華陳權(quán),郭天凱,陳元航,劉紀(jì)晨
(中國石油大學(xué)(華東)控制科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266580)
管道運輸在化工原料、石油、天然氣等能源運輸發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。科技進(jìn)步和社會發(fā)展的需要使得管道運輸?shù)膽?yīng)用范圍不斷擴大,但相應(yīng)的問題也隨之產(chǎn)生,比如隨著管道使用時間增長,外部環(huán)境變化,使管道出現(xiàn)老化、變形或腐蝕等,導(dǎo)致管道壁厚指標(biāo)無法再滿足安全要求,因此對管道進(jìn)行實時健康監(jiān)測與預(yù)警尤為重要[1-3],其中管道壁厚實時檢測是管道健康監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)之一。
現(xiàn)有的管道壁厚檢測方法包括渦流測厚法、射線測厚法、超聲脈沖反射測厚法等[4]。其中渦流測厚法在實際應(yīng)用中成本低,容易制造,檢測線路簡單,但是其穩(wěn)定程度不夠高,難以長期使用,另外該方法主要應(yīng)用于涂層厚度測量,適用范圍比較局限[5-7]。射線測厚法精度高,不會對被測物造成損害和污染,但射線會對人體健康造成損害,且設(shè)備成本高,不適合長期應(yīng)用并且不滿足節(jié)約成本的需求[8]。超聲脈沖反射測厚法是利用超聲波在不同介質(zhì)之間傳播時,各介質(zhì)之間的聲阻抗不同,在一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)的表面會發(fā)生反射的原理進(jìn)行測量[9]。該方法具有易實現(xiàn)、成本低、精度高、適用范圍廣等優(yōu)勢,但是該方法在實際應(yīng)用中基本都是單點定期檢測測量,測量效率低,測量范圍小,不能達(dá)到分布式測量、遠(yuǎn)程實時監(jiān)測管道壁厚的目的。
本文提出了一種基于超聲的分布式管道壁厚遠(yuǎn)程監(jiān)測方法,并開發(fā)了相應(yīng)的實驗系統(tǒng),可實現(xiàn)整個管道壁厚的分布式遠(yuǎn)程實時監(jiān)測,有效提高了測量效率,降低了測量成本等。該系統(tǒng)在實驗室模擬對整個長輸管道重點薄弱部位的壁厚進(jìn)行分布式遠(yuǎn)程實時監(jiān)測,為長輸管道全生命周期網(wǎng)絡(luò)化、智能化健康監(jiān)測與預(yù)警提供技術(shù)支撐,也可用于超聲無損檢測相關(guān)實驗。
目前超聲波測量管道壁厚主要是根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)之間傳播時,在一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)的表面會發(fā)生反射的原理[9]。超聲波換能器發(fā)射出一定頻率的超聲波,其在介質(zhì)中向前傳播,在同一種介質(zhì)中,超聲波的傳播速度基本上是相同的,但當(dāng)超聲波通過不同傳播介質(zhì)的交界處時,會發(fā)生超聲波反射、透射現(xiàn)象,反射的超聲波被換能器接收[10-13]。通過精確測量出超聲波在被測物體中的飛行時間,就可以間接得到傳播介質(zhì)的厚度。超聲波的頻率≥20 kHz,一般管道的檢測頻率大致在2~7.5 MHz。
超聲脈沖反射法測厚原理如圖1 所示,利用寬溫的雙晶超聲探頭(-25~80 ℃,5 MHz,φ10 mm)[14],通過耦合劑透過管道外壁入射進(jìn)入管壁,超聲波入射到管道/流體界面(內(nèi)壁)時,由于聲阻抗發(fā)生突變,部分超聲波通過該界面反射,反射回波信號由雙晶探頭接收晶片接收[15-16]。
圖1 超聲脈沖反射法測厚原理示意圖
從圖1 可以看出,利用超聲波進(jìn)入管壁后在管壁內(nèi)反射的1 次回波信號的時間t減去已知的超聲波在探頭內(nèi)部的飛行時間t0,可求得超聲波在管壁內(nèi)的飛行時差Δt,
然后根據(jù)室溫下已知超聲波在管壁內(nèi)部的傳播速度c,計算可得管壁厚度
假設(shè)管道為普通鋼材,聲速c為5.92 km/s,對應(yīng)于4~20 mm的管道壁厚di,時差Δti范圍為
對于0.1 mm的壁厚測量精度,對應(yīng)的時差測量精度
由于時差是ns級的,所以時差的測量是關(guān)鍵。
從式(2)可以看出,超聲波在管壁內(nèi)的Δt和c決定著厚度測量結(jié)果的精確性,其中溫度、材料影響著超聲波的傳播速度,在實際應(yīng)用中需要進(jìn)行溫度補償來減小測量誤差。由式(4)可知,時間差的測量需要采用高精度的時間測量方法。綜上,解決Δt和c兩個因素帶來的影響才是厚度測量的關(guān)鍵所在。
為保證高精度超聲飛行時間測量,采用高精度時差測量芯片TDC-GP22,分辨率可達(dá)30ps,其中利用該芯片的超聲波飛行時間測量原理如圖2 所示。
圖2 超聲波飛行時間測量原理圖
超聲波從探頭發(fā)射到接收到第1 次回波信號的時間通過圖2 中的方法測量所得記為t,此方法為基于多閾值濾波的高精度時間測量法,即通過設(shè)置一個時間閾值T來濾除所設(shè)時間閾值之前的雜波信號,來提高測量精度,回波信號時間測量從時間閾值之后開始;設(shè)置一個幅值閾值offset是為了濾除管壁內(nèi)表面回波信號中首波信號前的雜波信號,來進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確性,回波信號中只要首波信號的幅值達(dá)到了所設(shè)的幅值閾值,那么系統(tǒng)就會檢測到該首波信號,之后幅值閾值自動降為0 mV,芯片自動測量首波后第3 個波的時間,該時間即為超聲波從探頭發(fā)射到接收的飛行時間t。
管道中聲速c與管道材料、溫度有關(guān),本設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)塊實時補償溫度、材料對聲速的影響。需要通過與管道同材料的標(biāo)準(zhǔn)試塊(也安裝在現(xiàn)場,與檢測點同溫度、同材料,且已知厚度d0)進(jìn)行實時在線標(biāo)定,每次測量都需要先測一次標(biāo)準(zhǔn)塊,以計算當(dāng)時的聲速。測量示意圖如圖3 所示。
圖3 基于標(biāo)準(zhǔn)塊的脈沖反射法壁厚測量示意圖
如圖3 所示,對于標(biāo)準(zhǔn)試塊,厚度d0已知,通過測量計算超聲波在標(biāo)準(zhǔn)塊內(nèi)的飛行時間差Δt0,可得到聲速c,
因此每一次循環(huán)測量包括兩部分:首先測量計算超聲經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)試塊的時間差Δt0,由式(5)計算得到實時聲速c;然后測量計算超聲波經(jīng)過管道內(nèi)壁反射回波的飛行時間差Δt,由式(2)計算得測點的壁厚d。此方法減小了溫度、材料對超聲波聲速的影響,提高了檢測精度和穩(wěn)定性。
如圖4 所示的中國石油大學(xué)多相流實驗環(huán)道,水/空氣為介質(zhì),用于單相流/多相流流動特性、流量計計量特性等學(xué)生實驗和科學(xué)研究。在本實驗系統(tǒng)中該實驗環(huán)道用于模擬天然氣、原油/成品油、油氣混輸?shù)乳L輸管道的生產(chǎn)過程。
圖4 多相流實驗環(huán)道
分布式管道壁厚遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)安裝于該實驗環(huán)道,如圖4 所示。該系統(tǒng)用于在實驗室模擬對整個長輸管道重點薄弱部位的壁厚進(jìn)行分布式遠(yuǎn)程實時監(jiān)測,為長輸管道全生命周期網(wǎng)絡(luò)化、智能化健康監(jiān)測與預(yù)警提供技術(shù)支撐,也可用于超聲無損檢測相關(guān)實驗。該實驗系統(tǒng)的總體設(shè)計示意圖如圖5 所示,采用多個檢測設(shè)備基于超聲波反射法對管道不同位置的壁厚進(jìn)行測量,在管道的軸向、徑向不同位置布置多個超聲探頭,結(jié)合發(fā)射、接收多路開關(guān)、放大電路可實現(xiàn)分布式測量,采用4G/北斗短信息實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)測,可實現(xiàn)長輸管道壁厚的分布式遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。該實驗系統(tǒng)主要有超聲波探頭陣列、多個現(xiàn)場主機、監(jiān)控中心等3 部分組成,其中主機外接探頭實物圖如圖6 所示。
圖5 分布式管道壁厚遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖
圖6 主機實物圖
由于超聲波在管道中反射時,管壁厚度為4~20 mm,時差在1.35~6.76 μs,如果采用單晶探頭進(jìn)行自發(fā)自收,由于近聲場的影響,測量誤差較大。所以本設(shè)計采用雙晶超聲探頭。聲波在傳播過程中會產(chǎn)生反射損耗(外壁)、折射損耗(內(nèi)壁),也產(chǎn)生吸收損耗,與管道壁厚、管徑、流體/管道的聲阻抗等有關(guān)。根據(jù)管材、管徑、壁厚,綜合考慮測量精度(分辨率)和信號衰減,確定超聲的發(fā)射頻率為5 MHz。超聲探頭晶片的尺寸對于超聲的聲束指向性、近場區(qū)長度、掃描范圍等特性有較大影響。
綜上所述,本設(shè)計選擇的寬溫雙晶探頭:晶片直徑10 mm、頻率5 MHz,寬溫-25~80 ℃。
一般終端檢測系統(tǒng)選用開關(guān)穩(wěn)壓電源或電池作為電源,然而油田現(xiàn)場超聲波在線壁厚監(jiān)測系統(tǒng)一般安裝在戶外現(xiàn)場,使用開關(guān)電源相對不方便,而使用充電電池來供電,能夠滿足系統(tǒng)要求且操作方便。鋰電池自身體積小且能量密度較高,具有自放電、效率低,并且對于循環(huán)使用電池壽命高等優(yōu)點,結(jié)合實際要求,鋰電池適合作為本系統(tǒng)的電源選擇,故選用12 V聚合物鋰電池。
整個中控系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)主要包括單片機最小系統(tǒng)電路,時間、溫度測量電路,激勵信號發(fā)射電路,高壓激勵信號多路切換開關(guān)電路,回波信號多路切換開關(guān)電路,回波信號放大濾波電路、電源電路等。中控系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖7 所示。
圖7 中控系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖
中控系統(tǒng)硬件模塊相當(dāng)于整個實驗系統(tǒng)的“大腦”,控制著整個實驗系統(tǒng)的工作模式,中控系統(tǒng)硬件電路中各模塊的主要作用如下:
(1)超聲波激勵信號發(fā)射處理模塊。產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖激勵信號,通過16 選1 發(fā)射選擇開關(guān)后依次激勵每個超聲波探頭;
(2)回波信號接收處理模塊。每個超聲波探頭接收到的初始回波信號需經(jīng)過16 選1 接收選擇開關(guān)后,依次對每一路初始回波信號進(jìn)行放大濾波處理;
(3)時間、溫度測量模塊。對放大濾波處理后的回波信號進(jìn)行時間測量,對管壁溫度進(jìn)行采集;
(4)MSP430 單片機最小系統(tǒng)。低功耗模式,控制著整個中控硬件系統(tǒng),根據(jù)時間和溫度測量結(jié)果計算每個探頭所測量的厚度結(jié)果等。
針對上述中控硬件系統(tǒng)的功能需要軟件編程實現(xiàn),中控系統(tǒng)程序設(shè)計流程如圖8 所示。根據(jù)中控系統(tǒng)程序設(shè)計流程可知,溫度測量和壁厚測量軟件程序執(zhí)行過程如下:系統(tǒng)上電后進(jìn)行復(fù)位,檢測MSP430 單片機與外圍功能芯片之間的通信是否正常,然后初始化配置時間、溫度測量芯片TDC-GP22 內(nèi)部寄存器,多路開關(guān)工作后芯片開始進(jìn)行溫度測量,溫度測量完成后再依次進(jìn)行各探頭測點的厚度測量。
圖8 中控系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖
基于4G/北斗的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控部分設(shè)計的硬件以MSP430 單片機和4G DTU/北斗通信模塊為核心,配以適當(dāng)?shù)耐鈬涌陔娐穼崿F(xiàn)單片機與4G DTU/北斗通信模塊之間的串口通信。如圖9所示,經(jīng)過單片機處理得到的溫度、壁厚等數(shù)據(jù)通過串口通信的方式傳輸給4G DTU/北斗通信模塊,然后4G DTU/北斗通信模塊通過4G網(wǎng)絡(luò)/短報文的形式將測量數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心。其中北斗通信模塊適合應(yīng)用于沒有網(wǎng)絡(luò)且較為空曠的地帶,比如沙漠、海洋之類的惡劣環(huán)境。如今,管道運輸已經(jīng)遍及沙漠和海洋等環(huán)境,所以在此種環(huán)境下進(jìn)行管道壁厚的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測用北斗通信模塊的短報文形式來傳輸數(shù)據(jù)更合適。而4G DTU的應(yīng)用范圍較廣,只要有基站的地方就可以應(yīng)用,而本系統(tǒng)應(yīng)用于實驗室環(huán)境,故在此環(huán)境下進(jìn)行管道壁厚的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測用4G DTU的4G網(wǎng)絡(luò)方式來傳輸數(shù)據(jù)更合適。
圖9 硬件設(shè)計框圖
監(jiān)控軟件采用LabVIEW2018 進(jìn)行設(shè)計,監(jiān)控軟件用于現(xiàn)場管道壁厚情況的監(jiān)控,主要實現(xiàn)向下位機發(fā)送材料聲速和休眠時間,接收壁厚、溫度數(shù)據(jù),判斷設(shè)備號,選擇顯示波形設(shè)備,查看歷史曲線等,監(jiān)控軟件程序流程圖如圖10 所示。
由圖10 可知,根據(jù)所測管道材料以及電池使用壽命,通過上位機選擇對應(yīng)材料的聲速發(fā)送給下位機,也可以通過下發(fā)不同的休眠時長來控制下位機的工作時間進(jìn)而來降低功耗,并且可以隨時查看各個設(shè)備所測量壁厚結(jié)果的歷史曲線數(shù)據(jù)等。
圖10 監(jiān)控軟件程序流程圖
為驗證所研發(fā)設(shè)計的基于超聲的分布式管道壁厚遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的實用性和可靠性,將多個檢測設(shè)備安裝在實驗室流體管道不同位置上進(jìn)行相關(guān)實驗,達(dá)到模擬現(xiàn)場實驗的目的,搭建的實驗平臺如圖11 所示。
圖11 基于超聲的分布式管道壁厚在線監(jiān)測實驗平臺
如圖11 所示,將3 套檢測設(shè)備分別安裝在直管道部分和彎管道部分,其中每套1 個現(xiàn)場測厚主機連接16 個超聲探頭,共48 個測點,采用耦合專用膠水固定在管道的軸向、徑向等不同位置,實現(xiàn)對整個管道分布式測量。
(1)實驗條件。多個檢測設(shè)備,鋼質(zhì)管道,管壁理論厚度為8 mm,管道內(nèi)流體為水,實驗室溫度,設(shè)備每1 h向監(jiān)控中心發(fā)送一次測量數(shù)據(jù),不發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)下單片機為低功耗模式,上位機可以更改單片機低功耗時長等。
(2)測量步驟。1 個現(xiàn)場測厚主機包括16 個探頭,其中4 個探頭為一組放置在管道軸向、徑向等不同位置來進(jìn)行管壁厚度的分布式大范圍測量。單片機待機狀態(tài)下為低功耗模式,每隔固定時間間隔(這個時間可由上位機根據(jù)需要設(shè)定)會被內(nèi)部中斷喚醒退出低功耗模式,然后依次測量各個測點的厚度。測量步驟如下:
①當(dāng)單片機退出低功耗模式,首先測量超聲經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)試塊的時間差Δt0,由式(5)計算得到實時聲速c;
②依次測量各測點超聲波從探頭發(fā)射到探頭接收到第一次回波信號經(jīng)過的時間t;
③依次根據(jù)式(1)計算各測點超聲波在管壁內(nèi)的飛行時間差Δti(i=1,2,…,16),由式(2)計算得各個測點的壁厚di,超聲波在每個探頭內(nèi)部的飛行時間t0i已經(jīng)過相關(guān)實驗測得。
④將測得的各位置的管壁厚度通過4G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心實時顯示、保存。同時,其他的測厚主機也分別通過4G網(wǎng)絡(luò)將不同位置的管道壁厚數(shù)據(jù)實時測量并傳送到監(jiān)控中心。
已知實驗室中多相流實驗環(huán)道的管壁理論厚度為8 mm,所有48 檢測點的測量誤差均小于±0.05 mm,測量誤差滿足≤±0.1 mm 的要求。表1 為某套設(shè)備中隨機抽取4 個探頭所測量的壁厚結(jié)果。
表1 某套設(shè)備4 個探頭的測量結(jié)果 mm
針對現(xiàn)有管道壁厚檢測方法存在的問題,研發(fā)設(shè)計了一套基于超聲的分布式管道壁厚遠(yuǎn)程監(jiān)測的實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由超聲波探頭陣列、多個現(xiàn)場主機、監(jiān)控中心等組成。實驗結(jié)果表明,該實驗系統(tǒng)功能運行正常,測量精度較高,可以模擬長輸管道現(xiàn)場環(huán)境,實現(xiàn)長輸管道關(guān)鍵管段壁厚的分布式遠(yuǎn)程實時監(jiān)測,為長輸管道全生命周期網(wǎng)絡(luò)化、智能化健康監(jiān)測與預(yù)警提供了技術(shù)支撐。
·名人名言·
實驗室和發(fā)明是兩個有密切關(guān)系的名詞,沒有實驗室,自然科學(xué)就會枯萎;科學(xué)家一經(jīng)離開了實驗室,就變成戰(zhàn)場上繳了械的戰(zhàn)士。
——巴斯德