本發(fā)明主要用于測(cè)量金屬管道的缺陷深度，具體地說，涉及一種向被測(cè)管道施加不同頻率的交流激勵(lì)電流，將測(cè)量得到的一系列電壓值進(jìn)行微分求導(dǎo)，利用導(dǎo)數(shù)極值點(diǎn)來求解缺陷深度的方法。傳統(tǒng)的基于直流電位降法的場(chǎng)指紋法和單一頻率的交流電位降法都需要準(zhǔn)確測(cè)量得到被測(cè)管道的原始壁厚信息，然后根據(jù)電壓值來求解壁厚損失量，也即是這兩種技術(shù)本質(zhì)上不能直接測(cè)量被測(cè)管道的絕對(duì)厚度，只能根據(jù)原始壁厚值求解出相對(duì)壁厚量等，因此原始壁厚的測(cè)量誤差會(huì)累積影響最終的缺陷深度檢測(cè)結(jié)果。另外傳統(tǒng)的場(chǎng)指紋法和單一頻率的交流電位降法需要測(cè)量原始電壓以及參考電壓等，系統(tǒng)的漂移會(huì)對(duì)測(cè)量造成很大的不利影響。而本發(fā)明不再需要測(cè)量原始電壓和參考電壓，也即是系統(tǒng)漂移將不再對(duì)檢測(cè)造成不利影響，同時(shí)本發(fā)明也不需要測(cè)量被測(cè)管道的原始壁厚，避免了原始壁厚測(cè)量誤差的影響。

背景技術(shù)：

目前石化行業(yè)的金屬管道普遍存在因腐蝕等因素產(chǎn)生的各種缺陷，為保證安全需要對(duì)缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，尤其是要檢測(cè)出缺陷的深度信息。其中一種腐蝕檢測(cè)技術(shù)是基于直流電位降法的場(chǎng)指紋法，其工作原理如下：

1、在被測(cè)管道軸向上間隔一段距離安裝兩個(gè)電極，用于施加激勵(lì)電流，然后在激勵(lì)電流內(nèi)側(cè)安裝測(cè)量電極，再在管道外側(cè)安裝一塊參考板，參考板進(jìn)行了良好的保護(hù)處理，不會(huì)發(fā)生腐蝕，參考板用電流導(dǎo)線與被測(cè)管道電氣相連，參考板上安裝參考電極。腐蝕會(huì)造成被測(cè)管道上的測(cè)量電極間的等效電阻的阻值增大，在施加相同幅值的激流電流的前提下，測(cè)量電極間的電壓就會(huì)上升，也即是測(cè)量電極間電壓的變化情況就代表了被測(cè)管道壁厚的變化情況；

2、在場(chǎng)指紋法系統(tǒng)安裝完成之后，將第一次測(cè)量得到的參考電壓和管道上的被測(cè)電壓記錄下來作為原始電壓，分別記為V_i（t₀）和V_ref（t₀）；隨著時(shí)間的推移，被測(cè)管道發(fā)生了腐蝕，將此時(shí)測(cè)量得到的參考電壓和管道上的被測(cè)電壓分別記為V_i（t_x）和V_ref（t_x），再利用以下公式計(jì)算腐蝕深度：

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）—原始時(shí)刻和腐蝕時(shí)刻的被測(cè)電壓；

V_ref（t₀），V_ref（t_x）—原始時(shí)刻和腐蝕時(shí)刻的參考電壓；

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)—被測(cè)管道的原始壁厚；

由公式（1）可以看出，場(chǎng)指紋法需要引入?yún)⒖茧妷哼M(jìn)行計(jì)算，而且需要與原始電壓進(jìn)行比較；場(chǎng)指紋法又屬于長期在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，在實(shí)際工程應(yīng)用中，長期工作狀態(tài)下系統(tǒng)電路會(huì)發(fā)生各種漂移問題，包括基線漂移和零點(diǎn)漂移等，也即是被測(cè)電壓和參考電壓都同時(shí)增大或者減小相同的幅值。由數(shù)學(xué)知識(shí)可以得知，一個(gè)除法運(yùn)算中，分子和分母同時(shí)增大或減小同樣的數(shù)值，最終的比值將會(huì)發(fā)生改變，因此漂移會(huì)對(duì)場(chǎng)指紋法的檢測(cè)結(jié)果造成很大的誤差。由公式（2）可知，場(chǎng)指紋法計(jì)算缺陷深度的公式還需要準(zhǔn)確測(cè)量得到被測(cè)管道的原始壁厚，原始壁厚的測(cè)量誤差也會(huì)對(duì)缺陷深度的計(jì)算造成不利影響；

目前的交流電位降法只是采用單一頻率的高頻激勵(lì)電流，一般只能檢測(cè)金屬管道外壁缺陷，但是金屬管道的腐蝕缺陷等絕大部分發(fā)生在金屬管道的內(nèi)壁，而且交流電位降技術(shù)也需要測(cè)量參考電壓，通過將測(cè)量電壓與參考電壓相比得到檢測(cè)結(jié)果，因此傳統(tǒng)的交流電位降法同樣也會(huì)受到漂移的影響；

本專利旨在提出一種基于變頻交流電位降法的金屬管道缺陷檢測(cè)技術(shù)，不再需要測(cè)量參考電壓，不需要測(cè)量原始電壓，不需要測(cè)量被測(cè)管道的原始壁厚，可以非常有效地消除系統(tǒng)漂移、原始壁厚測(cè)量誤差等對(duì)測(cè)量的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是針對(duì)目前傳統(tǒng)的基于直流電位降法的場(chǎng)指紋法以及傳統(tǒng)的單一頻率的交流電位降法容易受到系統(tǒng)漂移干擾這一現(xiàn)狀，提出了一種基于變頻交流電位降法的金屬管道缺陷檢測(cè)技術(shù)，具體來講是對(duì)被測(cè)管道施加一系列不同頻率的交流激勵(lì)電流，利用趨膚效應(yīng)控制電流在被測(cè)管道的分布，測(cè)量得到不同頻率的激勵(lì)電流所對(duì)應(yīng)的電壓序列，對(duì)該電壓序列進(jìn)行微分求導(dǎo)，利用導(dǎo)數(shù)曲線的極值最終求解出腐蝕缺陷的深度；

在被測(cè)管道兩端安裝兩個(gè)電極，用于施加交流激勵(lì)電流，然后在電流激勵(lì)電極內(nèi)側(cè)區(qū)域安裝測(cè)量電極，軸向上兩個(gè)相鄰的測(cè)量電極構(gòu)成一對(duì)測(cè)量電極對(duì)，用于測(cè)量電壓。由于激勵(lì)電流為交流，因此管道上的電流分布會(huì)受趨膚效應(yīng)的影響，即當(dāng)激勵(lì)電流的頻率較高時(shí)，被測(cè)管道上的電流將集中分布在靠近金屬管道外壁的一個(gè)淺層里，這個(gè)電流稱為趨膚電流，趨膚電流的趨膚深度δ 由公式（3）決定：

δ =1/(πμ_rμ₀σf)? （3）

式中μ_r是被測(cè)管道材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，μ₀是空氣的磁導(dǎo)率，σ 是被測(cè)管道材料的電導(dǎo)率，f 是激勵(lì)電流的頻率。由這個(gè)公式可以知道，隨著激勵(lì)電流頻率的降低，趨膚電流的趨膚深度將會(huì)增加，即電流將逐漸向金屬管道內(nèi)壁滲透，這將造成電流流經(jīng)區(qū)域金屬塊的深度增加，也即是電流流經(jīng)區(qū)域的等效電阻減小，在相同幅值的激勵(lì)電流的作用下，測(cè)量電極間的電壓將逐漸減小，當(dāng)趨膚電流的趨膚深度與被測(cè)管道的壁厚一致之后，趨膚電流就會(huì)充滿整個(gè)管壁中，隨著激勵(lì)電流頻率的進(jìn)一步降低，趨膚深度受限于管道壁厚不再降低，因此測(cè)量電極間的電壓將保持不變。如果對(duì)測(cè)量得到的一系列電壓值進(jìn)行微分求導(dǎo)，將會(huì)得到一個(gè)先逐漸降低，最終又等于0的負(fù)數(shù)曲線，這個(gè)曲線將有一個(gè)極值點(diǎn)；

如果被測(cè)管道存在缺陷，等效于被測(cè)管道的管壁減薄，此時(shí)向被測(cè)管道施加頻率從高到低的一系列激勵(lì)電流，隨著激勵(lì)電流頻率的降低，趨膚深度逐漸增加，此時(shí)測(cè)量得到的一系列電壓值將提前趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)橼吥w電流將在較高頻率點(diǎn)時(shí)即可提前充滿整個(gè)管壁。此時(shí)的電壓微分曲線，相對(duì)于未發(fā)生腐蝕的金屬管道的電壓微分曲線而言，將會(huì)提前達(dá)到0值點(diǎn)，其極值點(diǎn)也會(huì)發(fā)生改變，因此可以利用電壓微分曲線的極值點(diǎn)來求解缺陷深度；

具體方案步驟如下：

（1）在被測(cè)管道軸向上布置兩個(gè)電極，用于施加交流激勵(lì)電流；

（2）在兩個(gè)電流激勵(lì)電極內(nèi)側(cè)布置測(cè)量電極，軸向上兩個(gè)相鄰的電極構(gòu)成一對(duì)測(cè)量電極對(duì)；

（3）向被測(cè)管道施加頻率從高到低的交流激勵(lì)電流，測(cè)量并記錄下每個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)量電極對(duì)之間的電壓，將這一系列電壓命名為為V_f；

（4）將測(cè)量得到的一系列電壓V_f進(jìn)行微分求求導(dǎo)，計(jì)算出極值點(diǎn)E ；

（5）利用下面的公式即可計(jì)算得到被測(cè)管道的缺陷d ：

d =-0.029E +1.462

本發(fā)明的有益效果：向被測(cè)管道施加一系列不同頻率的交流激勵(lì)電流，將測(cè)量得到的一系列電壓進(jìn)行微分求導(dǎo)，由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，常數(shù)項(xiàng)不影響微分求導(dǎo)的結(jié)果，也即是如果系統(tǒng)電路發(fā)生了漂移，使得所有測(cè)量得到的電壓值都同時(shí)增大或減小了相同的幅值，也不會(huì)影響最終的求解結(jié)果。因此本發(fā)明能夠消除系統(tǒng)漂移對(duì)檢測(cè)的影響，提高了長期在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性。此外，本發(fā)明不需要測(cè)量原始壁厚，消除了原始壁厚測(cè)量誤差造成的不利影響。

附圖說明

圖1 基于直流電位降法的場(chǎng)指紋法原理圖

圖2 傳統(tǒng)的基于單一激勵(lì)頻率的測(cè)量外壁缺陷的交流電位降技術(shù)原理圖

圖3 不同頻率激勵(lì)電流下的趨膚電流在被測(cè)管道上的分布情況

圖4 變頻激勵(lì)下不同深度缺陷的電壓值序列

圖5 不同深度缺陷的電壓值序列的微分導(dǎo)數(shù)及其極值點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例詳述如下：

本發(fā)明是一種基于變頻交流電位降法的金屬管道缺陷檢測(cè)技術(shù)，具體實(shí)施步驟如下：

（1）選取一根壁厚為10mm，管徑為219mm，長度為1000mm的普通碳鋼管道作為被測(cè)對(duì)象，在管道兩端外壁焊接安裝電流激勵(lì)電極，在管道中心外壁焊接安裝五對(duì)測(cè)量電極，測(cè)量電極間距為40mm；

（2）在測(cè)量電極對(duì)應(yīng)的管道內(nèi)壁分別加工深度為1mm、2mm、3mm、4mm和5mm的缺陷，缺陷的面積均為40mm×40mm；

（3）根據(jù)被測(cè)管道的材料特性，調(diào)整激勵(lì)電流的頻率，按照趨膚電流的計(jì)算公式，使得趨膚電流的趨膚深度從0.1mm到10mm以0.1mm為等增量依次遞增，即總共設(shè)置100個(gè)頻率點(diǎn)；

（4）依次測(cè)量5對(duì)測(cè)量電極在不同頻率的激勵(lì)電流下的電壓值；

（5）分別計(jì)算出每組電壓的導(dǎo)數(shù)極值E ，并按照最終計(jì)算缺陷深度的公式計(jì)算得到的缺陷深度如下表所示：

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