基于磁饱和脉冲涡流和信号处理的双金属复合管内衬塌陷检测方法

本发明涉及双金属复合管内衬塌陷检测，具体涉及基于磁饱和脉冲涡流和信号处理的双金属复合管内衬塌陷检测方法。

背景技术：

1、

2、在储气库结构中，进气管和排气管是其重要组成部分，保障进气管和排气管的完整性是保障储气库完整性的重要一环。进气管和排气管是一种典型的双金属复合管状结构，由碳钢外层结构管和不锈钢内衬功能管镶套而成，两管层间只是贴合没有焊接。因此，储气库的进气口和排气口经过长期服役，其双金属复合管结构可能会出现结构裂纹、腐蚀缺陷、内衬塌陷等缺陷。其中结构裂纹和腐蚀缺陷可以通过常规的涡流检测、漏磁检测和超声检测检出，而内衬塌陷则一直是困扰实际工程检测的一个瓶颈难点。由于双金属复合管的两管层间只是贴合没有焊接，导致双层管之间结合度弱，超声波在界面处反射严重，故无法使用超声检测。又由于内衬层不锈钢为非铁磁性材料，故漏磁检测亦不可行。而由于两种金属材料的磁导率相差较大，界面处存在较大的磁阻，导致磁场难以穿透碳钢层到达不锈钢层，故也无法使用常规涡流或者脉冲涡流检测。

3、通过分析上述常规检测方法的局限可知，开发一种新的基于完整性管理的检验技术，在减小双层管间磁阻的基础上，使用脉冲涡流技术进行检测，并寻求新的自适应特征量是实现双金属复合管内衬塌陷检测的关键。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出了一种基于磁饱和脉冲涡流和信号处理的双金属复合管内衬塌陷检测方法，以解决双金属复合管内衬塌陷难以检测的问题，是基于磁饱和的脉冲涡流方法和以晚期相关系数为特征量的信号处理方法的双金属复合管内衬塌陷检测方法。

2、为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于磁饱和脉冲涡流和信号处理的双金属复合管内衬塌陷检测方法，包括如下步骤：

4、步骤1：搭建磁饱和脉冲涡流检测实验平台，磁饱和脉冲涡流检测实验平台包括磁轭、大功率信号源、脉冲涡流检测探头、滤波放大器、信号采集卡和计算机；首先将磁轭放置到双金属复合管外管壁，对外层碳钢进行磁化直至磁饱和，从而使感应涡流深入渗透到双金属复合管内层不锈钢层，增强脉冲涡流检测方法的检测能力，然后将大功率信号源输出端与脉冲涡流检测探头的激励线圈连接，随后将脉冲涡流检测探头置于磁轭与双金属复合管之间，并将检出线圈与滤波放大器输入端连接，然后将滤波放大器输出端与信号采集卡连接，最后将信号采集卡与计算机连接；

5、步骤2：首先利用步骤1中的脉冲涡流检测实验平台对基准试件(无内衬塌陷的双金属复合管)进行检测，需保证该基准试件两层管道的设计壁厚与待测双金属复合管一致；根据基准试件中两层管道的设计壁厚来设置大功率信号源发出的激励信号的参数，包括波形、激励频率、激励幅值、激励波数等，然后设置滤波放大器的参数，包括放大倍数和低通滤波频率，最后设置信号采集卡参数，包括采样频率和截断电压；将激励信号通入脉冲涡流检测探头的激励线圈中，然后检出线圈中会得到对应的检测信号，检测信号通过滤波放大器和信号采集卡后会在计算机中得到基准试件检测处对应的原始脉冲涡流检测信号u0(t)；利用低通滤波、独立成分分析和高斯滤波依次对原始脉冲涡流检测信号u0(t)进行处理，分别消除信号中的高频噪声、工频干扰以及随机噪声，得到滤波后的脉冲涡流检测信号u1(t)；提取u1(t)的末端一段信号，得到基准的脉冲涡流晚期信号u1(t)，并以此作为基准信号；

6、步骤3：以待测双金属复合管(未知是否存在内衬塌陷的双金属复合管)作为检测对象，重复步骤2中的操作，得到待测双金属复合管的脉冲涡流晚期信号u2(t)；

7、步骤4：计算待测双金属复合管的脉冲涡流晚期信号u2(t)与基准的脉冲涡流晚期信号u1(t)的皮尔逊相关系数，皮尔逊相关系数的表达式如式(1)所示，

8、

9、其中ρxy为两个变量之间的皮尔逊相关系数，cov(x,y)为两个变量之间的协方差，d(x)、d(y)为两个变量的方差，为两个变量的标准差，e(x)、e(y)为两个变量的均值；计算出的皮尔逊相关系数即为检测双金属复合管是否存在内衬塌陷的特征量，称为晚期相关系数；用该特征量来表征双金属复合管的内衬塌陷程度，晚期相关系数越小，说明内衬塌陷程度越大，晚期相关系数最大为1，此时双金属复合管不存在内衬塌陷；

10、步骤5：制作不同塌陷程度的双金属复合管标定试件，使用上述步骤1～步骤4在标定试件上测得标定曲线d＝f(ρ)，其中d表示双金属复合管的内衬塌陷程度，ρ表示自适应特征量晚期相关系数；后续检测时，将在待测双金属复合管测试点处得到的晚期相关系数ρ0代入标定曲线d＝f(ρ)中，即可计算得到待测双金属复合管的内衬塌陷情况。

11、优选的，步骤1中的磁轭的本质是具有强磁场的永磁铁或电磁铁，在使用时放置于双金属复合管的外管壁，并将脉冲涡流检测探头覆盖；磁轭的作用是对双金属复合管外层碳钢进行磁化直至磁饱和，降低其磁导率，使其磁导率接近内层不锈钢材料的磁导率，从而减少界面间磁阻的影响，使磁场可以穿透碳钢层到达不锈钢层，另外在通过磁化降低碳钢磁导率的过程中，涡流的趋肤效应也在降低，趋肤深度增大，所以通过这种方法最终可以使感应涡流深入渗透到双金属复合管内层不锈钢层，增强脉冲涡流检测方法的检测能力，该方法被命名为磁饱和脉冲涡流方法；另外，选择磁轭的关键在于要确保外层碳钢被磁化至磁饱和，考虑携带和使用方便的因素，使用较多的是永磁铁磁轭，但当外层碳钢管直径、厚度较大时，则需要使用磁化能力更强的磁轭，此时需要用永磁铁体积更大、数量更多的永磁铁磁轭或电磁铁。

12、优选的，步骤1中的脉冲涡流检测探头可以在以下方面进行优化：

13、优化1：优化激励线圈和检出线圈的参数，包括线圈的内直径、外直径、高度、线径、参考匝数等；

14、优化2：优化磁芯，包括磁芯的材质、形状、尺寸等；

15、优化3：在激励线圈和检出线圈外围设计电、磁屏蔽结构，削弱激励线圈产生的一次磁场对总磁场的影响，增强涡流激发的二次磁场在总磁场中的占比，最终增强检测信号；并且经过优化，线圈外围的电磁屏蔽模式设计为：磁屏蔽结构在内，电屏蔽结构在外；

16、优化4：脉冲涡流检测探头的激励线圈与检出线圈可以选择同轴放置或异轴放置。

17、优化5：将脉冲涡流检测探头与磁轭进行一体化设计，避免因探头振动对信号造成干扰，从而提高检测信号和检测结果稳定性。

18、优选的，步骤4中的晚期相关系数是针对磁饱和脉冲涡流检测双金属复合管内衬塌陷提出的自适应特征量，晚期指在一个周期内检测信号末端的一段信号，晚期信号长度在总信号长度中的占比以及晚期信号的选取位置可以根据信号的实际情况进行选择，相关系数指皮尔逊相关系数，反映待测双金属复合管检测信号与无塌陷双金属复合管检测信号的相关性。

19、与现有技术相比，本发明的优点如下：

20、1)结合了基于磁饱和的脉冲涡流检测方法，本发明方法可以对双金属复合管外层碳钢进行磁化直至磁饱和，降低其磁导率，使其磁导率接近不锈钢材料的磁导率，从而减少界面间磁阻的影响，使磁场可以穿透碳钢层到达不锈钢层，另外在通过磁化降低碳钢磁导率的过程中，涡流的趋肤效应也在降低，趋肤深度增大，综合以上分析，本发明方法相较于传统的脉冲涡流方法大大提高了感应涡流的渗透能力，使感应涡流可以更多的进入双金属复合管的内衬不锈钢层，进而提升了穿透外层碳钢厚度的极限，增强了对内衬塌陷的检测能力。此外，得益于磁轭的磁饱和效果，本发明方法无需使用很低的激励频率，因此大幅缩短了检测时间，提高了检测效率。

21、2)结合了以晚期相关系数为特征量的信号处理方法，相较于脉冲涡流检测选用的传统特征量，晚期相关系数重点关注晚期信号相较基准信号的整体变化情况，增大了对相似信号间差别的敏感程度，且受各类噪声的影响较小，因此本发明方法可以更好地反映双金属复合管内衬塌陷的程度，极大增强了对内衬塌陷的检测能力，是一种自适应且效果稳定的特征提取方法。

22、3)经储气库实际应用验证，目前所有对双金属复合管内衬塌陷检测的方法中，本发明提出的方法是唯一可有效检出内衬塌陷的方法，且检测效果显著优于其他方法。