牛露燕，任旭虎，王瀚林，赵雪阳，由郑
（中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东青岛 266580）
埋地管道运输是目前油气输送最安全有效的方式[1]。由于工作介质和机械损伤等因素的影响，管道容易出现疲劳、裂纹、腐蚀等多种问题[2]，导致泄漏、爆炸等事故的发生，造成经济损失甚至会威胁到人身安全。因此，在对管道安全性和可靠性进行检测时，选用一种能实现对管道早期损伤进行检测的方法，对管道运输风险的控制和预警具有极其重要的意义。
金属磁记忆检测技术(Metal Magnetic Memory Testing，MMMT)是一种新型的无损检测技术，仅在地磁场环境下就可以实现对铁磁性管道应力集中状态的检测[3]。目前国外金属磁记忆检测设备研发最为成熟的是俄罗斯的动力诊断公司，其成功生产的TSC 系列金属磁记忆检测设备，在很多国家和地区得到了推广和使用[4]。国内对于金属磁记忆检测设备的研发起步较晚，市面上较为常见的有厦门爱德森公司的EMS 系列检测设备和必可测公司的MMT系列检测仪，但都无法对材料进行提离一定高度的检测[5]。相对于国外，国内大部分检测设备无法实现非接触式检测，且关键技术依赖于国外进口设备。
针对于上述问题，该文基于金属磁记忆检测技术研发了一种金属管道磁应力测量系统。该系统能够对非开挖状态的埋地管道进行无损缺陷检测，实现对埋地管道腐蚀缺陷、焊缝等应力集中部位的检测。
金属磁记忆检测技术是一种被动的检测方法，与漏磁检测方法类似，也是基于铁磁性材料的高磁导率特性、磁致伸缩效应和磁弹性效应实现的[6]。其基本工作原理是在外部载荷和地磁场的共同作用下，应力和形变集中区内的磁畴结构将会发生不可逆地重新定向，这种变化会使铁磁性材料发生磁化现象，从而在应力与形变集中区产生漏磁场[7-9]。因此，在检测过程中通过获取管道上方的漏磁场信息就可以确定管道的缺陷和损伤部位的位置，且无需任何外部励磁。而当管道表面不存在缺陷时，磁场会均匀分布[10-11]。管道局部缺陷处的磁信号特征示意图如图1 所示。
图1 管道局部缺陷处的磁信号特征示意图
2.1 需求分析
埋地管道本身的磁信号非常微弱，在埋深较深和垂直地表的方向，磁信号衰减得非常快，并且当周围环境中存在磁场干扰时，很容易引起误判[12]。因此在设计该系统时，需要选用一种精度较高且对弱磁敏感的三轴磁探头来采集管道产生的微弱磁信号，对采集到的信号进行调理后经过高精度A/D 芯片转换为数字量，再通过主控STM32 单片机传递至嵌入式交互系统，在交互系统内进行软件开发，实现数据波形的显示、即时存储、回放查看及诊断分析功能。同时，在制作仪器时，为了降低磁性物体对检测结果的干扰，应尽可能避免选用铁磁性材料和自带磁场的器件等[13]。
2.2 管道磁应力测量系统硬件设计
硬件电路部分主要包括电源模块、多路信号采集模块、探头信号调理模块、主控模块及用户交互模块。系统总体硬件框图如图2 所示。电源模块为其他模块提供不同的供电电压；
三轴磁探头将采集到的磁信号转化为电压信号，经信号调理模块输入多路信号采集模块；
主控模块与多路信号采集模块通信，接收经数字量化后的电压信号；
用户交互模块通过UART 端口与主控模块通信，进行最终的波形显示、数据存储、信号回放及诊断分析。
图2 系统总体硬件设计框图
2.2.1 电源模块
系统电路对可靠性、安全性、稳定性有较高的要求，设计时电源电路需要考虑元件的耐压值、功率值等多项参数。电源部分由多个子电路构成，输出不同的电压为整个系统供电，根据每个模块的不同性质，使用DC-DC 稳压芯片、LDO 稳压芯片以及隔离DC-DC 电源模块等器件将电压调整至满足需求。由于要区别测量模拟信号和逻辑数字信号，电源电路隔离为两部分，分别接模拟地和数字地。电源电路设计图如图3 所示。
图3 电源电路设计图
2.2.2 探头信号调理模块
探头信号调理模块将探头输出的模拟信号进行隔离、滤波以及阻抗匹配，再输入至多路信号采集模块的AD7608 芯片中，大大降低了干扰与误差。该部分电路设计主要包括一阶RC 低通滤波电路和电压跟随电路两部分。
为去除探头采集到的测量信号中可能出现的高频噪声分量，确保输入A/D 芯片的信号精度，设计一阶RC 低通滤波电路。因系统采样频率为20 Hz，所以将其截止频率设置为70 Hz。另外，为了解决无探头时运放输入端电平悬空可能导致输出不稳定的问题，添加直流通路电阻进行下拉，使其输入悬空时输出保持固定。
系统设计时采用OPA2189IDR 高精度运放芯片构成电压跟随电路。该运放芯片具有超低噪声和零温漂特性，可提供轨到轨输出运行，非常适合高精度仪表和信号测量的应用，满足系统设计的需求。
2.2.3 多路信号采集模块
系统共用了两个磁信号采集探头，每个磁信号探头采集3 路信号，因此共采集6 路信号，且需要同步采集。而单片机内部ADC 精度较低且幅值最高仅为3.3 V，不满足该系统的需求。因此该模块采用的是18 位电荷再分配逐次逼近型的模拟数字转换器AD7608，可支持8 路同步采样差分输入[14]。A/D采集模块电路设计图如图4 所示。
图4 A/D采集模块电路设计图
2.2.4 主控模块
主控芯片作为整个系统的控制核心，需要具备较高的运算能力。因此，综合该系统的设计需求，选用STM32F103RCT6 作为主控芯片，该芯片具有运行速度快、可扩展性强、编程自由化程度高、寻址方式灵活等优点，完全满足系统设计时的所有需求[15]。主控模块设计框图如图5 所示，MCU 接收用户通过按键发送的指令，利用串行外设接口（SPI）与A/D 芯片通信，得到转换好的电压数据，再通过UART 端口将数据传递至嵌入式交互系统进行下一步处理与操作；
同时主控采集电池电压，在屏幕上实时显示；
无线透传WIFI 模块与GPS 为预留模块，以供后续系统优化升级。
图5 主控模块外围电路设计框图
2.3 管道磁应力测量系统软件设计
系统总体程序由信号采集处理程序和信号综合分析程序两部分组成。信号采集处理程序与信号综合分析程序分别独立运行于主控模块的STM32F103RCT6单片机与Linux 组态嵌入式交互系统中，两者间通过UART 端口进行异步双向通信，传递指令与数据。信号采集处理程序负责控制多路信号同步采集模块，对测量信号进行采集与处理，且可以将实时状态与数据发送至信号综合分析程序中，并可以响应来自信号综合分析程序的控制信号；
信号综合分析程序可对信号处理程序传来的测量数据进行分析，并将数据绘制成波形图显示出来，实现数据可视化，为管道缺陷分析奠定基础。
2.3.1 信号采集处理程序设计
信号采集处理程序的主要功能是读取外部A/D芯片的数据并进行处理，再将数据发送至信号综合分析程序。该部分程序使用了支持多线程运行的FreeRTOS 作为基本系统架构，其能够使系统中的多个子程序并发运行[16]。信号采集处理程序的功能框图如图6 所示。
图6 信号采集处理程序功能框图
在该部分程序中，每个线程中都包含一个子程序。其中，外部A/D 采样子程序通过控制MCU 内部SPI 总线，向A/D 芯片发送控制指令以及读取采集到的数据；
信号处理子程序用于对读取到的原始数据进行滤波、数据校验，并格式化为数据帧；
串口通信子程序能够控制MCU 的多个UART 端口，可使MCU与信号综合分析程序进行通信；
自检与异常状态处理子程序会实时扫描系统的运行状态，当系统发生异常状况（如外设离线、电池电压过低）时及时进行软件保护并提醒用户；
用户子程序中包含一个有限状态机，该状态机运行在程序的顶层，能够根据用户指令与系统运行情况切换至不同的状态，并以此来调度其他线程，控制系统进行信号采集与数据传输。
系统上电后，MCU 根据主程序依次对硬件与软件进行初始化。全部组件初始化完毕后，FreeRTOS开始运行，调度MCU 的软硬件资源，有限状态机也开始通过该系统对各部分任务进行调度，整个系统进入正常工作状态。有限状态机逻辑框图如图7 所示。
图7 有限状态机逻辑框图
该程序的状态机包括空闲、采样、存储与分析四个状态。当系统启动并正常运行时，系统处于空闲状态，接收到不同的命令后，状态机则会根据命令进行高效的状态切换，系统处于不同的状态时，能够到达的下一状态也不同，并且仅会执行当前状态下的子程序与线程。
2.3.2 信号综合分析程序设计
信号综合分析与交互程序运行于Linux 组态嵌入式交互系统的Cortex-A7 处理器中，该处理器拥有四核心，主频高达1.2 GHz，可在满足波形绘制、UI 构建的基础上，实现对大量数据的处理与计算。
系统主界面如图8 所示。网格部分为测量波形窗口，其横轴为时间（距离），纵轴为磁场强度，波形窗口底部分别为测量距离、测量状态指示与采样点间隔长度；
底部为探头各通道数据实时值，单位为nT。
图8 系统主界面设计图
图9 为系统存储界面。系统转入存储界面后，会显示当前存储路径以及该路径下已存储的其他文件，存储的文件名格式为“日期-文件编号”，文件名可通过虚拟键盘进行修改，设置好期望的文件名后，按下“确认存储”键即可完成此次测量的存储，存储完成后系统将返回空闲状态。若设置的文件名与已有文件重复，或对一段数据进行了二次存储，系统则会给用户发出警告信息。
图9 系统存储界面示意图
在系统存储界面下，用户可滑动触屏对已有文件进行选择，选中期望的文件后可对文件进行回放或删除操作。
系统设计完成后，为了验证其可行性和可靠性，制作了一台样机，并在现场环境中对该样机进行实际测试与应用。现场测试过程中，选取了东营孤岛某天然气管线上的金属管道和输油管道进行测试，在确定了被测管道存在的缺陷和测量范围后，测试人员手持样机开始采集数据。
3.1 缺陷灵敏性测试
对正常管道以及三处存在缺陷的部位进行对比测试，检测管道磁应力测量系统对管道的缺陷部位是否灵敏。仪器对正常管道和缺陷管道进行测试，得到的磁感应强度的矢量和如表1 所示。从表中数据可知，与正常管道相比，仪器均可以检测到焊缝、弯头、腐蚀缺陷的应力异常值。
表1 系统磁感应强度的矢量和测试结果
3.2 重复误差测试
确定了管道待测点后，使用管道磁应力系统进行了10 次重复测量[17-18]，测量时设备同步采集x、y、z三个方向的磁感应强度数据，经计算，系统测试的磁感应强度的矢量和及重复误差值如表2 所示。根据表格数据可知，样机现场定点测量最大重复误差为0.724%，故该系统定点测量稳定性较高。
表2 系统磁感应强度的矢量和及重复误差结果
3.3 动态管线测试
在进行系统灵敏性测试和重复误差测试时都是对待测管道进行定点测试，为了证明样机能检测到管道的有效磁信号并识别应力异常点，进行了动态管线测试。测试时选取的管道为一段埋深0.5 m、长5.2 m 的铁质输油管道。
采集数据时，实验人员手持样机垂直于管道的上方，从一端沿管道轴向缓慢前进，移动速度约为2 m/min，采样频率为20 Hz，设备搭载了两个Mag-690探头，同步采集x、y、z三个方向的磁感应强度数据，样机采集到的埋地管道磁信号示意图如图10 所示。从图中可以看到有两处较为明显的应力集中异常部分，对这两处进行开挖验证，发现存在严重的腐蚀缺陷，说明该系统能有效检测到埋地管道的应力集中异常部分，且应力集中异常部分与管道本身存在缺陷的部位一致。
图10 埋地管道磁信号示意图
该文设计了金属管道磁应力测量系统，完成了信号调理、多路信号采集电路等硬件设计、信号采集处理和综合分析等软件设计，该系统成本较低、操作简单，经过综合测试，验证了该系统软硬件设计的可行性和稳定性。由于实验条件和探头灵敏度的限制，该系统实际测量时能检测的埋地管道的埋深较浅，埋深较深时，系统能检测到的有效磁信号非常微弱，因此该系统还需要进一步优化和完善。
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