賀健烽,賈曉麗,姚 寧

[中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院,北京 102249]

近年來,世界各國對石油和天然氣的使用需求不斷增長,管道輸送作為主要的石油天然氣輸送方式,可以用較低的建設(shè)成本、運(yùn)輸成本和時間成本實(shí)現(xiàn)對石油天然氣的不間斷、大流量輸送。對于管道輸送技術(shù)而言,油氣管道能否長期安全穩(wěn)定運(yùn)行是制約其發(fā)展的重要問題。油氣管道的失效,不僅會引發(fā)油氣泄漏,造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染,還可能引發(fā)安全事故,嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此,對油氣管道進(jìn)行安全性設(shè)計(jì),在管道失效前予以提前預(yù)警和維護(hù),以及在管道失效后及時進(jìn)行更換,現(xiàn)已成為學(xué)者和技術(shù)人員的研究重點(diǎn)。

筆者對油氣管道全周期失效形式進(jìn)行總結(jié)歸納,利用超聲對油氣管道的壁厚變化進(jìn)行檢測來分析其在腐蝕、第三方破壞和自然災(zāi)害等條件下的失效情況,該方法具有原理簡單、靈敏度高、便于操作、對管道無損傷等優(yōu)點(diǎn),對于壓縮人力監(jiān)測成本,提高油氣管道減薄的早期預(yù)警能力及管道失效的警報(bào)能力有較大的助力作用。

1 超聲測厚原理

基于超聲波的測厚方法主要包括脈沖透射法、共振干涉法、蘭姆波法和脈沖反射法等,其中脈沖反射法的原理簡單,實(shí)現(xiàn)測厚無需復(fù)雜設(shè)備支撐,對于不同規(guī)格和形狀的管道均可設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,對于不同的實(shí)際工況均有較好的適用性,具有廣闊的應(yīng)用前景。

脈沖反射法測厚的原理為:將超聲波探頭與被測表面耦合,探頭激發(fā)的超聲波經(jīng)被測件下表面反射再被探頭接收[1-3],對材料內(nèi)部缺陷和底面的反射波形進(jìn)行分析,從而計(jì)算出管壁厚度,其主要利用回波之間的時間差和材料內(nèi)部超聲傳播速度的關(guān)系計(jì)算得到厚度的信息[4-5],脈沖反射法測厚流程如圖1所示。

圖1 脈沖反射法測厚流程

國內(nèi)外許多專家學(xué)者對脈沖反射法測厚進(jìn)行了研究,TITTMANN等[6]研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鉍和鈮酸鋰兩種單晶材料會隨溫度升高而發(fā)生分散現(xiàn)象,降低超聲傳感器靈敏度。TITOV等[7]提出了一種利用超聲換能器陣列對脈沖回波信號進(jìn)行測量和分析,來確定縱波和橫波的聲速和樣品厚度的方法。DIXON等[8]設(shè)計(jì)了一種無需波速校準(zhǔn)、利用超聲剪切水平導(dǎo)波實(shí)現(xiàn)合金板厚度測量的結(jié)構(gòu)。BAZULIN等[9]采用基于衍射時差法的線性掃描相控陣天線,對管道母材和焊接處進(jìn)行超聲測厚。SHRISHA等[10]利用MATLAB軟件開發(fā)測控軟件及圖形用戶界面,并基于現(xiàn)場可編程門陣列研制了在線超聲測厚儀。

文章通過對超聲發(fā)射及回波信號的軸向位移-時間曲線進(jìn)行測量及繪制,判斷發(fā)射波峰與回波波峰的信號時間差和波形差,即可進(jìn)行超聲測厚?？v波及橫波波速計(jì)算公式為

(1)

式中:E為楊氏模量;σ為泊松比;ρ為質(zhì)量密度;vL為縱波聲速;vS為橫波聲速。

設(shè)超聲波在被測試件中傳播的速度為v,探頭接收到的兩次相鄰回波信號時差為t,則被測件厚度h可表示為[11-12]

(2)

對于管道用鋼材,取其E為2.1×105MPa,σ為0.3,ρ為7.85 g·cm-3,可得鋼材中縱波聲速vL約為6 001 m·s-1,橫波波速vS約為3 208 m·s-1,由式(2)可計(jì)算求得管道壁厚值h。

2 超聲管道壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

超聲壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由超聲脈沖發(fā)射電路、超聲脈沖處理電路、控制電路、供電模組、定位授時模組、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模組及測厚固定裝置等部分組成,其監(jiān)測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 超聲壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖

監(jiān)測系統(tǒng)的電路工作流程為:① 由供電電路為單片機(jī)控制電路、超聲脈沖發(fā)射電路、時差測量電路及無線遠(yuǎn)傳電路等測量系統(tǒng)中需要外部供電的部分電路提供適合的供電電平,同時單片機(jī)控制電路也對供電電路的工作狀態(tài)進(jìn)行控制;② 通過對單片機(jī)控制電路進(jìn)行程序的編寫和錄入,使其具有對超聲脈沖發(fā)射電路、時差測量電路和無線遠(yuǎn)傳電路的控制能力;③ 超聲脈沖發(fā)射電路通過驅(qū)動電路對其內(nèi)部的場效應(yīng)晶體管的柵極電壓進(jìn)行控制,進(jìn)而控制其漏極電流,使電容在充、放電的循環(huán)狀態(tài)下激發(fā)高壓窄脈沖,并將這一高壓窄脈沖加載在超聲脈沖發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片上,使探頭發(fā)射出具有壓電晶片固有頻率的超聲波信號,聲波從被測管道外壁入射,并在被測管道內(nèi)壁發(fā)生反射,從外壁射出;④ 射出被測管道的超聲波加載在超聲脈沖接收探頭的壓電晶片上,經(jīng)由壓電效應(yīng)形成一個超聲回波信號進(jìn)入限幅穩(wěn)壓電路并被穩(wěn)壓處理,然后經(jīng)信號增益電路對因傳輸而衰減的超聲回波信號能量進(jìn)行補(bǔ)償,使回波信號能夠以較適宜的幅值向后級電路傳輸;⑤ 超聲回波信號在基于發(fā)射頻率的帶通濾波電路中過濾掉絕大部分噪聲頻率,僅保留有效頻率,然后經(jīng)包絡(luò)檢波電路進(jìn)行回波信號的波形調(diào)制,在保留檢測特征的前提下降低波形頻率,在時差測量電路中由模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)字信號,并進(jìn)行時差測量;⑥ 將測得的時差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壁厚測量數(shù)據(jù),并送入無線遠(yuǎn)傳電路發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)云平臺,實(shí)現(xiàn)管道壁厚測量數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測。

對測厚電路的各功能進(jìn)行檢驗(yàn),其檢驗(yàn)結(jié)果(示波器顯示圖像)如圖3所示,可見所提超聲測厚電路能夠有效實(shí)現(xiàn)對超聲波信號的限幅穩(wěn)壓、信號增益、帶通濾波、包絡(luò)檢波、模數(shù)轉(zhuǎn)換,且具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,可以滿足管道測厚需求。

圖3 超聲測厚電路功能檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 測厚控制程序設(shè)計(jì)

超聲測厚系統(tǒng)通電后,系統(tǒng)各組件進(jìn)行初始化,由STC12C5A60S2型單片機(jī)P1.4引腳輸出控制超聲波發(fā)射的脈沖信號,經(jīng)由TC4429型場效應(yīng)晶體管驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動,由場效應(yīng)晶體管的柵極控制其自身的通斷,實(shí)現(xiàn)電容對超聲探頭壓電晶片的充放電操作,并向管道內(nèi)部發(fā)射超聲波。在初始化的同時,單片機(jī)由P2.3引腳對TDC-GP21芯片發(fā)送開始信號,啟動計(jì)時。發(fā)出的脈沖信號經(jīng)管道內(nèi)壁反射后,再經(jīng)由超聲探頭壓電晶片進(jìn)入接收電路。經(jīng)由二極管限幅穩(wěn)壓、放大器信號增益、RC帶通濾波、二極管包絡(luò)檢波、比較器模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列信號處理流程,進(jìn)入時差測量電路,由TDC-GP21芯片對超聲波發(fā)射及返回的信號時間差進(jìn)行計(jì)量,并轉(zhuǎn)換為厚度值存儲。同時,初始化結(jié)束后,定位模塊將開啟與衛(wèi)星的通信,接收衛(wèi)星發(fā)送的定位及時間信號。系統(tǒng)在獲得厚度值及時間定位信息后,由單片機(jī)信號控制數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模組將數(shù)據(jù)經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云平臺,實(shí)現(xiàn)測厚數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收、存儲。測厚控制程序運(yùn)行流程圖如圖4所示。

圖4 測厚控制程序運(yùn)行流程圖

3 壁厚在線監(jiān)測試驗(yàn)

采用實(shí)際管道壁厚測量和管道厚度梯度試塊相結(jié)合的方式對超聲波管道壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)平臺由恒溫箱、在線監(jiān)測軟件和測厚硬件組成(見圖5)。 恒溫箱作為管道厚度梯度試塊的控溫設(shè)備,能夠使試塊整體保持設(shè)定的溫度;在線監(jiān)測軟件用于數(shù)據(jù)的云端接收和儲存,為數(shù)據(jù)的處理提供支撐;測厚硬件用于對管道及試塊進(jìn)行壁厚監(jiān)測,并將數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)傳模組傳輸至在線監(jiān)測軟件所在的云平臺。

壁厚小于14 mm管道的測厚試驗(yàn)采用實(shí)際管道制作試樣。采用0.91,1.94,2.69,3.61,4.68,6.05,7.74,9.89,11.78 mm共9種不同壁厚的管道試樣,具體管道壁厚通過千分尺進(jìn)行測量,并將壁厚誤差控制在0.01 mm內(nèi)。試驗(yàn)時,將緊固裝置通過螺栓緊固在管道外壁,同時在緊固裝置上預(yù)留探頭安裝位置,然后向緊固裝置預(yù)留孔位注入適量耦合劑,并將超聲波探頭插入預(yù)留孔位,在其上方放置壓板,使用壓力彈簧和上方的固定支座蓋調(diào)節(jié)對壓板及超聲探頭的壓緊力至適宜,使超聲探頭與管道外壁既能緊密接觸又不會發(fā)生損壞。

壁厚大于14 mm管道的測厚試驗(yàn)采用管道厚度梯度試塊進(jìn)行,采用的試塊為自制試塊[見圖5(d)]。試塊厚度共有8種,分別為14.17,16.14,18.14,20.16,22.08,25.06,28.07,30.98 mm,具體厚度值通過千分尺進(jìn)行測量,并將厚度誤差控制在0.01 mm內(nèi)。試驗(yàn)時,將緊固裝置置于試塊上方,通過螺栓與恒溫箱底板固定,并進(jìn)行后續(xù)操作。后續(xù)操作與實(shí)際管道試樣測厚試驗(yàn)一致。

圖5 超聲管道壁厚在線監(jiān)測試驗(yàn)平臺組成

在不同的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行壁厚在線監(jiān)測,對第一批試驗(yàn)人工測量值(真實(shí)值)ha1與系統(tǒng)測量值hs1進(jìn)行比較,計(jì)算測厚的絕對誤差eh1和相對誤差δh1。得到的變溫情況下人工測量值ha與溫度T的誤差曲線如圖6所示。

圖6 變溫情況下人工測量值ha與溫度T的誤差曲線

溫度T和試樣厚度h是影響變溫系統(tǒng)測量值hst的變量,因此考慮建立溫度T和變溫系統(tǒng)測量值hst對第二批試驗(yàn)人工測量值ha2影響的二元擬合方程,即

(3)

式中:ha2*為根據(jù)公式擬合校正后的系統(tǒng)測量值;k1,k2,k3,k4,k5,k6為未知數(shù),在式(4)中得出。

將數(shù)據(jù)代入式(3)計(jì)算,得到系統(tǒng)校準(zhǔn)值ha2*關(guān)于溫度T和變溫系統(tǒng)測量值hst的擬合效果如圖7所示。

圖7 變溫系統(tǒng)測量值擬合效果

擬合關(guān)系式可表示為

ha2*=-0.443 5+2.559 4×10-7T2-1.2×

-9.5617×10-5Thst

(4)

重新進(jìn)行試驗(yàn),將結(jié)果代入式(4)進(jìn)行校正,可得到圖8所示的變溫情況下人工測量值ha2*與溫度T的誤差擬合曲線。

圖8 變溫情況下人工測量值ha2*與溫度T的誤差擬合曲線

經(jīng)式(4)的校正,在系統(tǒng)工作溫度區(qū)間及常用測厚區(qū)間下,壁厚絕對誤差eh2*在±0.04 mm內(nèi),相對誤差δh2*在1%內(nèi),相對于直接獲取的測厚數(shù)據(jù)的絕對誤差和相對誤差測厚精度得到了進(jìn)一步提高。對T0=24.5 ℃、h=6.12 mm的管道模型的測厚值(6.205 mm)進(jìn)行校準(zhǔn),可得系統(tǒng)校準(zhǔn)值為6.166 mm,絕對誤差為0.046 mm,相對誤差為0.752%。對于實(shí)際油氣管道的壁厚監(jiān)測,在-20 ℃～70 ℃的溫度范圍內(nèi),絕對誤差應(yīng)在0.1 mm內(nèi),且相對誤差應(yīng)在5%內(nèi)?？梢娫囼?yàn)測厚數(shù)據(jù)均符合要求,變溫測厚誤差擬合校正對照曲線如圖9所示。

圖9 變溫測厚誤差擬合校正對照曲線

在室溫24.5 ℃環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn),將不同壁厚試樣增設(shè)至17組,重新進(jìn)行試驗(yàn),得到的第三批試驗(yàn)的室溫下人工測量值ha3與系統(tǒng)測量值hs3的誤差曲線如圖10所示。

圖10 室溫下人工測量值ha3與系統(tǒng)測量值hs3的誤差曲線

對數(shù)據(jù)進(jìn)行二元擬合校正,可得到關(guān)于第三批試驗(yàn)系統(tǒng)測量值hs3的系統(tǒng)校準(zhǔn)值ha4*的擬合關(guān)系式,即

ha4*=0.967 3ha3+0.216 76

(5)

重新進(jìn)行試驗(yàn),將結(jié)果代入式(5)進(jìn)行校正,得到的室溫情況下第四批試驗(yàn)的人工測量值ha4與系統(tǒng)測量值hs4的誤差擬合曲線如圖11所示。

圖11 室溫情況下人工測量值ha4與系統(tǒng)測量值hs4的誤差擬合曲線

可見,各厚度梯度試樣的人工測量值ha4與系統(tǒng)校準(zhǔn)值ha4*的絕對誤差eh4*均在±0.1 mm內(nèi),且除厚度小于2 mm管道試樣的相對誤差值δh4*小于5%外,其余各厚度梯度試樣的相對誤差值均小于2%,滿足測厚精度的要求。

筆者采用管道厚度梯度試塊與管道試樣結(jié)合的方式對監(jiān)測系統(tǒng)的測厚能力進(jìn)行檢驗(yàn),獲取了測厚數(shù)據(jù)及誤差,并基于測厚數(shù)據(jù)求解系統(tǒng)測厚數(shù)據(jù)、溫度、人工測厚數(shù)據(jù)的擬合方程,實(shí)現(xiàn)了在所設(shè)置溫度監(jiān)測范圍內(nèi)的高精度管道壁厚監(jiān)測功能,同時進(jìn)行了室溫測厚重復(fù)性試驗(yàn),為實(shí)際油氣管道的壁厚監(jiān)測提供了修正補(bǔ)償方案。

4 結(jié)語

基于超聲波脈沖反射法針對油氣管道的壁厚監(jiān)測需求,設(shè)計(jì)并試制了一套壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)。該系統(tǒng)樣機(jī)能夠進(jìn)行多通道壁厚數(shù)據(jù)的實(shí)時檢測和云端讀取,在精簡設(shè)備體積和耗能的前提下,提高了測厚功能的覆蓋范圍。對樣機(jī)進(jìn)行了變溫多壁厚測厚試驗(yàn),基于不同壁厚和不同溫度條件下的超聲壁厚監(jiān)測工況,提出了一種使用變溫度測厚擬合模型進(jìn)行變溫?cái)?shù)據(jù)校準(zhǔn)的管道壁厚監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合修正方法,試驗(yàn)結(jié)果表明,采用所提擬合修正方法得到的管道壁厚超聲測厚絕對誤差eh2*在±0.04 mm內(nèi),相對誤差δh2*在1%內(nèi),所設(shè)計(jì)的超聲管道壁厚在線監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,具有一定的工程推廣價值。