关键词:
缺陷边缘识别
磁梯度张量组合不变量
梯度下降算法
金属磁记忆
油气管道
摘要:
随着我国能源行业的稳步发展,对能源安全要求的不断提高,油气管道作为国家经济运行的动脉,保证其安全运行有着重要意义,但在服役过程中油气管道往往会受到各种因素影响而导致缺陷、损伤,一旦发生泄漏,则可能引发火灾、爆炸等灾难性事故,危及公众身体健康与财产安全,造成重大的社会影响。目前油气管道磁记忆检测受检测方向影响较大,且缺陷边缘难以实现精确识别。找寻缺陷边缘识别方法精准定位缺陷位置,及时对管道损伤进行预防性养护,有利于控制长输油气管道的维修成本,为国家能源行业进一步发展增强助力。
油气管道事故的频繁发生是由于难以准确检测埋地管道缺陷,而管道运行中缺乏备用管线,野外地形复杂导致管线安装及维修作业难度大,需定时进行检测与安全性评定。考虑磁梯度张量基础理论常应用于资源勘探、军事、环境领域,可以实现对磁源目标的定位和边界识别,因其磁梯度张量不变量受环境磁场影响小,且具有高分辨率,将其引入油气管道缺陷边缘识别领域。
设计一种交错型磁梯度张量测量系统,通过MATLAB进行数值仿真并与目前工程领域常用的十字型和四面体型磁梯度张量测量系统进行对比,发现与上述测量系统的仿真结果近似,说明设计的磁梯度张量测量系统精度符合要求,而其需要的铁磁传感器数目更少,结构上更为简单,便于操作。
为验证与探索不同检测方向、不同检测方向、不同检测方式对管道检测中的影响,通过对三维磁偶极子磁偶极子进行建模,并通过预制不同缺陷尺寸的管道试件进行磁记忆检测实验,获取不同检测方向、不同检测方向、不同检测方式下的磁记忆信号表征规律,数值仿真与实验分析两种方式相互印证,皆表明:正反方向影响可以忽略,直接检测的数据较间接检测更为明显,但不同检测方向对磁记忆信号的影响,无论是跳变幅值还是跳变点位置均无规律可循,因此直接利用磁记忆原始数据无法进行缺陷边缘精准识别。
考虑到磁记忆检测信号存在着分散性、模糊性等问题,对被测管道进行磁梯度张量信息的提取,将磁梯度张量矩阵进行对角化处理得到磁梯度张量第二、第三不变量,来克服缺陷边缘识别过程中检测方向、检测方式的影响,但两种不变量在表征缺陷边缘时边缘局部易呈现模糊性,无法进行准确识别。
为进一步突出缺陷边缘位置,根据Cardano公式对两种不变量进行改进,并分别设置权值a、b进行叠加获得磁梯度张量组合不变量I,利用分数阶求导思想改进梯度下降算法确定最优权值,建立管道缺陷边缘磁记忆识别模型。通过实验与工程数据进行模型验证,验证结果表明:该模型在实验室条件下,对缺陷边缘识别平均相对误差为3.59%,最大相对误差为6.12%,实际工程中,相对误差在15%以内,且可以通过识别缺陷边缘的位置观察缺陷形状缺陷类型,通过磁梯度组合不变量最大值及峰峰值的大小对管道损坏程度进行初步判断,为实际工程中管道缺陷边缘精准识别提供可行办法。