王 珅，王仕強，伍劍波，羅 陽，何 莎，牛子奕，潘小鳳，顏 榮

(1.四川大學 機械工程學院，成都 610065；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院, 廣漢 618300)

頁巖氣是一種重要的清潔能源，在頁巖氣開采和運輸過程中，頁巖氣管道長期受內(nèi)部介質(zhì)腐蝕和沖蝕的作用，會出現(xiàn)管道壁厚減薄，如不及時處理會發(fā)生刺漏穿孔現(xiàn)象[1]，進而導致頁巖氣泄漏，嚴重影響頁巖氣開發(fā)和生產(chǎn)的正常進行。因此，為保證頁巖氣的安全開采，需要對管道質(zhì)量狀況進行監(jiān)測。

目前，頁巖氣管道壁厚監(jiān)測的主要方式是定期進行人工超聲檢測，該方式具有勞動強度大、檢測效率低、檢測成本高、實時性差、檢測結(jié)果受人為因素影響等缺點。因此，亟需研制一套壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)，以代替人工進行長期實時監(jiān)測。頁巖氣管道長期監(jiān)測的難點在于，管道結(jié)構(gòu)復雜，空間狹小，存在曲面、彎頭、三通、四通等結(jié)構(gòu)[2]，監(jiān)測方法需適應復雜結(jié)構(gòu)的檢測和安裝要求。同時，沖蝕與腐蝕造成的壁厚變化區(qū)域較大，嚴重腐蝕位置難以預測[3]，因此傳統(tǒng)單點布局方法難以實現(xiàn)頁巖氣管道壁厚全覆蓋監(jiān)測，極易導致壁厚變化危險點漏檢。另外，頁巖氣管道的最高工作溫度為100 ℃，要求監(jiān)測傳感器具有長期高溫穩(wěn)定性。

萬正軍等[4-6]基于場指紋法，將測量電極對拓展成為測量電極矩陣面，從而擴大測量范圍，該方法具備復雜形貌監(jiān)測能力，但需將測量電極焊接在管道上，會影響管道的壽命及機械性能，并且在頁巖氣井場中進行焊接操作也會帶來安全隱患。劉海鋒等[7-9]將多個光纖光柵傳感器串聯(lián)構(gòu)成傳感網(wǎng)絡，提高缺陷檢出率，但該方法對測量環(huán)境條件要求嚴格，檢測結(jié)果易受振動、溫度、濕度等因素影響。超聲傳感方法具有非介入、精度高等優(yōu)點，可應用于管道壁厚長期在線監(jiān)測與評價。葉至靈等[10]采用電磁超聲檢測方法測量管道壁厚，無需耦合劑即可實現(xiàn)高溫管道的非接觸測量，但其功耗大、能量轉(zhuǎn)換率低，傳感器體積和質(zhì)量大，無法實現(xiàn)高密集陣列傳感布局。薛建虹等[11-12]采用超聲導波方法測量管道壁厚，其使用的導波桿較長，測厚準確性易受溫度變化影響，且安裝導波桿所需空間較大，無法在狹小結(jié)構(gòu)處使用。傳統(tǒng)的壓電超聲檢測方法可對管道進行厚度監(jiān)測[13]，但多為單點檢測，而且受限于傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器及固定工裝尺寸較大，無法安裝到復雜結(jié)構(gòu)處，同時也難以形成大面積陣列布局。柔性相控陣超聲傳感器具有重量輕、體積薄、柔度好的優(yōu)點，可以布置于復雜結(jié)構(gòu)處，形成高密度傳感網(wǎng)絡[14-15]，但現(xiàn)有柔性傳感器主要適用于人工檢測，覆蓋面積小，且不耐高溫，難以滿足頁巖氣管道大面積監(jiān)測需求與現(xiàn)場高溫工況。

為解決這一問題，提出了基于柔性陣列壓電傳感的頁巖氣管道壁厚監(jiān)測方法，初步設計并制作了耐高溫多通道柔性陣列壓電傳感系統(tǒng)，利用提出的干耦合壓電傳感方法，將柔性陣列傳感器長期固定在管道表面；在此基礎上，結(jié)合開發(fā)的壁厚數(shù)據(jù)無線傳輸技術和多通道壁厚監(jiān)測設備，最終實現(xiàn)頁巖氣管道壁厚在線監(jiān)測。

1 整體方案

基于柔性陣列壓電傳感的頁巖氣管道壁厚監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，主要采用壓電超聲檢測方法，將柔性陣列傳感器布置在頁巖氣管道待檢測部位，利用干耦合劑將傳感器與管道之間的空氣排出[16]，利用干耦合劑的黏合性，將傳感器固定在管道表面，從而實現(xiàn)復雜形貌的大面積、高精度監(jiān)測。

圖1 基于柔性陣列壓電傳感的頁巖氣管道壁厚監(jiān)測系統(tǒng)

檢測時現(xiàn)場多通道壁厚監(jiān)測主機測量每個測點處的壁厚數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳輸?shù)皆破脚_。云平臺接收監(jiān)測數(shù)據(jù)后對監(jiān)測信號進行綜合分析與評估，并根據(jù)各測點歷史數(shù)據(jù)繪制厚度變化曲線。用戶客戶端通過訪問云平臺可監(jiān)測到管道壁厚實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)云平臺的預警提示進行相應處理。

1.1 柔性陣列傳感器結(jié)構(gòu)

柔性陣列傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器內(nèi)部為常見的夾層結(jié)構(gòu)，壓電晶片置于上下電極之間，外層分別添加背襯層和匹配層。其中，壓電晶片是傳感器的核心元件，基于逆壓電效應和壓電效應工作；上下電極需保持靈活并緊密貼合壓電晶片，以確保恒定的電子遷移率；背襯層用來吸收散射到壓電元件背面的能量，具有增加帶寬以及減小傳感器信號拖尾的作用；匹配層對壓電晶片起到保護作用，并可改善壓電晶片與待測工件之間的聲學性質(zhì)。

圖2 柔性陣列傳感器結(jié)構(gòu)示意

壓電材料的壓電振子振動時的諧振頻率與振動時主振方向的長度存在以下關系

N=f0L

(1)

式中：N為頻率常數(shù)；f0為壓電晶片的固有頻率；L為壓電晶片的長度。

常用壓電晶片的頻率常數(shù)為2 000～2 300 Hz·m，若激勵頻率為5 MHz，則理論上壓電晶片的長度可低至0.5 mm。同時，所設計的柔性陣列傳感器在工作過程中由切換電路逐個依次激勵與接收，從而消除壓電單元間的相互影響。實際工作過程中，在保證傳感器曲度和柔度性能的前提下，可根據(jù)管道直徑、壁厚、監(jiān)測面積、分辨率需求、通道數(shù)等因素，設計晶片尺寸、間隙大小、晶片數(shù)量、布置方式等參數(shù)，以實現(xiàn)管道危險點的全覆蓋監(jiān)測。

1.2 柔性陣列傳感器材料

傳統(tǒng)超聲傳感器為剛性材料，在檢測管狀工件時僅為部分面接觸甚至是線接觸、點接觸，而較小的接觸面積會極大降低檢測精度。柔性陣列傳感器具有耐高溫、材料薄、柔度高的特點，可以很好地與曲面工件匹配、貼合，提高檢測精度和缺陷檢出率。柔性陣列傳感器的材料選擇主要考慮以下4個方面因素。

(1) 壓電晶片材料的選擇。壓電晶片是傳感器中的核心元件，其制作材料主要有3類：無機壓電材料(即壓電晶體和壓電陶瓷)、有機壓電材料和復合壓電材料。柔性陣列傳感器中壓電晶片為以壓電陶瓷粉末和壓電聚合物PVDF(聚偏二氟乙烯)為主要原料組成的高溫復合材料[17-19]，具有柔性高、密度小且耐高溫的特點，在100 ℃下依然可以正常使用。

(2) 背襯層材料的選擇。背襯層材料需要具備較高的聲阻尼特性，通常依靠復合材料來實現(xiàn)。目前應用最廣泛的方法是將環(huán)氧樹脂與鎢粉兩種材料按一定比例混合，配置成復合材料，來作為背襯層，以提高減振能力和阻抗值。

(3) 匹配層材料的選擇。聲波在不同特性阻抗介質(zhì)表面?zhèn)鞑r會出現(xiàn)反射和透射的現(xiàn)象，必須對匹配層進行阻抗匹配才能達到最好的聲透射效果。當匹配層材料為不銹鋼時，其聲透射率可超過0.97[20]。使用不銹鋼薄片制備匹配層，可改善壓電晶片與被測物體之間的聲學性質(zhì)，減小聲波在被測物體表面的反射，增加聲波的有效傳輸率，從而達到增大聲波能量的目的。

(4) 傳感器封裝材料。使用耐高溫硅膠材料填充整個柔性陣列傳感器，在保證傳感器柔度的基礎上可提高傳感器的耐高溫性能。使用聚酰亞胺薄膜對與被測物體接觸的表面進行封裝，可使傳感器在實際檢測中不受外界環(huán)境污染。

1.3 柔性陣列傳感器耦合方法

目前，常用的超聲檢測耦合劑多為液體，如機油、化學漿糊、純水等。對于監(jiān)測系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)液體耦合劑在露天及振動環(huán)境下會存在流失、揮發(fā)、變性等問題，難以滿足長期監(jiān)測的需求。

針對這一問題，開發(fā)了一種不易揮發(fā)和流失的耐候性干耦合材料來代替液體耦合劑，干耦合壓電傳感方式如圖3所示。干耦合材料是以環(huán)氧樹脂為主要原料，以二丙烯酸酯、硫醇封端聚合物、二丙氧基化等為輔混合而成的環(huán)氧膠黏劑，其在室溫下會與空氣中的水發(fā)生反應，迅速固化，大約5 min即可達到一定強度。干耦合材料環(huán)氧膠黏劑與傳統(tǒng)液體耦合劑耦合效果相當，且無需較大的耦合壓緊力即可良好耦合。現(xiàn)場作業(yè)時，安裝傳感器前該干耦合材料處于黏性液體狀態(tài)，可輕易排出傳感器與管道之間的空氣，使兩者之間達到良好的耦合效果。同時，該干耦合材料固化后具有較高的硬度、剝離強度和抗剪強度，可以在無額外固定工裝的輔助下將柔性陣列傳感器固定在管道表面，從而減小傳感器安裝所需空間，使柔性陣列傳感器在頁巖氣管道復雜結(jié)構(gòu)處依然具備長期監(jiān)測能力。

圖3 干耦合壓電傳感方式示意

2 試驗驗證

筆者加工制作4通道柔性陣列傳感器進行初步試驗驗證，包括傳感器的耐高溫、抗振性、精度、穩(wěn)定性等特性測試。 4通道柔性陣列傳感器實物如圖4所示，試驗中所用柔性陣列傳感器壓電晶片的長度為20 mm，寬度為10 mm，厚度為1 mm。壓電晶片之間軸向間距、周向間距均為6 mm，保證傳感器具備一定的曲度和柔度。

圖4 4通道柔性陣列傳感器實物

2.1 高溫試驗

為驗證柔性陣列傳感器能否在高溫下正常使用，將柔性陣列傳感器用干耦合材料環(huán)氧膠黏劑耦合在厚度為20 mm的鋼制試塊上，將試塊置于加熱臺上進行高溫下的傳感器測厚試驗，其測厚試驗現(xiàn)場如圖5所示。利用測厚儀的回波-回波模式，消除耦合劑耦合狀態(tài)變化對測量結(jié)果的影響。將測厚儀的聲速設定為5 948 m·s-1(30 ℃下鋼縱波聲速)，先在常溫下測量試塊，厚度測量結(jié)果及波形如圖6(a)所示，然后將加熱臺溫度調(diào)整為100 ℃，待溫度達到100 ℃后保持72 h，測量結(jié)果如圖6(b)所示。

圖5 高溫下傳感器測厚試驗現(xiàn)場

圖6 不同溫度下傳感器耦合試驗結(jié)果

可以看出，一方面，柔性陣列傳感器在100 ℃高溫下依然與試塊表面緊密貼合，無松動跡象，說明干耦合劑可保證柔性陣列傳感器在高溫環(huán)境下固定可靠且耦合良好。另一方面，100 ℃下測厚儀測量試塊所需增益比常溫下的高3.8 dB，測量波形無明顯差別，厚度測量值僅有0.14 mm的偏差。偏差原因為溫度變化引起的鋼材料聲速變化[21]，溫度補償之后即可消除偏差。試驗結(jié)果表明柔性陣列傳感器在高溫環(huán)境下可正常工作，可以用于較高溫度管道的壁厚監(jiān)測。

2.2 振動試驗

頁巖氣管道在作業(yè)過程中會因內(nèi)部輸送介質(zhì)發(fā)生幅度較大的振動，對傳感器的工作穩(wěn)定性有一定影響。為此，進行柔性陣列傳感器的振動試驗，將試驗現(xiàn)場如圖7所示。用環(huán)氧膠黏劑將柔性陣列傳感器固定在管道上(管道直徑為219 mm，壁厚為10.03 mm)，然后將管道安裝于振動試驗臺上，使用測厚儀在無振動工況下測量管道壁厚信息，其結(jié)果如圖8(a)所示，之后在振動試驗臺頻率為5～40 Hz，振幅為1～3 mm范圍內(nèi)進行多次試驗。振動工況持續(xù)72 h，在此期間測量管道壁厚信息，測量結(jié)果如圖8(b)所示。

圖7 傳感器振動工況下測厚試驗現(xiàn)場

圖8 不同振動下傳感器耦合試驗結(jié)果

可以看出，一方面，使用環(huán)氧膠黏劑固定的柔性陣列傳感器在振動工況下依然可以固定可靠，且傳感器與管道之間耦合良好；另一方面，相比于無振動工況，振動工況下測厚波形無明顯變化，壁厚偏差為0.01 mm，在測量誤差范圍之內(nèi)。試驗結(jié)果表明，用干耦合材料環(huán)氧膠黏劑耦合的柔性陣列傳感器使用過程中受振動影響較小，在振動工況下性能可保持穩(wěn)定。

2.3 精度試驗

頁巖氣管道內(nèi)壁受沖蝕、腐蝕作用，管壁厚度會出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，這要求基于柔性陣列壓電傳感的監(jiān)測系統(tǒng)能夠精確監(jiān)測到頁巖氣管道壁厚的變化。為此，進行不同厚度階梯試塊的測量試驗，以確定柔性陣列傳感器的測量精度。利用測厚儀回波-回波厚度測量模式消除耦合劑對測量結(jié)果的影響。試驗所采用的階梯試塊實物如圖9所示，試驗中使用測厚儀連接柔性陣列傳感器測量階梯試塊不同厚度的部分，階梯試塊厚度從5.0 mm到80.0 mm按一定梯度變化，編號15厚度為試塊上表面測得，編號67為試塊側(cè)面測得，測量結(jié)果如表1所示。

圖9 階梯試塊實物

表1 階梯試塊的柔性陣列傳感器測厚結(jié)果

由表1可以看出，使用柔性陣列傳感器測量不同厚度階梯試塊，傳感器測量值與真實值之間差值均在0.1 mm以內(nèi)，因此可以確定柔性陣列傳感器的測量精度達0.1 mm，分辨率為0.01 mm，滿足頁巖氣管道壁厚監(jiān)測系統(tǒng)的長期監(jiān)測要求。

2.4 長期監(jiān)測試驗

若將該系統(tǒng)用于頁巖氣管道長期監(jiān)測，監(jiān)測主機、干耦合劑、柔性陣列傳感器都需要有良好的穩(wěn)定性、可靠性。為確定該系統(tǒng)能否長期穩(wěn)定工作，將柔性陣列傳感器用干耦合材料環(huán)氧膠黏劑耦合在易失效的三通位置，并將傳感器連接至監(jiān)測主機，管道長期壁厚監(jiān)測現(xiàn)場如圖10所示。以每日2次的采集頻率進行為期60 d的監(jiān)測，傳感器中各壓電單元得到的監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。

圖10 管道長期壁厚監(jiān)測現(xiàn)場

圖11 管道各測點長期壁厚監(jiān)測結(jié)果

可以看出，4通道陣列壓電單元測厚數(shù)據(jù)在長期監(jiān)測過程中基本保持平穩(wěn)，波動在誤差范圍內(nèi)，表明該頁巖氣管道壁厚監(jiān)測系統(tǒng)測量精度較高，測量穩(wěn)定性好，可靠性高，滿足長期監(jiān)測的需求。

3 結(jié)語

提出的柔性陣列傳感器具備柔性、耐高溫、抗振、精度高、穩(wěn)定可靠等特性，可滿足頁巖氣管道大面積、高精度、高溫壁厚在線監(jiān)測的需求。在實際工作過程中，可以以該試驗為參考，根據(jù)實際監(jiān)測需求制作不同參數(shù)的柔性陣列多通道壓電壁厚監(jiān)測傳感器。

在后續(xù)工作過程中，筆者將基于多通道柔性陣列壓電傳感數(shù)據(jù)，開展壁厚三維成像算法研究，實現(xiàn)頁巖氣管道壁厚形貌的可視化成像。