一种双金属复合管缺陷检测装置与方法

技术领域

本发明涉及管道检测技术领域，具体地说是一种双金属复合管缺陷检测 装置与方法。

背景技术

双金属复合管由外层碳钢基管和内层不锈钢衬管机械加工而成，具有优 异的耐腐蚀、耐磨性和经济性，其在含H

内检测是一种将检测器放入管道中，借助管内输送介质压差驱动在管道 内部行进，对管道信息进行检测的一种技术手段。目前国内长输管道内检测 主要以漏磁内检测为主，在国内也有很多成功的案例，但该技术目前主要应 用于碳钢管及低合金钢管线检测，对于导磁性极弱的双金属复合管不锈钢衬 管缺陷检测并不适用；对于超声内检测，主要用于输送液体介质的管线内检 测，对于输气管线，因其耦合困难，限制了该技术的应用；对于电磁超声和 电磁涡流技术，目前国内尚未见成功应用的案例，而对于外检测中MTM、 TEM技术，目前仅应用于碳钢及低合金管线的非开挖检测，在双金属复合 管管线的外检测中未见应用。由于双金属复合管结构的特殊性及失效方式的 特殊性，限制了很多内、外检测技术的应用，埋地双金属复合管检测是亟待 攻克的一项技术。

因此，需要设计一种双金属复合管缺陷检测装置与方法，在单一方法无 法实现复合管内外层缺陷的同时检测，因此提出漏磁+涡流复合探伤方法， 利用内检测装置通过挂载集成复合探伤探头的检测单元，在一次通球作业中 完成双金属复合管内外层缺陷的检测，使用涡流检测对复合管内衬管缺陷进 行检测，使用漏磁检测对于复合管碳钢基管内的腐蚀缺陷进行检测，二者结 合完成双金属复合管缺陷检测。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种双金属复合管缺陷检 测装置与方法，在单一方法无法实现复合管内外层缺陷的同时检测，因此提 出漏磁+涡流复合探伤方法，利用内检测装置通过挂载集成复合探伤探头的 检测单元，在一次通球作业中完成双金属复合管内外层缺陷的检测，使用涡 流检测对复合管内衬管缺陷进行检测，使用漏磁检测对于复合管碳钢基管内 的腐蚀缺陷进行检测，二者结合完成双金属复合管缺陷检测。

为了达到上述目的，本发明提供一种双金属复合管缺陷检测装置与方法， 包括检测单元，定位单元，电源节和数据采集与存储单元，所述检测单元包 括复合探头和基管励磁组件，所述复合探头包括漏磁检测模块和涡流检测模 块，所述基管励磁组件包括永磁体、磁轭和钢刷，所述定位单元包括里程 轮、发射机和驱动皮碗，所述数据采集与存储单元包括信号调理电路、数据 转接电路和存储器；所述里程轮安装在驱动皮碗上并设置在本装置的末端， 数据采集与存储单元安装在驱动皮碗上通过万向节连接设置在里程轮的末端，检测单元通过万向节连接设置在数据采集与存储单元的前端，所述检测 单元的两侧分别设置有漏磁检测模块和涡流检测模块，并贴近复合管内侧的 不锈钢衬管，所述电源节安装在驱动皮碗上通过万向节连接设置在检测单元 的前端，所述发射机安装在电源节上。

漏磁检测模块和涡流检测模块包括感应芯片组、MCU单片机、电源模 块、数据接口、移位寄存器和ISP接口。

感应芯片组包括涡流感应模组和磁感应模组，所述涡流感应模组包括涡流 线圈、电感转换单元和辅助电子元件组成；所述磁感应模组包括霍尔单元、 数字转换单元和辅助电路。

感应芯片组包括涡流感应芯片和三轴感应芯片，采用SPI通信，涡流感应 芯片包括4颗芯片分成两组，三轴感应芯片4颗为一组，所述涡流感应芯片 跨接的电容值均不相同，两组的驱动时钟分别为13M和16M，两组的 MOSI分别由MCU控制；所述三轴感应芯片，四颗芯片片选、时钟、MOSI 共用同一路信号，输出MISO分别由MCU接收，四颗芯片数据采集时可以 同时输出，保证了数据的一致性；涡流芯片和三轴芯片共用MISO，通过片 选信号来控制数据的分时输出给MCU，由于两种的芯片的SPI工作模式不 一样，与不同的芯片通信时，需要及时更改SPI工作模式。

MCU单片机采用了低功耗的单片机，用于配置和初始化传感器、采集传 感器数据和存储和传输数据。

一种双金属复合管缺陷检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1：将本装置放入双金属复合管中，对外层基管和内层衬管的管体缺陷 进行检测，管内流动介质在驱动皮碗处产生压差推动本装置在管内移动，里 程轮与管道内壁接触，通过旋转获取装置在管道内的行进距离，发射机发射 定位信号，检测人员通过地面接收获取装置位置，由里程轮采集本装置的位 移信号；

S2：基于漏磁检测原理对双金属复合管外层基管缺陷检测，使用永磁 铁、钢刷和磁轭组成的基管励磁组件与管道之间形成一个闭合的磁通回路， 将外层基管局部磁化，使其处于饱和磁化状态，当励磁装置扫描到缺陷位置 时，缺陷周围会产生漏磁场，使用复合探头中的霍尔单元获取该漏磁信号， 转换为数字信号后传输至探头MCU单片机；

S3：基于电涡流探伤原理对双金属复合管内层衬管缺陷检测，使用复合 探头中的涡流线圈检测内衬管缺陷，提取内衬管缺陷引起的线圈阻抗信号变 化，经电感转换单元处理后传输至探头MCU单片机；

S4：探头MCU单片机中的漏磁与涡流信号数据，通过分时采集系统传输 至机芯存储；

S5：将数据传输至解压单元，恢复原始检测数据，通过数据分析，结合 里程信息确定缺陷的位置和状态。

本发明同现有技术相比，基于漏磁原理检测双金属复合管基管缺陷，基于 电涡流探伤原理检测内衬管缺陷，通过将集成漏磁与涡流复合探头的内检测 装置放入双金属复合管中，对外层基管和内层衬管的管体缺陷进行检测，信 号数据经探头MCU单片机的处理后，传输至机芯中压缩并存储数据，解决 双金属复合管检测难的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的复合探头控制器原理图；

图3为本发明的复合探头结构布局示意图；

图4为本发明的复合探头涡流模块检测原理示意图；

图5为本发明的复合探头漏磁采集模块检测原理示意图；

图6为本发明的漏磁感应芯片原理图；

图7为本发明的涡流感应芯片原理图；

图8为本发明的移位寄存器逻辑示意图；

图9为本发明的移位寄存器逻辑功能表示意图；

图10为本发明的移位寄存器的逻辑时序图；

图11为本发明的复合探头实物图。

图12为本发明的探头安装在检测器上的示意图。

附图标记说明：

1为碳钢基管，2为不锈钢衬管，3为发射机，4为驱动皮碗，5为电源 节，6为万向节，7为涡流检测模块，8为漏磁检测模块，9为里程轮。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步描述。

参见图1～图12，本发明提供一种双金属复合管缺陷检测装置与方法， 包括检测单元，定位单元，电源节5和数据采集与存储单元，所述检测单元 包括复合探头和基管励磁组件，所述复合探头包括漏磁检测模块8和涡流检 测模块7，所述基管励磁组件包括永磁体、磁轭和钢刷，所述定位单元包括 里程轮9、发射机3和驱动皮碗4，所述数据采集与存储单元包括信号调理 电路、数据转接电路和存储器；所述里程轮9安装在驱动皮碗4上并设置在 本装置的末端，数据采集与存储单元安装在驱动皮碗4上通过万向节6连接 设置在里程轮9的末端，检测单元通过万向节6连接设置在数据采集与存储 单元的前端，所述检测单元的两侧分别设置有漏磁检测模块8和涡流检测模 块7，并贴近复合管内侧的不锈钢衬管2，所述电源节5安装在驱动皮碗4 上通过万向节6连接设置在检测单元的前端，所述发射机3安装在电源节 上。

漏磁检测模块8和涡流检测模块7包括感应芯片组、MCU单片机、电源 模块、数据接口、移位寄存器和ISP接口。

感应芯片组包括涡流感应模组和磁感应模组，所述涡流感应模组包括涡流 线圈、电感转换单元和辅助电子元件组成；所述磁感应模组包括霍尔单元、 数字转换单元和辅助电路。

感应芯片组包括涡流感应芯片和三轴感应芯片，采用SPI通信，涡流感应 芯片包括4颗芯片分成两组，三轴感应芯片4颗为一组，所述涡流感应芯片 跨接的电容值均不相同，两组的驱动时钟分别为13M和16M，两组的 MOSI分别由MCU控制；所述三轴感应芯片，四颗芯片片选、时钟、MOSI 共用同一路信号，输出MISO分别由MCU接收，四颗芯片数据采集时可以 同时输出，保证了数据的一致性；涡流芯片和三轴芯片共用MISO，通过片 选信号来控制数据的分时输出给MCU，由于两种的芯片的SPI工作模式不 一样，与不同的芯片通信时，需要及时更改SPI工作模式。

MCU单片机采用了低功耗的单片机，用于配置和初始化传感器、采集传 感器数据和存储和传输数据。

一种双金属复合管缺陷检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1：将本装置放入双金属复合管中，对外层基管和内层衬管的管体缺陷 进行检测，管内流动介质在驱动皮碗4处产生压差推动本装置在管内移动， 里程轮9与管道内壁接触，通过旋转获取装置在管道内的行进距离，发射机 3发射定位信号，检测人员通过地面接收获取装置位置，由里程轮9采集本 装置的位移信号；

S2：基于漏磁检测原理对双金属复合管外层基管缺陷检测，使用永磁 铁、钢刷和磁轭组成的基管励磁组件与管道之间形成一个闭合的磁通回路， 将外层基管局部磁化，使其处于饱和磁化状态，当励磁装置扫描到缺陷位置 时，缺陷周围会产生漏磁场，使用复合探头中的霍尔单元获取该漏磁信号， 转换为数字信号后传输至探头MCU单片机；

S3：基于电涡流探伤原理对双金属复合管内层衬管缺陷检测，使用复合 探头中的涡流线圈检测内衬管缺陷，提取内衬管缺陷引起的线圈阻抗信号变 化，经电感转换单元处理后传输至探头MCU单片机；

S4：探头MCU单片机中的漏磁与涡流信号数据，通过分时采集系统传输 至机芯存储；

S5：将数据传输至解压单元，恢复原始检测数据，通过数据分析，结合 里程信息确定缺陷的位置和状态。

实施例：

将本装置放入双金属复合管中，对外层碳钢基管1和内层不锈钢衬管2的 裂纹、金属损失缺陷进行检测。

管内流动介质在驱动皮碗4处产生的压差推动本装置在管内移动，由里程 轮9采集本装置的位移信号、检测单元中的漏磁检测模块8采集基管表面的 漏磁数据、检测单元中的涡流检测模块7获取衬管表面的涡流反馈数据，信 号经转接处理后送入采集与存储单元，电源节5为装置中的带电元件供电。

复合探头由漏磁检测模块8和涡流检测模块7及相关电路构成，具体的， 将感应芯片组、MCU、电源模块、数据接口、移位寄存器、ISP接口共同封 装在探头中实现，控制原理如图2所示。感应芯片组获取到的涡流信号和漏 磁信号通过ISP数据通道传输至MCU单片机中，MCU等待机芯指令，通 过PC[3:0]分时采集感应芯片组中的漏磁与涡流信号，然后通过MCU的 PB[7:0]传给移位寄存器，最后移位寄存器在机芯的控制下全部传给机芯。

感应芯片组包括涡流感应模组和磁感应模组，其在单个复合探头上的分布 如图3所示。在单个探头上，4个三轴数字式磁通感应芯片纵向分布在中 间，捕捉双金属复合管基管的轴向、周向、和径向的磁感应强度；涡流线圈 为4层PCB印刷线圈，分布在左右两侧，交错等距分布，捕捉由被测管道 引起的涡流阻抗变化，其中上述复合探头的结构布局方式不唯一，增加通道 数量或者改变位置依然可以实现相应功能。

涡流感应模组由涡流线圈、电感转换单元及辅助电子元件组成。通过电感 转换单元将涡流线圈的阻抗信息传输至MCU，线圈跨接不同的电容并配置 不同驱动时钟，改变线圈的工作频率，进而控制涡流的检测深度，获取衬管 缺陷的信息，涡流检测电路原理如图4所示。

磁感应模组由霍尔单元、数字转换单元及辅助电路构成，输出三轴数字式 磁通信号传输至复合探头中的MCU，获取基管缺陷信息，漏磁采集模块检 测原理如图5、图6所示。

复合探头中的电源模块，由于供电电压较高20V以上，采用了DC-DC到 LDO的电源拓扑结构，DC-DC芯片输入电压高达38V，效率高达81％，输 出电压为5V，LDO输出电压为3V。

复合探头中的感应芯片组包括涡流感应芯片和三轴感应芯片，采用SPI通 信，一般的，涡流感应芯片包括4颗LDC芯片，分成2组，U3、U5,和 U4、U6分别为一组，而三轴感应芯片4颗为一组。

如图7所示，涡流感应芯片INA、INB可跨接不同的电容，两组的驱动 时钟分别为13M和16M，两组的MOSI分别由MCU的PC5和PC4控制， 因此2组的初始配置参数也可能不相同，最终这4颗芯片工作状态可能也不 一样，至少线圈的工作频率是有差异的。

三轴感应芯片，四颗芯片片选(PD2)、时钟(PD1)、MOSI(PC4)共用 同一路信号，而输出MISO分别由MCU的PC[3:0]接收，从而保证了，四 颗芯片数据采集时，可以同时输出，保证了数据的一致性。

由于涡流芯片和三轴芯片共用MISO，为了保证数据的区分，通过片选信 号(PD0、PD2)来控制数据的分时输出给MCU，由于两种的芯片的SPI工 作模式不一样，与不同的芯片通信时，需要主要及时更改SPI工作模式。

如图8所示，复合探头中的移位寄存器采用8位计数器，速度高，性能稳 定，其中：A～H，接MCU的PB[7:0]，刚好8bit，其逻辑功能如图9所 示，主要由CLK和SH控制，其它控制管脚都已接了低电平，简化了控 制。如图10所示，数据接口的施密特触发器管脚1Y输出低电平时，MCU 的PD3得到信号指令，进行采集的数据数据输出，将采集的数据通过 PB[7:0]输出，同时移位寄存器的SH拉低，将PB[7:0]逻辑电平锁定到A～G 上，然后通过1Y输出高电平，2Y作为时钟驱动CLK，从而G～A的数据依 次通过QH输出给3A，经过施密特触发器传给机芯，这样做的好处数据速 率根据需要可以随时调整。

复合探头中的数据接口主要有2根控制线和1根数据线，这里采用了施密 特触发器，起稳定信号缓冲数据的作用，尤其是1A和2A，作为控制输入 线，线缆较长，容易受到干扰，这里使用2个电容也是为了防止数据抖动， 3Y作为数据输出机芯，接收移位寄存器QH的输出，数据率较大。1Y起到 通知MCU和控制移位寄存器的用，2Y作为时钟信号驱动移位寄存器。

复合探头中的MCU单片机采用某低功耗单片机，拥有4KBFlash， 1KBEEPROM，2KB的RAM。主要作用有配置和初始化传感器；采集传感 器数据；存储和传输数据；接收机芯控制信号；

MCU使用PC和PD端口控制传感器，具体如何分配管脚控制，前文已描 述，这里主要阐述下可能的数据控制传输思路(即程序控制流程)。

第一种：实时采集-转发

MCU等待机芯指令，即MCU的PD3电平为低时，MCU立即通过 PC[3:0]分时采集LDC和MLX芯片的感应值，然后通过MCU的PB[7:0]传 给移位寄存器，最后移位寄存器在机芯的控制下全部传给机芯。

第二种：采集-存储-转发

MCU按照约定时间，不停的采集感应芯片数据，然后存储下来。在某个 时刻，或者机芯约定的时刻，机芯通过1Y给MCU的PD3低电平，告知 MCU要取数据了，然后MCU将存储的数据通过PB[7:0]传给机芯。

复合探头中的ISP接口J2主要通过与MCU的PB3(MOSI)、PB4 (MISO)、PB5(SCLK)和PC6(RESET)相连接，从而对MCU进行 Flash更新，即程序下载。

如图11所示，焊接好的复合探头PCB电路板，固定在探头耐磨片上，涡 流线圈一侧朝外，另一端为柔性聚氨酯支架，中间用环氧树脂填充灌封。

如图12所示，复合探头安装在整体装置上的状态。

以上仅是本发明的优选实施方式，只是用于帮助理解本申请的方法及其核 心思想，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下 的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润 饰也应视为本发明的保护范围。

本发明从整体上解决了现有技术中对于双金属复合管检测的难题，通过使 用涡流检测对复合管内衬管缺陷进行检测，使用漏磁检测对于复合管碳钢基 管内的腐蚀缺陷进行检测，二者结合完成双金属复合管缺陷检测，有效避免 了因双金属复合管所在环境和输送介质等问题造成的检测问题，具备很大的 工业应用价值。