CN102980942A - 一种金属管道检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种金属管道检测装置及方法，所述的装置包括：位置判断单元，用于获取所述的金属管道检测装置的位置信息；中央控制单元，用于根据所述的位置信息命令传感器控制单元发起检测，并根据反射回波判断管壁缺陷；传感器控制单元，用于控制传感器组激发超声导波，并将接收到的反射回波发送至所述的中央控制单元；传感器组，均匀分布在检测装置的同一圆周方向上，用于产生超声导波及接收反射回波。本发明实施例提供的一种金属管道检测装置及方法，沿管壁传播的超声导波频率较低，受线圈与管壁间距的约束较小，所以更容易工程化应用，不但适用于检测沿管壁轴向的狭小细长缺陷、裂纹，也能检测管壁上的金属损失缺陷。

Description

一种金属管道检测装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气长输管道技术领域，尤其涉及管壁局部金属损失缺陷和轴向裂纹缺陷的检测技术，具体来说是关于一种金属管道检测装置及方法。

背景技术

长输天然气管道是目前天然气的主要输送手段，随着我国长输管道运输业的高速发展，高压力大排量天然气管道运输系统日渐庞大，特别是自从西气东输一线使用X70管线钢以来，高钢级管道材料逐步推广而且钢级不断增强。随着管道运营时间的不断增长，管线上的局部缺陷逐渐恶化，常会带来巨大灾难，造成巨大经济损失和环境污染。因此对输气管道上的缺陷进行定期检查是输气管道系统维护的关键内容。

目前，应用于高压输气管线的检测技术有超声、涡流、X射线和漏磁等方法。一般来说，一些技术仅适合于管线建设过程中及运行过程中的局部检测，例如管线建设过程采用X射线进行环焊缝检测。然而，只有对输气管线进行在线检测能够检测出管线上任何地方存在的缺陷，但是采用上述任何技术（除目前应用的漏磁检测方法外）进行全管线的检测都十分昂贵且耗费时间。通常的做法是先对管线进行前期评估，再按照相应标准对管线局部进行抽样检查，这仅仅在很小程度上减少了故障的发生机率，与保证管线系统安全可靠的目标相差甚远。

漏磁检测技术对管线的裂纹和沿轴向的狭窄细长缺陷并不敏感；而超声技术虽然对管壁上的细小裂纹具有足够的灵敏度，但传感器需要耦合剂，所以很难应用于输气管线的检测；电磁超声技术可以克服超声技术必须采用耦合剂的技术缺陷，可以应用于输气管线的检测。但由于电磁超声技术的传感器换能效率低，使其应用具有很大的局限性。另外，传感器的换能效率随传感器距管壁的距离以指数关系衰减，且激发的超声波频率越高，传感器与管壁所需间距越小，所以对于工程化的应用而言存在极大挑战。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种金属管道检测装置及方法。

本发明实施例提供一种金属管道检测装置，所述的装置包括：

位置判断单元，用于获取所述的金属管道检测装置的位置信息；

中央控制单元，用于根据所述的位置信息命令传感器控制单元发起检测，并根据反射回波判断管壁缺陷；

传感器控制单元，用于控制传感器组激发超声导波，并将接收到的反射回波发送至所述的中央控制单元；

传感器组，均匀分布在检测装置的同一圆周方向上，用于产生超声导波及接收反射回波。

本发明实施例还提供一种金属管道检测方法，所述的方法使用金属管道检测装置对金属管道进行检测，所述的方法包括：

中央控制单元判断所述的检测装置是否到达检测位置；

如果所述的检测装置到达检测位置，则中央控制单元控制传感器控制单元发起检测；

传感器控制单元控制传感器组激发超声导波；

传感器组接收反射回波并将接收到的反射回波发送至所述的中央控制单元；

中央控制单元根据反射回波判断管壁缺陷。

本发明实施例提供的一种金属管道检测装置及方法，应用电磁超声传感器产生沿管壁传播的超声导波来检测管壁的缺陷，由于电磁超声传感器很容易控制导波的模式，而且，沿管壁传播的超声导波频率较低，受线圈与管壁间距的约束较小，所以更容易工程化应用，不但适用于检测沿管壁轴向的狭小细长缺陷、裂纹，也能检测管壁上的金属损失缺陷（壁厚减薄）。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种金属管道检测装置结构图；

图2是本发明实施例提供的传感器组104的结构图；

图3是本发明实施例提供的传感器202的分布示意图；

图4是本发明实施例提供的水平剪切波的频散曲线图；

图5是激发传感器301采用单脉冲激发时产生的导波信号图；

图6B和图6A分别是有无缺陷时SH0脉冲和AH1脉冲的变化图；

图7是本发明实施例提供的一种金属管道检测方法流程图；

图8A-图8C是本发明实施例提供的传感器301-306的激发顺序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例一

图1是本发明实施例提供的一种金属管道检测装置结构图，如图1所示，金属管道检测装置包括：

位置判断单元101，用于获取所述的金属管道检测装置的位置信息。

在本发明实施例中，位置判断单元101可以是一里程轮，当金属管道检测装置沿管道运行时，里程轮随时获取其当前所处的位置信息，并将位置信息发送至中央控制单元102。这里，里程轮是一个传感器，随时记录经过的距离，即相对于出发点的位置信息。

中央控制单元102，用于根据所述的位置信息命令传感器控制单元发起检测，并根据反射回波判断管壁缺陷。

在本发明实施例中，中央控制单元102可以是一中央处理器或单片机，中央控制单元102与位置判断单元101相连，接收位置判断单元101传送的位置信息，根据位置信息确定是否开始管道检测。当位置信息满足检测需求，即金属管道检测装置到达检测位置时，中央控制单元102向传感器控制单元103发送指令，通知传感器控制单元103开始进行检测。

传感器控制单元103，用于控制传感器组激发超声导波，并将接收到的反射回波发送至所述的中央控制单元。

在本发明实施例中，当传感器控制单元103接收到中央控制单元102发送的开始进行检测的指示时，依照预定顺序控制传感器组中的不同传感器分别开始检测。

传感器组104，均匀分布在检测装置的同一圆周方向上，用于产生超声导波及接收反射回波。

在本发明实施例中，传感器组104可以是一电磁超声传感器组，图2是本发明实施例提供的传感器组104的结构图，如图2所示，传感器组104可以包括永久磁铁201和传感器202，其中：

永久磁铁201沿管道延伸方向设置在传感器202的两侧，用于产生偏置磁场，如图2所示，偏置磁场的方向为管道的延伸方向且平行于管壁；

传感器202，位于两块永久磁铁201之间，用于激发超声导波及接收反射回波。

在本发明实施例中，传感器202可以由折型线圈构成，折型线圈的方向与所述的偏置磁场的方向平行。由于激发线圈与接收线圈的结构相同，每个线圈都可以即做激发又做接收使用，因此传感器202可以即是激发传感器又是接收传感器。

图3是本发明实施例提供的传感器202的分布示意图，如图3所示，6个传感器301-306均匀分布在同一管道圆周上，其中设定传感器301为激发传感器，传感器302和306为接收传感器，如图3所示，激发传感器和接收传感器分开布置，且两个接收传感器分别位于激发传感器的两侧。当金属管道检测装置到达检测位置时，中央控制单元102向传感器控制单元103发送指令，通知传感器控制单元103开始进行检测，传感器控制单元103向传感器组104发出检测指令，激发传感器301采用单脉冲激发，在管壁中激发出沿管壁传播的超声导波，激发传感器301产生两种模式的导波SH0和AH1，同时激发传感器301激发后等待接收覆盖区域内的缺陷反射回波，激发传感器301两侧的接收传感器302、306接收激发传感器301发射的导波，接收传感器302、306同时接收两种模式的导波，并通过滤波处理将SH0和AH1的信号分开。

在本发明实施例中，激发的超声导波模式分别为0阶水平剪切波SH0和1阶水平剪切波AH1，两种导波模式按照水平剪切波频散曲线的规律变化。对于大口径管道，由管道曲率带来的影响可以忽略不计，水平剪切波的频散曲线可参照相应厚度的钢板上的频散曲线，如图4所示。由信号的频谱特性可知当采用单脉冲激发时，激发信号的频谱能够完全覆盖SH0和AH1的激发频点，这样可以在同一时刻激发出SH0和AH1模式的导波。图5是激发传感器301采用单脉冲激发时产生的导波信号图。可以看出采用单脉冲激发时能同时产生SH0和AH1模式的导波。由于AH1导波的群速度大于SH0模式导波的群速度，SH0脉冲信号的传播速度要慢于AH1模式的导波。由激发传感器301和接收传感器302、306组成的传感器组104，针对两个传感器之间的区域检测，由于电磁超声传感器产生的超声导波沿垂直于传感器线圈方向双向传播，每组传感器由相邻的三个传感器组成。每个传感器既可以接收导波也可以激发导波。在时刻1，301和304激发，302，306接收301的导波信号，303,305接收304的导波信号；接收完成后在时刻2激发302和305，这时301,303接收302的导波信号，304,306接收305的导波信号；完成本次接收后在时刻3，激发303和306，这时302,304接收303的导波信号，301,305接收306的导波信号。当检测装置运行在管线中时，中央控制单元102会获取位置判断单元101的信息。根据位置判断单元101的信息，中央控制单元102向传感器控制单元103发送检测指令。传感器控制单元103接收到检测指令后，按照上述逻辑依次接收处理获取的信号，并将完成处理的信号发回给中央控制单元102。中央控制单元102将数据存储到本地的存储器中。

在本发明实施例中，激发传感器301激发的导波被两侧的接收传感器302、306接收，同时接收覆盖区域内的缺陷反射回波。对于轴向裂纹缺陷，由于缺陷横截面几乎垂直于波前，对两种模式的导波都会存在反射作用，激发传感器301通过接收反射回波来确定管壁缺陷的存在及位置。两侧的接收传感器302、306接收两种模式的导波，对覆盖区域内的金属损失缺陷具有足够的灵敏度。图6B和图6A分别是有无缺陷时SH0脉冲和AH1脉冲的变化图，当覆盖区域有金属损失缺陷时AH1脉冲幅度减小，而SH0的幅度基本是不发生变化。首先，金属损失缺陷对SH0导波的幅度几乎没有影响，即不会造成SH0脉冲的幅度衰减。第二，对于AH1模式的导波，金属损失缺陷对AH1模式的导波幅度有很大的影响，即会造成AH1脉冲幅度的强烈衰减，同时缺陷的体积越大造成AH1脉冲幅度的衰减越大。第三，由于AH1脉冲和SH0脉冲由同一接收传感器接收，而且由同一个激发传感器301激发，所以对于影响导波信号的环境干扰因素，如传感器的振动、提离变化的影响、激发电源电压的变化等对SH0和AH1脉冲具有同种程度的影响。第四，采用接收到的SH0脉冲和AH1脉冲幅度比可以消除这些环境因素的影响。

需要说明的是，本发明实施例以6个传感器为例进行了说明，此处并不以为限，在实际应用中，本领域技术人员可以根据实际需求在检测装置的圆周方向增加传感器的数量，如9个传感器、12个传感器、15个传感器等。

在本发明实施例中，每个传感器都即可以激发超声导波也可以接收超声导波。传感器组的触发与接收信号由中央控制单元102控制，传感器组104接收反射回波后，由传感器控制单元103将接收到的反射回波发送至中央控制单元102，中央控制单元102根据反射回波判断管壁是否存在缺陷。

在本发明实施例中，传感器控制单元103将接收到的反射回波信号数字化，滤波处理后进行窗选，选出SH0和AH1的脉冲（SH0和AH1的选择窗需要有相同的宽度，根据传感器的特性确定），计算选择窗内脉冲信号的RMS值，计算SH0和AH1脉冲的RMS值比率，将计算结果回传给中央控制单元102并存储。在传感器激发的同时，还接收缺陷的反射波，来确定裂纹缺陷的存在。

根据上面描述的激发接收方法，由于每个传感器都会激发一次，这样传感器之间的覆盖距离被重复的检测两次，对于缺陷声波反射方式，可以方便确定缺陷所在位置。对于收发方式，由于是对同一覆盖区域的不同传感器的收发，将两次脉冲信号的RMS值相加再做比值，可以有效地抑制系统噪声影响。为了提高检测灵敏度，可以增加传感器的数量，即减小单个传感器的覆盖距离。激发传感器采用单脉冲激发同时产生SH0和AH1模式的导波，通过滤波处理将SH0和AH1的信号分开。信号经窗选后计算AH1和SH0脉冲的幅度比值。依据金属损失对SH0幅度影响很小，而使AH1幅度极大衰减，通过信号的幅度比值，既检测了管道金属损失缺陷，又有效地将其自裂纹缺陷中区分开来，提高了检测的精度。

本发明实施例提供的一种金属管道检测装置，应用电磁超声传感器产生沿管壁传播的超声导波来检测管壁的缺陷，由于电磁超声传感器很容易控制导波的模式，而且，沿管壁传播的超声导波频率较低，受线圈与管壁间距的约束较小，所以更容易工程化应用，不但适用于检测沿管壁轴向的狭小细长缺陷、裂纹，也能检测管壁上的金属损失缺陷（壁厚减薄）。

实施例二

图7是本发明实施例提供的一种金属管道检测方法流程图，如图7所示，金属管道检测方法包括：

S701，中央控制单元判断所述的检测装置是否到达检测位置。

在本发明实施例中，结合图1-图3所示，中央控制单元102与位置判断单元101相连，接收位置判断单元101传送的位置信息，根据位置信息确定是否开始管道检测。

S702，如果所述的检测装置到达检测位置，则中央控制单元控制传感器控制单元发起检测。

在本发明实施例中，当位置信息满足检测需求，即金属管道检测装置到达检测位置时，中央控制单元102向传感器控制单元103发送指令，通知传感器控制单元103开始进行检测。

S703，传感器控制单元控制传感器组激发超声导波。

在本发明实施例中，当传感器控制单元103接收到中央控制单元102发送的开始进行检测的指示时，依照预定顺序控制传感器组中的不同传感器分别开始检测。

S704，接收反射回波并将接收到的反射回波发送至所述的中央控制单元。

在本发明实施例中，传感器组104接收反射回波后，由传感器控制单元103将接收到的反射回波发送至中央控制单元102。

S705，中央控制单元根据反射回波判断管壁缺陷。

在本发明实施例中，中央控制单元102根据反射回波判断管壁是否存在缺陷。

如图8A-图8C所示，在本发明实施例中，传感器301-306被分为3组触发，传感器控制单元103按下列顺序控制传感器激发接收：

如图8A所示，301和304激发，302，306接收301的导波信号，303,305接收304的导波信号，同时301和304接收缺陷的反射回波，完成后续步骤；

如图8B所示，302和305激发，301,303接收302的导波信号，304,306接收305的导波信号；同时302和305接收缺陷的反射回波，完成后续步骤；

如图8C所示，303和306激发，302,304接收303的导波信号，301,305接收306的导波信号，完成该位置的检测。

在本发明实施例中，其突出表现在于同时采用脉冲回波和透射方式，每个传感器既做激发又做接收，每个位置重复检测两次，从而提高了检测灵敏度。此外，本方法采用两种导波模式SH0和AH1，依据金属损失对SH0脉冲幅度影响很小，而对AH1脉冲幅度影响大，有效解决了区分裂纹缺陷与金属损失缺陷的难题，提高了检测的精度。

根据上面描述的激发接收方法，由于每个传感器都会激发一次，这样传感器之间的覆盖距离被重复的检测两次，对于缺陷声波反射方式，可以方便确定缺陷所在位置。对于收发方式，由于是对同一覆盖区域的不同传感器的收发，将两次脉冲信号的RMS值相加再做比值，可以有效地抑制系统噪声影响。为了提高检测灵敏度，可以增加传感器的数量，即减小单个传感器的覆盖距离。激发传感器采用单脉冲激发同时产生SH0和AH1模式的导波，通过滤波处理将SH0和AH1的信号分开。信号经窗选后计算AH1和SH0脉冲的幅度比值。依据金属损失对SH0幅度影响很小，而使AH1幅度极大衰减，通过信号的幅度比值检测缺陷的存在，同时降低系统干扰。

本发明实施例提供的一种金属管道检测方法，应用电磁超声传感器产生沿管壁传播的超声导波来检测管壁的缺陷，由于电磁超声传感器很容易控制导波的模式，而且，沿管壁传播的超声导波频率较低，受线圈与管壁间距的约束较小，所以更容易工程化应用，不但适用于检测沿管壁轴向的狭小细长缺陷、裂纹，也能检测管壁上的金属损失缺陷（壁厚减薄）。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金属管道检测装置，其特征在于，所述的装置包括：

位置判断单元，用于获取所述的金属管道检测装置的位置信息；

中央控制单元，用于根据所述的位置信息命令传感器控制单元发起检测，并根据反射回波判断管壁缺陷；

传感器控制单元，用于控制传感器组激发超声导波，并将接收到的反射回波发送至所述的中央控制单元；

传感器组，用于产生超声导波及接收反射回波；所述传感器组包括六个传感器，均匀分布在检测装置的同一圆周方向上；所述的六个传感器即是激发传感器又是接收传感器；所述传感器组同时有两个激发传感器及四个接收传感器；激发传感器，用于在管壁中激发出沿管壁传播的超声导波；接收传感器，设置在所述的激发传感器两侧，用于接收所述的反射回波；六个传感器相互轮替为激发传感器或接收传感器；所述两个激发传感器激发0阶水平剪切波SH0和1阶水平剪切波AH1。

2.根据权利要求1所述的金属管道检测装置，其特征在于，所述的传感器组包括：

永久磁铁，用于产生偏置磁场，所述的偏置磁场的方向为管道轴向且平行于管壁；

传感器，用于激发超声导波及接收反射回波。

3.根据权利要求2所述的金属管道检测装置，其特征在于，所述的传感器为折型线圈，所述的折型线圈的方向与所述的偏置磁场的方向平行。

4.一种金属管道检测方法，其特征在于，所述的方法使用如权利要求1-3所述的金属管道检测装置对金属管道进行检测，所述的方法包括：

中央控制单元判断所述的检测装置是否到达检测位置；

如果所述的检测装置到达检测位置，则中央控制单元控制传感器控制单元发起检测；

传感器控制单元控制传感器组激发超声导波，包括：

第一传感器和第四传感器激发，第二传感器和第六传感器接收第一传感器的导波信号，第三传感器和第五传感器接收第四传感器的导波信号，同时第一传感器和第四传感器接收缺陷的反射回波；

第二传感器和第五传感器激发，第一传感器和第三传感器接收第二传感器的导波信号，第四传感器和第六传感器接收第五传感器的导波信号，同时第二传感器和第五传感器接收缺陷的反射回波；

第三传感器和第六传感器激发，第二传感器和第四传感器接收第三传感器的导波信号，第一传感器和第五传感器接收第六传感器的导波信号，同时第三传感器和第六传感器接收缺陷的反射回波；

接收反射回波并将接收到的反射回波发送至所述的中央控制单元；

中央控制单元根据反射回波判断管壁缺陷。

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