埋地管道腐蚀的瞬变电磁快速检测方法与装置研究

摘要

埋地金属管道运输是一种重要的能源运输方式，其腐蚀检测已成为管道安全运行中重要的组成环节。埋地管道腐蚀检测方法有很多，其中激光检测法、漏磁检测法、超声波检测法和远场涡流法主要是用于埋地管道内检测，并且使用前需要对管道内壁进行清理，对于长距离埋地管道而言，有一定的局限性；“NOPIG”检测法是一项新兴的检测方法，该方法相关研究目前还处于起步阶段，无法用于实际检测。本文基于瞬变电磁法，分别从理论分析、软件开发、仪器优化和试验验证等四个方面开发了埋地管道腐蚀快速检测系统。　　首先，通过ANSYS电磁建模得到了不同剩余壁厚管道的二次响应电压曲线，并分析了瞬变电磁早期响应与管道壁厚之间的关系，计算得到了其视深度-视电阻率曲线。通过分析视深度为1m处的视电阻率与管道壁厚的对应关系，得到了埋地管道壁厚的估计公式。进一步地，分析了不同土壤电阻率、管道埋深、管道内径和管道覆盖层厚度对该公式的影响。其中，土壤电阻率在10Ω·m～400Ω·m范围内变化时，壁厚计算公式误差较小，最大误差仅为1.95%；管道覆盖层厚度在0mm～200mm范围内变化时，最大误差为30.53%；管道埋深和管道内径变化对壁厚计算有较大的影响。为了减小不同管道埋深和管道内径对管道壁厚的计算误差，对管道壁厚估计公式进行优化，提出并整理得到一个有管道埋深、内径参数矫正的管道壁厚估计公式。　　然后，对软件与设备通信、数据叠加降噪、数据加窗显示和管道壁厚计算等模块进行设计，开发了瞬变电磁点测模式下的采集和后处理软件。针对于传统瞬变电磁点测模式效率较低特点，提出了结合GPS实时定位系统的瞬变电磁连续测量模式，并对传统瞬变电磁硬件和软件系统进行优化设计，实现了基于埋地管道腐蚀的瞬变电磁连续动态检测。　　最后，构建了埋地管道腐蚀检测试验模型，并分别利用本文开发的瞬变电磁点测模式和连测模式对该模型进行检测。分别从检测效果和施工效率对比了两种检测模式的优缺点，其中点测模式下所测得腐蚀度百分比曲线起跳点较多但位置准确，连测模式下所测得的腐蚀度百分比曲线较为平滑但存在一定的距离偏移。点测模式的检测效率低，连测模式的检测效率高。利用本文所开发埋地管道的瞬变电磁连测检测系统，可以实现长埋地管道腐蚀的快速检测，适用于管道腐蚀检测普查阶段。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 激光检测法

1.2.2 漏磁检测法

1.2.3 超声波检测法

1.2.4“NOPIG”检测法

1.2.5 远场涡流检测法

1.2.6 瞬变电磁检测法

1.2.7 埋地管道腐蚀检测存在的问题

1.3 研究内容

2 埋地管道的瞬变电磁响应信号特征分析

2.1.1 瞬变电磁法装置结构

2.1.2 瞬变电磁法的“烟圈”效应

2.1.3 瞬变电磁法视电阻率计算

2.2 典型埋地管道的瞬变电磁检测标准

2.3.1 不同腐蚀度的瞬变电磁响应

2.3.2 不同腐蚀度的视电阻率

2.3.3 管道壁厚值的估计算法

2.4 不同因素的瞬变电磁视响应特征分析

2.4.1 不同土壤电阻率

2.4.2 不同管道埋深

2.4.3 不同管道内径

2.4.4 不同管道覆盖层厚度

2.5 本章小结

3 埋地管道的瞬变电磁检测装置及软件设计

3.1.1 瞬变电磁系统结构

3.1.2 瞬变电磁发射接收一体机

3.1.3 瞬变电磁一体化线圈

3.2 瞬变电磁软件设计流程

3.3.1 CyAPI库函数介绍

3.3.2 通信流程设计

3.4 数据叠加降噪模块的设计

3.4.1 埋地管道的瞬变电磁响应噪声来源

3.4.2 叠加降噪原理介绍

3.4.3 叠加降噪效果对比

3.5.1 数据显示模块介绍

3.5.2 数据剖面显示界面设计

3.6.1 管道剩余壁厚计算流程

3.6.2 管道剩余壁厚显示界面设计

3.7 本章小结

4 埋地管道的瞬变电磁快速检测系统设计

4.1.1 GPS定位原理

4.1.2 GPS定位装置工作模式

4.2 地球椭球坐标系及相互关系

4.2.1 地球椭球参数

4.2.2 地球椭球坐标系

4.2.3 坐标系之间相互关系

4.2.4 高斯-克吕格正反投影

4.3 检测系统优化设计

4.3.1 装置系统优化设计

4.3.2 软件系统优化设计

4.4 本章小结

5 埋地管道腐蚀检测试验

5.1 试验管道模型设计

5.2.1 试验装置及工作参数

5.2.2 试验结果分析

5.3.1 试验装置及工作参数

5.3.2 试验结果分析

5.4 试验综合分析

5.4.1 不同检测模式下试验效果分析

5.4.2 不同检测模式下试验效率分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢