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）

0 引言

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。

1 測量原理

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。

1.1 多閾值濾波的高精度超聲飛行時間測量技術(shù)

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。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)塊的溫度、材料對聲速影響的補償方法

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。

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

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

2.1 寬溫雙晶探頭設(shè)計

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 ℃。

2.2 供電方式選擇

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。

2.3 中控系統(tǒng)硬件設(shè)計

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。

2.4 中控系統(tǒng)程序設(shè)計

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

2.5 4G/北斗無線通信模塊設(shè)計

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

2.6 監(jiān)控軟件上位機設(shè)計

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

3 實驗測試分析

3.1 實驗平臺搭建

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。

3.2 實驗測試結(jié)果

（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

4 結(jié)語

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