CN101173911A - 一种管道缺陷快速扫查方法和无损检测装置 - Google Patents

Abstract

一种管道缺陷快速扫查方法和无损检测装置，特别适用于带包覆层管道缺陷的快速扫查和无损检测。本发明包括导波传感器、发射模块、接收模块、信号发生模块、功率放大模块、信号处理模块、A/D转换模块以及嵌入式计算机系统。本发明适用于不同管径的管道缺陷全面检测，适用于长输管道的检测，适用于不可到达的地方的管道检测。本发明技术具有非接触、快速、大范围检测能力，检测效率高；可克服常规无损检测方法的某些局限性；可以克服管路有油污、结垢、弯曲或有隔热保护层等限制性条件，对管道缺陷进行判断和定位，缩小维修范围，避免不必要的拆卸和更换，降低人工检测强度，节省人力和物力。另外，可以实现在线监测，对构件的健康状况进行评估或其寿命预测等。

Description

一种管道缺陷快速扫查方法和无损检测装置

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，特别是带包覆层管道的一种管道缺陷快速扫查方法和无损检测装置。

背景技术

包覆层管道广泛用于石油、化工、冶金、天然气、热电、核电及供热等行业或部门，目的是输送各种流体介质如油、水、气、蒸汽等。由于被输送的流体介质多具有高湿、高压、高温和腐蚀等特性，管道除受外界条件的影响而引起管外部腐蚀外，管内因受流体的冲刷、腐蚀等易使管壁减薄，还有管内液体的化学沉积物(如水垢等)的形成易降低管道输送流体的能力，甚至堵塞管道，这些腐蚀与沉淀物的长期作用，易引起管道泄漏和爆炸事故。为了防止泄漏、爆管以保证高效安全运行，定期的快速的检测管道缺陷是非常必要的。对于带包覆层管道的检测，一直是一个难题。目前，我国还多采用剥离外包覆层超声测厚检验或破坏检查方法，这不仅浪费大量人力、财力，停工影响生产，而且难以达到全面地诊断评价和排除所有危险段的目的。

由于包覆层的存在，无法使用常规的超声、涡流、磁粉、渗透及目视等检测方法。因为射线具有穿透包覆层无损检测管壁和管内沉淀物的能力，目前国内外采用射线检侧方法对包覆层管道缺陷进行检测。但在实际应用中需要进行复杂的技术处理，如需准确、快速地对射线影像进行信息提取等；另外，该方法检测所需时间长，现场辐射剂量较大，对人身安全需要采取很好的保护措施。

目前，超声导波无损检测技术的出现给包覆层管道缺陷的检测带来了新的希望。在国外，有3家相继研制开发了超声导波管道检测仪器，如英国的超声导波有限公司(GUL)开发的WAVEMAKER G3仪器、英国焊接研究所(TWI)下属公司——英国PI公司开发了Teletest仪器、美国西南研究院(SWRI)开发了MsS仪器。前二者采用的物理原理是基于压电效应，在管道中主要激励和检测扭转波，而后者采用的物理原理是基于磁致伸缩效应，在管道中激励和检测扭转波。这3家的仪器在对包覆层管道的实际检测应用中，反映的效果不是很好。分析其原因，有以下几点：

1、对包覆层管道检测时，在安装基于压电效应的压电传感器的地方必须剥除包覆层，另外，压电传感器与管道表面必须接触，虽然无需耦合剂，但要求管道表面光滑平整。在安装基于磁致伸缩效应的传感器的地方也必须剥除包覆层，因为要在管道表面贴合一层磁致伸缩功能材料——铁钴条带。

2、采用扭转波检测是因为扭转波具有非频散特性，易于缺陷信号的识别，另外，可以检测管道周向缺陷。但对于长输管道检测来说，尤其是埋地管道检测，因为扭转波较纵波在管道中传播速度慢(扭转波传播速度大约为3.2×10³m/s，纵波传播速度大约为5.3×10³m/s)，扭转波较纵波在管道中传播距离短很多(扭转波大约可传播30米远，而纵波沿管道单个方向大约可传播100多米远)。

3、因要除掉包覆层，不适合在线检测。

4、定量检测效果不佳，不能判断缺陷的类型、分布、大小等信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、使用方便、可以实现在线检测、对长输管道也适合检测、可以激励和检测多种模式的导波、实现缺陷的定量化检测、不剥除管道包覆层即可对管道缺陷快速扫查方法和无损检测装置，以克服现有技术中存在的不足。

为了实现上述目的，本发明包括：导波传感器、发射模块、接收模块、信号发生模块、功率放大模块、信号处理模块、A/D转换模块以及嵌入式计算机系统，各模块之间用相应的信号线相连，其管道缺陷快速扫查方法包括的步骤如下：

第一步骤：将导波传感器直接安装在被测管道外表面，可不去包覆层，调节传感器中偏置磁场和交变磁场的方向以控制传感器产生的导波模式；

第二步骤：在计算机人机交互软件中设定发射的信号波形(方波、正弦波)、连续输出脉冲数(1-8可调)、激励频率、放大倍数、磁化电流等参数，然后，点击发射按钮；

第三步骤：当发射按钮启动时，在偏置磁场和交变磁场的作用下，在管道中产生基于磁致伸缩效应的力，从而在管道中激励弹性导波，导波在管道中可沿管道轴向和周向传播；

第四步骤：导波在管道中传播时，会引起导波传感器接收线圈中磁通量的变化，从而在导波传感器中产生感应电压信号，电压信号经过接收模块连接到信号处理模块进行滤波、放大等预处理；

第五步骤：接收信号经过信号处理模块进行处理后，再经过A/D转换模块转换成数字信号，然后通过嵌入式计算机进行分析处理，传递到数据存储模块，通过软件程序对数据进一步分析处理，即可判断出管道中是否存在腐蚀、裂纹、壁厚减薄、破损等缺陷；

第六步骤：建立管道导波无损检测结果的数据信息库；

第七步骤：分析管道的老化规律、影响因素等，建立设备寿命预测数学模型，对管道的健康状况/寿命进行评价(估)，为管道的维修、更换提供决策依据。

本发明还提供了一种管道缺陷的无损检测装置，包括导波传感器、发射模块、接收模块、信号发生模块、功率放大模块、信号处理模块、A/D转换模块以及嵌入式计算机系统，各模块之间用相应的信号线相连，导波传感器设置在待测管道上，其特点是：导波传感器由两组线圈绕组构成，一组线圈绕组为发射线圈绕组，另一组为接收线圈绕组，发射线圈绕组的输入端与发射模块的输出相连，接收线圈绕组的输出端与接收模块的输入相连接。

上述导波传感器中发射线圈绕组和接收线圈绕组设置在同一骨架上，在骨架上还设置有一组磁化线圈绕组，磁化线圈绕组的输入端与发射模块输出相连接。

上述发射线圈绕组和磁化线圈绕组组合产生纵波、扭转波和弯曲波三种导波模式。

上述导波传感器的形状为带状构成或半圆状扣合构成。

由于本发明采用了以上的技术方案，使得本发明具有以下特点：

1)无需剥除包覆层，即可对包覆层管道无损检测；

2)能够对长距离管道缺陷进行快速扫查，检测效率高；

3)适用于不可到达的地方的管道检测，如埋地管道，穿过墙、公路等管道；

4)实现非接触检测，无需耦合剂，传感器提离高度可达几十毫米；

5)除可对整个长度管道缺陷快速检测外，还可对管道截面积的缺陷进行检测，即可实现管道的体积检测；

6)能够实现在线检测，对管道的健康状况即时监控；

7)整个检测过程成本低，无需准备辅助设备或材料等；

8)设备携带方便，传感器安装和拆卸方便，仪器操作简单等。

本发明适用于不同管径的包覆层管道缺陷全面检测，适用于长输管道的检测，适用于不可到达的地方的管道检测，具有非接触、快速、大范围检测能力，可克服常规无损检测方法的局限性，可以克服管路有油污、结垢、弯曲或有隔热保护层等限制性条件，对管道缺陷进行判断和定位，缩小维修范围，避免不必要的拆卸和更换，降低人工检测强度，节省人力和物力。另外，可以实现在线监测，对构件的健康状况进行评估或其寿命预测等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的原理框图。

图3为本发明的导波传感器结构示意图。

图4为本发明的导波传感器布置图。

图5a为本发明的导波传感器激发的纵向模态导波模式传播示意图。

图5b为本发明的导波传感器激发的扭转模态导波模式传播示意图。

图5c为本发明的导波传感器激发的弯曲模态导波模式传播示意图。

图6为本发明的程序流程图。

图7a为本发明实施例的正常钢管示意图。

图7b为本发明实施例的模拟3个缺陷的钢管示意图。

图8为本发明实施例的检测正常管道信号图。

图9为本发明实施例的检测缺陷管道信号图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明包括：导波传感器1、发射模块2、接收模块3、信号发生模块4、功率放大模块5、信号处理模块6、A/D转换模块7以及嵌入式计算机系统8(图2)。发射模块2的输入端与功率放大模块5相连，接收模块3的输出端与信号处理模块6相连，发射模块2的输出端和接收模块3的输入端都与导波传感器1相连，信号发生模块4的输出端与功率放大模块5相连，A/D转换模块7的输入端与信号处理模块6相连，另外，信号发生模块4的输入端和A/D转换模块7的输出端都与嵌入式计算机系统8相连，另外，嵌入式计算机系统8与数据存储模块9和数据输出、打印模块10相连。

导波传感器1采用带状和半圆形的形状，可以直接扣合在管道外面，安装和拆卸方便。也可以将导波传感器事先装在管道的某个部位，每当进行检测时，只要检测仪器和导波传感器1之间用带可拔插件的连线相连就可以了，非常方便。

导波传感器1集导波激发、接收和局部磁化功能于一体，其中，局部磁化是由通电螺线管(磁化线圈绕组)产生偏置磁场。导波传感器由磁化线圈绕组、发射和接收线圈绕组、骨架、固紧卡环或外围气囊带等组成。

通过设定导波传感器1中偏置磁场和交变磁场的方向，此传感器由发射模块控制磁化线圈绕组和发射线圈绕组，可以在管道中产生激励超声纵波、扭转波和弯曲波，这三种导波模式在管道中传播的形态(图5)。纵向模态导波在管中同时存在两个方向的位移，即沿管道轴向和径向位移。扭转模态导波在管中只存在一个方向的位移，即沿管道周向位移。弯曲模态导波在管中同时存在三个方向的位移，即沿管道轴向、周向和径向位移。

在安装传感器的地方，激励的导波沿着管道轴向向两端传播，为了分辨两个方向接收的信号，在传感器中设置有序编码器，由导波通过编码器的顺序和方向即可以控制只接收一个方向的导波传播信号。

信号发生模块4由单片机控制、触发模块等组成，其中单片机采用MCS-51系列单片机，在测量模块中，由于要计时采样，高精度，选用了24M晶振。信号发生模块4可以产生方波、正弦波信号，信号经过推挽式电路来驱动功率管，即信号发生模块与功率放大模块相连。

功率放大模块5主要由推挽式电路驱动耐高压场效应管及其电路组成，将激励脉冲信号放大成大功率脉冲信号。激励脉冲瞬时峰值电压分档可调，通过激励衰减开关控制。因要输出大功率脉冲信号，对电路中元器件有很大的冲击，所以要采取措施，设计保护电路。

发射模块2中包括了保护电路，当功率放大模块5发射的脉冲信号通过导波传感器1时，由于导波传感器1中激励线圈为电感器件，即使停止发送脉冲也会返回极高的电压，因此，在发射模块2电路中跨接了耐压二极管，起到放电作用。

当导波沿管道11传播时，管道11介质内各部分均发生变化，与此相应，其磁导率也将发生变化，它反过来使波的传播特性也发生变化，把这种影响称为应变效应，进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化，根据法拉第电磁感应定律，而变化的磁感应强度必定引起导波传感器1中接收线圈中的电压变化，导波传感器1将检测到的电压信号传给接收模块3，接收模块3与信号处理模块6相连，信号处理模块6将检测的信号进行滤波、放大等处理，信号处理模块6中包含有相应的滤波、放大芯片及电路。

信号处理模块6与A/D转换模块7相连，信号经过滤波、放大后由信号处理模块6出来直接到A/D转换模块7，信号进行A/D转换，然后，进入嵌入式计算机系统8。嵌入式计算机系统8由安装有数据采集和分析处理软件的计算机、存储器、数显装置和数据输入输出接口等组成。

如图6所示，本发明系统程序软件包括提下位机软件和上位机软件。下位机单片机程序采用C语言编写。其编程思想采用模块化设计方案，包括6个模块：初始化模块、看门狗模块、定时器0中断模块、串口中断模块、脉冲发送模块、滤波器中心频率选择模块和主程序模块。上位机软件采用VB编写。通过上位机软件设定发送脉冲的频率、脉冲个数、重复周期以及重复个数等参数。下位机接受到发送脉冲的频率同时也确定了相应的滤波器中心频率。同时还可以通过上位机的界面显示和处理采集的导波波形，从而判断管道缺陷。

本发明的管道缺陷快速扫查方法，包括下列实施步骤：

1)将导波传感器直接安装在被测管道外表面，可不去包覆层，调节传感器中偏置磁场和交变磁场的方向以控制传感器产生的导波模式，导波传感器安装完好后，用带接插件的通讯线连接导波传感器和仪器；

2)在计算机人机交互软件中设定发射的信号波形(方波、正弦波)、连续输出脉冲数(1-8可调)、激励频率、放大倍数、磁化电流等参数，然后，点击发射按钮；

3)当发射按钮启动时，在偏置磁场和交变磁场的作用下，在管道中产生基于磁致伸缩效应的力，从而在管道中激励弹性导波，导波在管道中可沿管道轴向和周向传播；

4)导波在管道中传播时，会引起导波传感器接收线圈中磁通量的变化，从而在导波传感器中产生感应电压信号，电压信号经过接收模块连接到信号处理模块进行滤波、放大等预处理；

5)接收信号经过信号处理模块进行处理后，再经过A/D转换模块转换成数字信号，然后通过嵌入式计算机进行分析处理，传递到数据存储模块，通过软件程序对数据进一步分析处理，即可判断出管道中是否存在腐蚀、裂纹、壁厚减薄、破损等缺陷；

6)建立管道导波无损检测结果的数据信息库；

7)分析管道的老化规律、影响因素等，建立设备寿命预测数学模型，对管道的健康状况/寿命进行评价(估)，为管道的维修、更换提供决策依据。

以下结合本发明方法的内容提供以下检测实施例：

以两根无缝钢管作为样本管，他们的组成材料相同，其长度大约都为6.72m，外径为38mm，壁厚为2.5mm，其中一根无缺陷，其示意图如图a所示。另一根钢管上钻了3个模拟缺陷的孔，通孔的大小分别为φ12mm、φ10mm、φ5mm。φ12mm孔位于钢管两端的中间处，而φ10mm和φ5mm孔分别位于钢管的三等分处，即与钢管两端的距离均为2.24m(图7)。

对正常样本管进行检测实验，激励传感器放置于管的一端，而接收传感器放置于管的另一端，激励频率为20kHz，发射的脉冲范围为1-8个。导波传感器在管道中激发纵向导波，图8为发射6个脉冲时正常钢管检测波形。图9为发射6个脉冲时的缺陷样本管检测波形。

本发明的工作原理为：本发明由两个部分组成，一部分用于激发导波，另一部分用于接收或检测导波。发射部分包括：从信号发生模块出来的信号，经过功率放大模块放大，作用于导波传感器，在导波传感器的作用下，在管道中产生一交变磁场，在交变磁场的作用下，在管道中产生弹性导波，产生的导波沿管道长度方面传播。接收部分包括：当导波在管道中传播时，会引起管道材料磁性发生变化，从而引起其磁感应强度的变化，当导波再一次通过导波传感器时，由导波传感器接收到感应电压信号。接收的电压信号通过信号处理模块进行处理，再经过A/D转换模块转换，转换信号通过嵌入式计算机进行分析处理，传递到数据存储模块，通过对数据进一步分析处理，即可判断出管道中是否存在腐蚀、裂纹、壁厚减薄、破损等缺陷。导波传感器在管道中可以发射和接收3种模式的导波，即扭转波、纵波、弯曲波。发明的导波传感器有两种结构，一种是带状，另一种是半圆形，都采用扣合的方式固定在管道上。导波传感器发射不同的模式导波主要是由控制传感器中偏置磁场和交变磁场的方向决定的。当偏置磁场方向与交变磁场方向平行时，在管道中激励纵向导波；当偏置磁场方向与交变磁场方向垂直时，在管道中激励扭转导波；当偏置磁场方向与交变磁场方向既不平行也不垂直时，在管道中激励弯曲导波。

发射模块和接收模块分别由保护电路和电磁噪声屏蔽电路组成。其功能一是可以保护功率放大模块中的元器件免受冲击和烧毁，二是可以抑制空间电磁场和传感器本身产生的噪声。信号发生模块由单片机控制、触发模块等组成，可以产生方波、正弦波信号，信号经过推挽式电路来驱动功率管，即信号发生模块与功率放大模块相连。功率放大模块与发射模块相连，发射模块再与导波传感器相连。功率放大模块由推挽式电路驱动耐高压场效应管，从而放大成大功率脉冲信号。激励脉冲瞬时峰值电压分档可调，通过激励衰减开关控制。因要输出大功率脉冲信号，对电路中元器件有很大的冲击，所以要采取措施，设计了保护电路。信号处理模块由放大、滤波电路等组成。由于传感器接收模块输出的有用信号极其微弱，一般为10^-6-10^-5V，且伴有很强的背景噪声和干扰，所以必须通过信号处理模块将噪声和干扰滤除，同时放大有用信号，提高信噪比。A/D转换模块的功能是将接收的模拟信号转换成数字信号。嵌入式计算机系统由安装数据采集与分析软件的计算机、存储模块、显示和数据输入输出接口模块组成。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种管道缺陷快速扫查方法，包括导波传感器、发射模块、接收模块、信号发生模块、功率放大模块、信号处理模块、A/D转换模块以及嵌入式计算机系统，各模块之间用相应的信号线相连，其管道缺陷快速扫查方法包括的步骤如下：

第一步骤：将导波传感器直接安装在被测管道外表面，可不去包覆层，调节传感器中偏置磁场和交变磁场的方向以控制传感器产生的导波模式；

第二步骤：在计算机人机交互软件中设定发射的信号波形、连续输出脉冲数、激励频率、放大倍数、磁化电流等参数，然后，点击发射按钮；

第三步骤：当发射按钮启动时，在偏置磁场和交变磁场的作用下，在管道中产生基于磁致伸缩效应的力，从而在管道中激励弹性导波，导波在管道中可沿管道轴向和周向传播；

第四步骤：导波在管道中传播时，会引起导波传感器接收线圈中磁通量的变化，从而在导波传感器中产生感应电压信号，电压信号经过接收模块连接到信号处理模块进行滤波、放大等预处理；

第五步骤：接收信号经过信号处理模块进行处理后，再经过A/D转换模块转换成数字信号，然后通过嵌入式计算机进行分析处理，传递到数据存储模块，通过软件程序对数据进一步分析处理，即可判断出管道中是否存在腐蚀、裂纹、壁厚减薄、破损等缺陷；

第六步骤：建立管道导波无损检测结果的数据信息库；

第七步骤：分析管道的老化规律、影响因素等，建立设备寿命预测数学模型，对管道的健康状况/寿命进行评价，为管道的维修、更换提供决策依据。

2.一种管道缺陷的无损检测装置，包括导波传感器、发射模块、接收模块、信号发生模块、功率放大模块、信号处理模块、A/D转换模块以及嵌入式计算机系统，各模块之间用相应的信号线相连，导波传感器设置在待测管道上，其特征在于：导波传感器由两组线圈绕组构成，一组线圈绕组为发射线圈绕组，另一组为接收线圈绕组，发射线圈绕组的输入端与发射模块的输出相连，接收线圈绕组的输出端与接收模块的输入相连接。

3.如权利要求2所述的管道缺陷的无损检测装置，其特征在于：导波传感器中发射线圈绕组和接收线圈绕组设置在同一骨架上，在骨架上还设置有一组磁化线圈绕组，磁化线圈绕组的输入端与发射模块输出相连接。

4.如权利要求2或3所述的管道缺陷的无损检测装置，其特征在于：发射线圈绕组和磁化线圈绕组组合产生纵波、扭转波和弯曲波三种导波模式。

5.如权利要求2所述的管道缺陷的无损检测装置，其特征在于：导波传感器的形状为带状构成或半圆状扣合构成。

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