路通 王懷江 袁東野 陳秋華 王丹丹

摘 要：本文介紹了一種基于壓電超聲波原理的管道內(nèi)檢測(cè)器設(shè)計(jì)，有效克服了漏磁內(nèi)檢測(cè)器數(shù)據(jù)解讀門檻較高、對(duì)腐蝕深度和面積測(cè)量精確度不足等缺陷。通過(guò)超聲波探頭的合理配置及后處理算法的優(yōu)化能夠大大的提升管道內(nèi)檢測(cè)的工作效能，對(duì)提高海底管道腐蝕檢測(cè)能力具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè);管道內(nèi)檢測(cè);腐蝕缺陷

中圖分類號(hào)：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0143-02

1 管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概述

管道內(nèi)檢測(cè)器技術(shù)主要有兩種：漏磁內(nèi)檢測(cè)器[1]以及壓電超聲波內(nèi)檢測(cè)器[2]。漏磁內(nèi)檢測(cè)器適用面較廣，但漏磁內(nèi)檢測(cè)器的數(shù)據(jù)解讀門檻較高，特別是在判斷腐蝕面積以及腐蝕形狀時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大誤差。我國(guó)在內(nèi)檢測(cè)器開(kāi)發(fā)領(lǐng)域漏磁內(nèi)檢測(cè)器取得了較大進(jìn)展，但在壓電超聲波方面仍是空白。壓電超聲波內(nèi)檢測(cè)器用于液體介質(zhì)的管道的檢測(cè)，具有檢測(cè)數(shù)據(jù)精度高和置信度高的特點(diǎn)，也可以激勵(lì)45度橫波用于管壁內(nèi)的裂紋缺陷的檢測(cè)，并且其檢測(cè)精度不受壁厚或內(nèi)外壁的限制，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)管道腐蝕與裂紋的檢測(cè)[3]。

2 壓電超聲波檢測(cè)器的檢測(cè)原理簡(jiǎn)介

壓電超聲波的檢測(cè)原理為：超聲波探頭發(fā)射脈沖至管道內(nèi)壁，管道內(nèi)壁的反射信號(hào)為界面波信號(hào)，傳播至管道外壁并反射的信號(hào)為底波信號(hào)，一般情況下接收信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一次底波，二次底波等。超聲波信號(hào)的界面顯示成為A掃描。A掃描信號(hào)通過(guò)設(shè)置首波閘門進(jìn)行內(nèi)表面始波識(shí)別與時(shí)刻標(biāo)記，設(shè)置一次波閘門進(jìn)行一次底波拾取，設(shè)置二次波閘門進(jìn)行二次底波拾取，并通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮閘門進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)。如圖1所示為我們采用的壓電超聲波探頭采集到的超聲波信號(hào)，中心頻率為5MHz，帶寬超過(guò)75%。由此可以清晰看到一次回波至多次回波。

3 高精度壓電超聲波內(nèi)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)

圖2為壓電超聲波內(nèi)檢測(cè)器概念圖，該檢測(cè)器主要基于12吋管道（直徑323.9毫米）內(nèi)檢測(cè)研制，該檢測(cè)器包含128個(gè)測(cè)厚探頭，探頭圓周間距為7.36毫米，探頭的中心頻率為5MHz。檢測(cè)器一共分為四節(jié)，分別為電池節(jié)、姿態(tài)節(jié)、電子艙和探頭節(jié)。四節(jié)的總長(zhǎng)度約2.5米，節(jié)與節(jié)之間采用萬(wàn)向節(jié)相連保證檢測(cè)器過(guò)彎頭時(shí)仍能順利通過(guò)，四節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)均采用完全水密封，能適應(yīng)管道內(nèi)的高壓環(huán)境。

檢測(cè)器探頭節(jié)由8個(gè)探頭臂組成，探頭臂均為柔性結(jié)構(gòu)，由高分子柔性材料構(gòu)成。所有探頭臂沿圓周方向均勻分布。探頭節(jié)自然狀況下，當(dāng)進(jìn)行最薄壁厚為3mm的管道檢測(cè)時(shí)，探頭架到檢測(cè)壁尾部依然能夠保證5%左右的過(guò)盈量，因此探頭架、檢測(cè)壁在壁厚變化時(shí)均能穩(wěn)定的貼合在管道內(nèi)壁上，確保了探頭節(jié)檢測(cè)的穩(wěn)定性和檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)檢測(cè)壁的柔性結(jié)構(gòu)屬性保障了探頭節(jié)最小曲率半徑為3D的彎頭通過(guò)性。

4 管道內(nèi)檢測(cè)性能測(cè)試

管道環(huán)路全程全長(zhǎng)約800米，管道上刻有各種腐蝕模擬缺陷，設(shè)備運(yùn)行平均速度為1m/s，最高檢測(cè)速度為2m/s。圖3（模擬管路試驗(yàn)）為檢測(cè)后得到的一段管道上人工缺陷分布，從圖中可以看出超聲波C掃描圖像很好地反映了管道缺陷分布以及幾何形狀的真實(shí)情況。圖3（實(shí)際管路試驗(yàn)）為實(shí)際海底管道性能測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試距離為10公里，管道內(nèi)部為生產(chǎn)水介質(zhì)，檢測(cè)器在管道內(nèi)部運(yùn)行速度為1米/秒，管道測(cè)試后得到了精確有效的檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢出1000多個(gè)內(nèi)外壁腐蝕缺陷，所有發(fā)現(xiàn)的缺陷均精確地標(biāo)注了位置、形狀、尺寸以及最大腐蝕深度等信息，從目標(biāo)缺陷A掃波形可以判斷出腐蝕區(qū)域的最大腐蝕深度為7.83毫米。

5 結(jié)語(yǔ)

高清壓電超聲波管道內(nèi)檢測(cè)器成功地對(duì)海底管道進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可靠，并精確判斷出缺陷的位置和形狀，檢測(cè)器產(chǎn)生的高清C掃描顯示圖精確地顯示出管道腐蝕的真實(shí)狀態(tài)，本檢測(cè)器可以用來(lái)對(duì)原油管道、成品油管道、以及注水輸氣管道進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，對(duì)提高長(zhǎng)距離傳輸管道的檢測(cè)可靠性和精確性具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 李健，崔劍雷，劉棟.高清晰度漏磁管道內(nèi)檢測(cè)器主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（5）：129-133.

[2] 楊文博，徐今偉.超聲波管道腐蝕檢測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1994，13（6）：31-34.

[3] STEINHUBL S M， MANN D R. Engineering and ultrasonic tool run in a natural gas pipeline to detect SCC[C].IPC2008-64510，2008（7）：100-103.