CN102175773A - 一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统及其设计方法，该探头系统包括多个探头系统单元模块、快锁机构、连接轴和容设在探头系统单元模块中的气囊，各个探头系统单元模块通过连接轴连接，且相邻的两个探头系统单元模块能绕连接轴旋转，构成柔性结构；连接成一体的各个探头系统单元模块圈裹在被测海洋管道外表面周向上，由快锁机构将首尾两个探头系统单元模块连接卡紧，呈环状定位在被测海洋管道外表面周向上；探头系统单元模块还以防水材料密封。其设计方法是将探头系统的探头环及探头环卡具系统采用模块化结构，探头环由多个探头系统单元模块组成，探头环卡具系统由各个卡具模块构成，通过连接轴互相连接，首尾用快锁机构锁紧，构成具有一定柔性的探头系统。

Description

一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统及其设计方法

技术领域

本发明属于管道无损检测领域，涉及一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统及其设计方法。

背景技术

在海洋油气资源开发中，管道是油气输运的主要形式，是海上油气田开发和运输的生命线。管道腐蚀是海洋油气生产的重大安全隐患，在管道运行过程中若不能及时发现这些潜在危险，就可能引发油气泄露，发生管道事故，造成经济上的重大损失及社会负面影响。因此为保障海洋管道在服役期间的安全运行，延长其使用寿命，对在役管道进行安全检测已成为世界各国研究的重要课题。

随着超声导波理论的发展，将超声导波技术用于不同类型管道的损伤检测在国际上已趋于成熟，并应用于工程实际，且取得了较好的效果。导波检测技术利用固定在管道周围的探头环发射适当模式的低频声波(属超声波范畴)，该频率范围不需要液体进行耦合，采用机械或气体施加到探头的背面以保证探头与管道表面接触，从而达到超声波良好的耦合。固定在管道环向的超声波探头均匀的间隔排列，使得声波以管道轴芯为对称传播。

超声导波检测与传统检测技术相比有如下优势：(1)只需在管道一处激励超声导波，由于导波沿传播路径衰减很小，能够同时检测或扫描长距离管道，最远可达百米；(2)超声导波在管道的内、外表面和中部均有质点的振动，声场遍及整个壁厚或管道截面，可同时检测长距离管道内部和表面的缺陷；(3)通过速度模式控制和频率选择，可提高管道缺陷的检测精度；(4)通用性较好，适合水下、覆盖物下或绝缘层下的管道而无精度损失；(5)使为了确定缺陷分类和尺寸而经常需要进行的多模式/频率诊断成为可能；(6)结构简单，降低检测费用。

超声导波检测系统主要由以下几部分组成：1)以压电晶片为核心元件、用于发射和接受检测信号的探头；2)均匀布置在管道周向的探头系统(探头环和夹具)；3)数据采集和处理系统；4)数据传输和损伤诊断系统。

探头系统作为超声导波检测系统的核心部件，其设计对超声导波系统检测性能有重要影响。探头系统设计主要包括：探头安装设计(如何实现探头布置和固定，主要是考虑探头在管道周向和径向两个方向上安装，构成探头环)、探头环夹具设计。探头环的作用主要是布置和安装探头，实现探头和管道的能量耦合；探头环卡具的功能是将探头环固定在管道上，保证探头系统在工作时，探头与被测管道紧密接触。

对于海洋管道超声导波检测，还要求探头系统既能防水，又能耐高压。目前现有的陆地管道超声导波检测的探头系统主要是采用一体化固定式探头系统和柔性探头系统。若要用于海洋管道的超声导波检测，不仅要在防水设计上加以改进，而且还要考虑水下安装的要求，即如何用水下机器人进行探头系统安装，或便于潜水员水下作业安装。

一体化固定式探头系统是根据被测管道外径直径将探头的固定装置做成环状，根据探头固定环直径尺寸，在其圆周方向上均匀地铣出若干个槽以放置对应数量的单个探头。为了便于安装，一般是将探头固定环分解为两个半圆式探头固定环，两个探头固定环采用螺栓连接夹在管道上，即实现探头固定装置(探头环)和卡具一体化。在每个探头槽上装有压紧装置(主要是采用弹簧)，利用弹簧压缩对探头施加压紧力。因此，这种一体化固定式探头系统可扩展性差，只适合特定外径的管道，且制造复杂，工艺要求高。随着径向探头增加或外径增加，便会导致探头系统体积大，质量大。

柔性探头系统主要是采用柔性卡具。这种柔性卡具主要有两类：一是带有可首尾连接成环状的气囊，且环状气囊的内侧可安装探头固定装置，并对气囊进行充气，气囊膨胀对探头固定装置施加预紧力；二是采用高弹性碳纤维材料作为包覆层，包覆层上可安装探头固定装置，探头固定装置和包覆层之间装有气囊；利用快锁机构将包覆层卡紧在管道上。上述两类柔性探头系统安装比较复杂，不适合海洋管道检测，而且柔性卡具是针对特定外径的管道，这也限制了柔性探头系统的整体扩展性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统及其设计方法，其可使探头系统具有柔性和整体可扩展性，并可适应不同外径的管道超声导波检测。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：其包括多个探头系统单元模块、快锁机构、连接轴和容设在所述探头系统单元模块中的气囊，各个所述探头系统单元模块通过所述连接轴连接，且相邻的两个所述探头系统单元模块能绕所述连接轴旋转，构成柔性结构；连接成一体的各个所述探头系统单元模块圈裹在被测海洋管道外表面周向上，由所述快锁机构将首尾两个所述探头系统单元模块连接卡紧，呈环状定位在所述被测海洋管道外表面周向上；所述探头系统单元模块还以防水材料密封。

每一所述探头系统单元模块由一多模式探头模块和一卡具模块构成，所述多模式探头模块和所述卡具模块通过两个定位销连接固定。

所述多模式探头模块具有一探头模块基座，所述探头模块基座为长方体，其与所述被测海洋管道接触的面上开设有一个以上用于安装探头的探头凹槽，所述探头凹槽成线性阵列，纵波探头和扭转波探头间隔设置在各所述探头凹槽中，所述探头凹槽的深度小于各所述纵波探头和扭转波探头的高度，所述探头凹槽底部还开设有一用于安装探头电源接口的探头电源安装槽，所述探头模块基座内部开设有电源线槽与所述探头电源安装槽连通，所述探头模块基座的另一侧面上开设有两个连接所述卡具模块的盲孔，所述探头模块基座的一端面上还开设有一安装多模式探头模块外部电源接口的凹槽，所述凹槽的底部与所述电源线槽连通。

所述卡具模块具有一卡具模块基座和两个卡具模块连接件，所述卡具模块基座为一中段向内凹的长方块体，两个所述卡具模块连接件分别固定在所述卡具模块基座两侧，所述卡具模块连接件朝向外侧的一面上分别设有供所述连接轴穿设的安装件，所述卡具模块基座两端设有与所述探头模块基座的盲孔相对应的通孔，两所述通孔中心轴线之间的距离由所检测的管道外径和设置的多模式探头模块数量确定。

所述气囊设置在所述卡具模块基座中段的内凹处，所述气囊能首尾连接成环状，所述气囊上装有气嘴，以连接外部充气装置进行充气。

所述探头系统单元模块上的防水材料设置在所述多模式探头模块中的每一探头与所述探头凹槽接合的部位、所述探头模块基座的电源线槽与所述多模式探头模块外部电源接口的接合部位。

所述防水材料为聚氨酯防水材料。

所述快锁机构由移动快锁座、固定快锁座、快锁连接件及快锁手柄组成，所述移动快锁座和固定快锁座分别安装在首尾两个卡具模块基座上；所述快锁手柄一端通过销轴安装在所述固定快锁座上，并能绕所述销轴的中心旋转；所述快锁连接件一端为可转动的连接在所述快锁手柄上，另一端卡放在所述移动快锁座的卡座中。

所述连接轴为U型连接轴，其两端的直径小于所述卡具模块连接件上铰接头上的通孔的直径，并设有螺纹，所述U型连接轴的两端分别穿设在相邻两个所述卡具模块连接件的铰接头的通孔中，将两个相邻的所述卡具模块连接在一起。

本发明还提供了一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统的设计方法，其特征在于：所述探头系统的探头环及探头环卡具系统采用模块化结构，所述探头环由多个探头系统单元模块组成，每个所述探头系统单元模块包括一个多模式探头模块和一个卡具模块，所述多模式探头模块中安装有不同类型和数量的探头，构成扭转波检测模式、纵波检测模式、扭转波和纵波相组合的多种检测模式；所述探头环卡具系统由各个所述卡具模块构成，各个所述卡具模块之间通过连接轴互相连接，多个连接起来的所述探头系统单元模块的首尾用快锁机构锁紧，构成均匀安装在管道环向上的具有一定柔性的探头系统，在所述卡具模块和所述多模式探头模块之间安装有气体压紧装置，以对所述多模式探头模块中的探头施加压力，实现探头与管道的能量耦合，激发出超声导波进行管道无损检测。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用模块化设计，将探头系统进行模块化，构成多模式探头模块和卡具模块，每个多模式探头模块安装一个卡具模块，实现了探头固定装置和卡具系统在功能和物理上的分离；通过增加或减少多模式探头模块和卡具模块，可使探头系统适应不同外径的管道检测，保证了探头系统具有柔性和扩展性。2、多模式探头模块上开有5个用于安装探头的凹槽，可安装和拆卸不同类型的探头，构成多模式检测模式。若安装两个扭转波探头，则构成扭转波检测模式；若安装三个纵波探头，则构成纵波检测模式；若安装三个纵波探头和两个扭转波探头，则构成管道多模式检测模式，拓宽了检测模式，并可提高管道缺陷检测精度和效率。3、由于将探头系统的探头固定装置和卡具系统进行了功能和物理上分离，只需对多模式探头模块进行防水设计，简化了探头系统防水设计。具体体现在：在探头和探头模块基座的安装连接部采用防水材料进行密封，同时对探头模块基座的电源通道和外部电源接口部位采用防水材料进行密封，整个防水工艺简单。4、卡具模块和多模式探头模块之间安装气囊，工艺简单，拆装方便。卡具模块采用铰接方式互相连接，并对首尾两个卡具模块采用快锁机构锁紧，构成卡具系统，整个卡具在管道周向方向上长度保持固定。对气囊进行充气膨胀，压迫整个多模式探头模块沿着管道径向方向运动，对探头施加压力。通过调整气囊压力，可调整探头与被测管道的压紧力，保证了探头与被测管道结构的耦合性能的可重复性和均一性。

附图说明

图1是采用本发明设计方法制成的探头系统结构示意图

图2是图1的左视图

图3是本发明的探头系统单元模块组成示意图

图4是本发明的多模式探头模块示意图

图5是本发明的探头模块基座截面图

图6是本发明的卡具模块装配示意图

图7是本发明的快锁机构结构示意图

图8是本发明的卡具模块互相连接的装配结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

如图1、如图2所示，为本发明所提供的一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其由探头系统单元模块1、快锁机构2、连接轴3和气囊5构成。本实施例是以外径为八英寸的海洋管道4为例，在海洋管道4的周向上共设置有二十四个探头系统单元模块1，各个探头系统单元模块1通过连接轴3连接起来，且相邻的两个探头系统单元模块1可绕连接轴3旋转，构成柔性结构。连接成一体的各个探头系统单元模块1圈裹在被测海洋管道4外表面周向上，由快锁机构2将首尾两个探头系统单元模块1连接卡紧，定位在被测海洋管道4外表面周向上构成本发明具有柔性的探头系统。其中探头系统单元模块1由一多模式探头模块11和一卡具模块12构成(如图3所示)。

多模式探头模块11能激发扭转波模式、纵波模式以及扭转波和纵波相结合模式，如图4、图5所示，多模式探头模块11具有一探头模块基座111，探头模块基座111为长方体，其一侧面上开设有五个用于安装探头的探头凹槽112，探头凹槽112成线性阵列，纵波探头116和扭转波探头117间隔设置在探头凹槽112中。相邻的探头凹槽112中心之间的距离由探头激发超声波确定，一般为四分之一波长的整数倍。在探头凹槽112底部还开设有一用于安装探头电源接口115的探头电源安装槽113，探头电源安装槽113与设置在探头模块基座111内部供安放电源线的电源线槽114连通。探头模块基座111的另一侧面上开设有两个用于连接卡具模块12的螺纹盲孔118。在探头模块基座111的一端面上还开设有一凹槽119，用于安装多模式探头模块外部电源接口120，凹槽119的底部与电源线槽114连通，用于各探头电源线的走线。探头凹槽112的深度小于所安装探头的高度，即要保证探头上压电元件位于探头凹槽112的开口端面之上。在本实施例中，探头凹槽112的长度为14mm，宽度为12mm，深度为11mm，相邻两个探头凹槽112中心之间的距离为20mm。探头电源接口115和多模式探头模块外部电源接口120均采用同轴线接口。本发明是根据所需的管道检测模式(扭转波检测模式、纵波检测模式、扭转波与纵波相结合的检测模式)，在探头模块基座111上安装所需类型的探头和探头数量。

如图6所示，卡具模块12由一卡具模块基座121和两个T形卡具模块连接件122构成。卡具模块基座121为一中段向内凹的长方块体，卡具模块基座121的凹进部分用于容纳气囊5。两端的凸台上开设有两个通孔123，两通孔123中心之间的距离为探头模块基座111上两螺纹盲孔118中心之间的距离。两个卡具模块连接件122分别固定在卡具模块基座121两侧，在本实施例中，卡具模块连接件122是用螺钉固定安装在卡具模块基座121的两侧。卡具模块连接件122朝向外侧的一面上分别设有两个铰接头124，铰接头124上均开设有通孔125，以供连接轴3穿设于其中。两通孔125中心轴线之间的距离由所检测的管道外径和布置的多模式探头模块数量确定。相邻的两个卡具模块12分别利用其中一个T形卡具模块连接件122采用铰接方式进行连接。卡具模块12通过两个定位销15与多模式探头模块11连接固定。两定位销15的一端穿设在位于卡具模块基座121两端的凸台的通孔123中，并用螺母126锁固，另一端则穿入并锁固在多模式探头模块11的两螺纹盲孔118中，将多模式探头模块11和卡具模块12定位在一起组成探头系统单元模块1(如图3所示)。螺母126为锁固在两定位销15的端部，但并不将卡具模块12和多模式探头模块11锁死，使得多模式探头模块11可以沿着卡具模块12的卡具模块基座121上的通孔123在轴向方向进行一定移动，以适应气囊5因充气、放气而带来的体积变化。

多个卡具模块12首尾相连接即构成内径不变的卡具系统，并具有一定的柔性。为了保证探头系统连接松紧程度，第一个探头系统单元模块和最后一个探头系统单元模块之间采用快锁机构或其他锁紧装置进行卡紧。

如图3所示，气囊5设置在卡具模块基座121中段的凹入部，与能连接成环状的探头系统单元模块1相适应，各气囊5也可首尾连接成环状。气囊5上装有气嘴，可连接外部充气装置进行充气。由于各卡具模块12首尾相连接构成内径不变的卡具系统，膨胀的气囊5使得多模式探头模块11可以沿着卡具模块12的卡具模块基座121上的通孔123在轴向方向向垂直于管道径向方向上运动，进而产生压力压迫多模式探头模块11的各个探头，使各个探头与被测管道进行能量耦合，产生超声导波进行检测。

如图7所示，快锁机构2由移动快锁座21、固定快锁座22、快锁连接件23及快锁手柄24组成。其中移动快锁座21和固定快锁座22开有通孔211、221，通过螺钉或螺栓分别安装在首尾两个卡具模块基座121上。快锁手柄24一端通过销轴26安装在固定快锁座22上，可绕销轴26的中心O₁旋转，快锁手柄24的手柄身部上开有一通孔，其中设有一销轴25，快锁连接件23通过销轴25连接快锁手柄24。快锁连接件23的另一端为一凸部231(在本实施例中为一球体)，卡放在移动快锁座21上的卡座212中。当施力在快锁手柄24时，快锁手柄24便绕固定快锁座22上的销轴26旋转，带动快锁连接件23移动，使首尾两个卡具模块基座121之间的距离减小，如此便能将探头系统紧紧地卡套在被测海洋管道4上。

如图8所示，连接轴3采用的是一种U型连接轴，其两端的直径小于卡具模块连接件上的铰接头124的通孔125的直径，连接轴3的两端设有螺纹，U型连接轴的两端分别穿设在两个卡具模块连接件122的铰接头124的通孔125中，并在连接轴3两端安装定位螺母31，以防止连接轴3从卡具模块12上脱落，如此便将相邻的两个卡具模块12连接在一起。

本发明的多模式探头模块11具有防水设置，多模式探头模块11中的每一探头和探头模块基座111上用于安装探头的探头凹槽112装配部位、探头与探头凹槽112接合的部位、探头模块基座111与多模式探头模块外部电源接口120的接合部位以及电源线槽114均采用防水材料进行密封，以实现本发明探头系统的防水功能。在本实施例中，是采用聚氨酯防水材料进行封装，以保证整个探头系统能够在水下正常工作。

本发明的多模式探头模块11中的探头模块基座111、探头电源接口115及卡具模块12的一卡具模块基座121采用铝合金制成，其他连接件一般可采用不锈钢。

以上所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统的设计方法的主旨是将探头环及探头环卡具系统进行模块化处理。由多个探头系统单元模块1组成探头环，每个探头系统单元模块1包括一个多模式探头模块11和一个卡具模块12，多模式探头模块11中安装有不同类型和数量的探头，构成扭转波检测模式、纵波检测模式、扭转波和纵波相组合的多种检测模式。卡具模块12构成探头环卡具系统，各个卡具模块12之间通过连接轴3互相连接，将多个探头系统单元模块1连接起来，再利用快锁机构2将首尾两端的探头系统单元模块1锁紧，构成均匀安装在管道环向上的具有一定柔性的探头系统。在卡具模块12和多模式探头模块11之间安装有气体压紧装置，以对多模式探头模块11上的探头施加压力，实现探头与管道的能量耦合，激发出超声导波进行管道无损检测。

Claims (11)

1.一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：其包括多个探头系统单元模块、快锁机构、连接轴和容设在所述探头系统单元模块中的气囊，各个所述探头系统单元模块通过所述连接轴连接，且相邻的两个所述探头系统单元模块能绕所述连接轴旋转，构成柔性结构；连接成一体的各个所述探头系统单元模块圈裹在被测海洋管道外表面周向上，由所述快锁机构将首尾两个所述探头系统单元模块连接卡紧，呈环状定位在所述被测海洋管道外表面周向上；所述探头系统单元模块还以防水材料密封。

2.如权利要求1所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：每一所述探头系统单元模块由一多模式探头模块和一卡具模块构成，所述多模式探头模块和所述卡具模块通过两个定位销连接固定。

3.如权利要求2所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：所述多模式探头模块具有一探头模块基座，所述探头模块基座为长方体，其与所述被测海洋管道接触的面上开设有一个以上用于安装探头的探头凹槽，所述探头凹槽成线性阵列，纵波探头和扭转波探头间隔设置在各所述探头凹槽中，所述探头凹槽的深度小于各所述纵波探头和扭转波探头的高度，所述探头凹槽底部还开设有一用于安装探头电源接口的探头电源安装槽，所述探头模块基座内部开设有电源线槽与所述探头电源安装槽连通，所述探头模块基座的另一侧面上开设有两个连接所述卡具模块的盲孔，所述探头模块基座的一端面上还开设有一安装多模式探头模块外部电源接口的凹槽，所述凹槽的底部与所述电源线槽连通。

4.如权利要求2或3所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：所述卡具模块具有一卡具模块基座和两个卡具模块连接件，所述卡具模块基座为一中段向内凹的长方块体，两个所述卡具模块连接件分别固定在所述卡具模块基座两侧，所述卡具模块连接件朝向外侧的一面上分别设有供所述连接轴穿设的安装件，所述卡具模块基座两端设有与所述探头模块基座的盲孔相对应的通孔，两所述通孔中心轴线之间的距离由所检测的管道外径和设置的多模式探头模块数量确定。

5.如权利要求2或3所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：所述气囊设置在所述卡具模块基座中段的内凹处，所述气囊能首尾连接成环状，所述气囊上装有气嘴，以连接外部充气装置进行充气。

6.如权利要求4所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：所述气囊设置在所述卡具模块基座中段的内凹处，所述气囊能首尾连接成环状，所述气囊上装有气嘴，以连接外部充气装置进行充气。

7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：所述探头系统单元模块上的防水材料设置在所述多模式探头模块中的每一探头与所述探头凹槽接合的部位、所述探头模块基座的电源线槽与所述多模式探头模块外部电源接口的接合部位。

8.如权利要求7所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：所述防水材料为聚氨酯防水材料。

9.如权利要求1至8任一所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：所述快锁机构由移动快锁座、固定快锁座、快锁连接件及快锁手柄组成，所述移动快锁座和固定快锁座分别安装在首尾两个卡具模块基座上；所述快锁手柄一端通过销轴安装在所述固定快锁座上，并能绕所述销轴的中心旋转；所述快锁连接件一端为可转动的连接在所述快锁手柄上，另一端卡放在所述移动快锁座的卡座中。

10.如权利要求1至9任一所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：所述连接轴为U型连接轴，其两端的直径小于所述卡具模块连接件上铰接头上的通孔的直径，并设有螺纹，所述U型连接轴的两端分别穿设在相邻两个所述卡具模块连接件的铰接头的通孔中，将两个相邻的所述卡具模块连接在一起。

11.如上所述用于海洋管道超声导波检测的探头系统的设计方法，其特征在于：所述探头系统的探头环及探头环卡具系统采用模块化结构，所述探头环由多个探头系统单元模块组成，每个所述探头系统单元模块包括一个多模式探头模块和一个卡具模块，所述多模式探头模块中安装有不同类型和数量的探头，构成扭转波检测模式、纵波检测模式、扭转波和纵波相组合的多种检测模式；所述探头环卡具系统由各个所述卡具模块构成，各个所述卡具模块之间通过连接轴互相连接，多个连接起来的所述探头系统单元模块的首尾用快锁机构锁紧，构成均匀安装在管道环向上的具有一定柔性的探头系统，在所述卡具模块和所述多模式探头模块之间安装有气体压紧装置，以对所述多模式探头模块中的探头施加压力，实现探头与管道的能量耦合，激发出超声导波进行管道无损检测。

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