蚀等因素产生的各种缺陷，为保证安全需要对缺陷进行实时检测，尤其是要检测出缺陷的深度信息。其中一种腐蚀检测技术是基于直流电位降法的场指纹法，其工作原理如下：

1、在被测管道轴向上间隔一段距离安装两个电极，用于施加激励电流，然后在激励电流内侧安装测量电极，再在管道外侧安装一块参考板，参考板进行了良好的保护处理，不会发生腐蚀，参考板用电流导线与被测管道电气相连，参考板上安装参考电极。腐蚀会造成被测管道上的测量电极间的等效电阻的阻值增大，在施加相同幅值的激流电流的前提下，测量电极间的电压就会上升，也即是测量电极间电压的变化情况就代表了被测管道壁厚的变化情况；

2、在场指纹法系统安装完成之后，将第一次测量得到的参考电压和管道上的被测电压记录下来作为原始电压，分别记为V_i（t₀）和V_ref（t₀）；随着时间的推移，被测管道发生了腐蚀，将此时测量得到的参考电压和管道上的被测电压分别记为V_i（t_x）和V_ref（t_x），再利用以下公式计算腐蚀深度：

FC_i(t_x）=((V_i(t_x)/V_i(t₀))/Vref(t_x)/V_ref(t₀)-1)×1000 （1）

式中：

V_i（t₀），V_i（t_x）—原始时刻和腐蚀时刻的被测电压；

V_ref（t₀），V_ref（t_x）—原始时刻和腐蚀时刻的参考电压；

D (t_x)=WT(t₀)-WT(t₀)×1000/(FC_i(t_x)+1000) （2）

式中： D (t_x)—缺陷的深度；WT(t₀)—被测管道的原始壁厚；

由公式（1）可以看出，场指纹法需要引入参考电压进行计算，而且需要与原始电压进行比较；场指纹法又属于长期在线监测设备，在实际工程应用中，长期工作状态下系统电路会发生各种漂移问题，包括基线漂移和零点漂移等，也即是被测电压和参考电压都同时增大或者减小相同的幅值。由数学知识可以得知，一个除法运算中，分子和分母同时增大或减小同样的数值，最终的比值将会发生改变，因此漂移会对场指纹法的检测结果造成很大的误差。由公式（2）可知，场指纹法计算缺陷深度的公式还需要准确测量得到被测管道的原始壁厚，原始壁厚的测量误差也会对缺陷深度的计算造成不利影响；

目前的交流电位降法只是采用单一频率的高频激励电流，一般只能检测金属管道外壁缺陷，但是金属管道的腐蚀缺陷等绝大部分发生在金属管道的内壁，而且交流电位降技术也需要测量参考电压，通过将测量电压与参考电压相比得到检测结果，因此传统的交流电位降法同样也会受到漂移的影响；

本专利旨在提出一种基于变频交流电位降法的金属管道缺陷检测技术，不再需要测量参考电压，不需要测量原始电压，不需要测量被测管道的原始壁厚，可以非常有效地消除系统漂移、原始壁厚测量误差等对测量的影响。

技术实现要素：

本发明主要是针对目前传统的基于直流电位降法的场指纹法以及传统的单一频率的交流电位降法容易受到系统漂移干扰这一现状，提出了一种基于变频交流电位降法的金属管道缺陷检测技术，具体来讲是对被测管道施加一系列不同频率的交流激励电流，利用趋肤效应控制电流在被测管道的分布，测量得到不同频率的激励电流所对应的电压序列，对该电压序列进行微分求导，利用导数曲线的极值最终求解出腐蚀缺陷的深度；

在被测管道两端安装两个电极，用于施加交流激励电流，然后在电流激励电极内侧区域安装测量电极，轴向上两个相邻的测量电极构成一对测量电极对，用于测量电压。由于激励电流为交流，因此管道上的电流分布会受趋肤效应的影响，即当激励电流的频率较高时，被测管道上的电流将集中分布在靠近金属管道外壁的一个浅层里，这个电流称为趋肤电流，趋肤电流的趋肤深度δ 由公式（3）决定：

δ =1/(πμ_rμ₀σf)½ （3）

式中μ_r是被测管道材料的相对磁导率，μ₀是空气的磁导率，σ 是被测管道材料的电导率，f 是激励电流的频率。由这个公式可以知道，随着激励电流频率的降低，趋肤电流的趋肤深度将会增加，即电流将逐渐向金属管道内壁渗透，这将造成电流流经区域金属块的深度增加，也即是电流流经区域的等效电阻减小，在相同幅值的激励电流的作用下，测量电极间的电压将逐渐减小，当趋肤电流的趋肤深度与被测管道的壁厚一致之后，趋肤电流就会充满整个管壁中，随着激励电流频率的进一步降低，趋肤深度受限于管道壁厚不再降低，因此测量电极间的电压将保持不变。如果对测量得到的一系列电压值进行微分求导，将会得到一个先逐渐降低，最终又等于0的负数曲线，这个曲线将有一个极值点；

如果被测管道存在缺陷，等效于被测管道的管壁减薄，此时向被测管道施加频率从高到低的一系列激励电流，随着激励电流频率的降低，趋肤深度逐渐增加，此时测量得到的一系列电压值将提前趋于稳定，这是因为趋肤电流将在较高频率点时即可提前充满整个管壁。此时的电压微分曲线，相对于未发生腐蚀的金属管道的电压微分曲线而言，将会提前达到0值点，其极值点也会发生改变，因此可以利用电压微分曲线的极值点来求解缺陷深度；

具体方案步骤如下：

（1）在被测管道轴向上布置两个电极，用于施加交流激励电流；

（2）在两个电流激励电极内侧布置测量电极，轴向上两个相邻的电极构成一对测量电极对；

（3）向被测管道施加频率从高到低的交流激励电流，测量并记录下每个频率点对应的测量电极对之间的电压，将这一系列电压命名为为V_f；

（4）将测量得到的一系列电压V_f进行微分求求导，计算出极值点E ；

（5）利用下面的公式即可计算得到被测管道的缺陷d ：

d =-0.029E +1.462

本发明的有益效果：向被测管道施加一系列不同频率的交流激励电流，将测量得到的一系列电压进行微分求导，由数学知识可知，常数项不影响微分求导的结果，也即是如果系统电路发生了漂移，使得所有测量得到的电压值都同时增大或减小了相同的幅值，也不会影响最终的求解结果。因此本发明能够消除系统漂移对检测的影响，提高了长期在线监测设备的可靠性。此外，本发明不需要测量原始壁厚，消除了原始壁厚测量误差造成的不利影响。

附图说明

图1 基于直流电位降法的场指纹法原理图

图2 传统的基于单一激励频率的测量外壁缺陷的交流电位降技术原理图

图3 不同频率激励电流下的趋肤电流在被测管道上的分布情况

图4 变频激励下不同深度缺陷的电压值序列

图5 不同深度缺陷的电压值序列的微分导数及其极值点。

具体实施方式

本发明的一个实施例详述如下：

本发明是一种基于变频交流电位降法的金属管道缺陷检测技术，具体实施步骤如下：

（1）选取一根壁厚为10mm，管径为219mm，长度为1000mm的普通碳钢管道作为被测对象，在管道两端外壁焊接安装电流激励电极，在管道中心外壁焊接安装五对测量电极，测量电极间距为40mm；

（2）在测量电极对应的管道内壁分别加工深度为1mm、2mm、3mm、4mm和5mm的缺陷，缺陷的面积均为40mm×40mm；

（3）根据被测管道的材料特性，调整激励电流的频率，按照趋肤电流的计算公式，使得趋肤电流的趋肤深度从0.1mm到10mm以0.1mm为等增量依次递增，即总共设置100个频率点；

（4）依次测量5对测量电极在不同频率的激励电流下的电压值；

（5）分别计算出每组电压的导数极值E ，并按照最终计算缺陷深度的公式计算得到的缺陷深度如下表所示：

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