CN106768283B - 一种基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置及检测方法，其特征在于，包括一个待检测管道，其沿一条第一轴线延伸设置；两个超声导波探头，其采用收发分离的方式激发和接收S0模式的兰姆波，所述的两个超声导波探头中的一个为发射探头，而另一个为接收探头；两个长距离波导，所述的两个长距离波导中的一个为发射波导，而另一个为接收波导，其中，发射波导沿一条第一中心线延伸设置且其一端与所述发射探头连接，而其另一端缠绕设置在所述待检测管道的外管壁上，接收波导沿一条第二中心线延伸设置且其一端与所述接收探头连接，而其另一端缠绕设置在所述待检测管道的外管壁上。本发明结构简单，设计合理，检测效率高，安装方便。

Description

一种基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置及检测 方法

技术领域

本发明涉及一种基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置及检测方法，属于管道在线检测领域。

背景技术

管道作为五大运输工具之一，在运输液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势。然而，管道在长期使用中受冲刷和腐蚀的影响，导致管壁减薄并伴有缺陷产生，常常发生泄漏事故，不仅造成经济上的巨大损失，而且会造成严重的安全事故。因此，对管道进行无损检测，具有显著的经济效益和社会效益。

针对管道管体的无损检测技术有很多种,常规检测方法包括超声法、漏磁法、射线法和涡流法等。但是，常规无损检测技术都存在一个严重的不足：检测过程为逐点扫描式，一次性检测距离短，检测效率低下。因此，常规无损检测方法不能有效的应用于当前工业中成千上万公里的管道检测中。

超声导波可以实现远距离的传播，声波衰减率较低，可以在短时间内覆盖大部分的检测范围，检测效率较高，在管道检测中具有明显的优势。因此，超声导波检测技术被大量应用于管道无损检测领域。然而，现阶段的管道超声导波检测设备存在一定的不足，主要体现在无法对工作中的传输管道进行在线检测。因为大多数传输管道都工作在非常恶劣的条件下，例如埋地管道和核能化工领域使用的高温管道，导波探头无法在腐蚀性的土壤中或高温环境中正常工作。现阶段，针对埋地管道的超声导波检测，采用的方法是对管道进行局部开挖后安装导波探头进行探伤，管道开挖和移除管道上方的装置都会增加检测的成本；而针对工作在高温环境中的管道，需要在管道停止运行并自然冷却后再检测，会严重影响管道的正常工作，而冷却系统和一次性探头耗材的使用会带来额外的检测费用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置，其特征在于，包括一个待检测管道，其沿一条第一轴线延伸设置，并包括一个外管壁；两个超声导波探头，其采用收发分离的方式激发和接收S0模式的兰姆波，所述的两个超声导波探头中的一个为发射探头，而另一个为接收探头，其中，发射探头用于激发超声波，而接收探头用于接收超声波；两个长距离波导，所述的两个长距离波导中的一个为发射波导，而另一个为接收波导，其中，发射波导沿一条第一中心线延伸设置且其一端与所述发射探头连接，而其另一端缠绕设置在所述待检测管道的外管壁上，第一中心线所在平面垂直于所述第一轴线，接收波导沿一条第二中心线延伸设置且其一端与所述接收探头连接，而其另一端缠绕设置在所述待检测管道的外管壁上，第二中心线所在平面垂直于所述第一轴线。

本发明所述超声导波探头为基于磁致伸缩机制的曲折型电磁超声换能器，其包括永磁铁阵列和曲折型激励线圈，永磁铁阵列提供平行于导波传播方向的静态偏置磁场，曲折型激励线圈提供平行于导波传播方向的交变磁场，通过磁致伸缩效应可在长距离波导中激发出S0模式的兰姆波。

本发明所述的曲折型激励线圈紧贴在长距离波导的表面，永磁铁阵列通过与长距离波导之间的磁吸引力，从而将超声导波探头固定在长距离波导的表面。

本发明还包括两组波导连接件，这两组波导连接件分别用于将发射波导和接收波导固定到待检测管道上，所述波导连接件设置在待检测管道上并将缠绕在待检测管道上的接收波导或发射波导固定。

本发明所述波导连接件为具有开口的圆环状结构，波导连接件上开设波导连接槽，发射波导或接收波导插入该波导连接槽中并缠绕设置至待检测管道的外管壁，波导连接件在其开口处设置用于调节上述开口大小的锁紧结构。

本发明所述发射波导或接收波导缠绕至待检测管道的外管壁的长度等于待检测管道外周的周长。

本发明所述永磁铁阵列包括4个永磁铁，其中两个N极朝上，2个S极朝上，且所述的4个永磁铁交错排列。

一种采用所述的基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置的检测方法，包括：

发射探头在发射波导中激发出S0模式的兰姆波，其振动方向平行于声波的传播方向；

当S0模式的兰姆波通过发射波导21后，由于声波的振动方向保持不变，而传播方向改为沿管道轴向传播，因此会转换为振动方向与传播方向相垂直的T(0，1)模式的扭转模态导波在待检测管道4中传播；

当T(0，1)模式的扭转模态导波传播到待检测缺陷位置时，产生相应的反射回波，反射波经过接收波导后会将超声信号传给接收探头，通过对接收到的超声信号分析处理，实现对缺陷的检测和定位。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、结构简单，设计合理；

2、本发明基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置利用长距离的波导和超声导波波型转换特性，可以实现对管道的在线实时检测，S0模式的兰姆波通过长距离波导后转换为管道扭转模态导波，可以在管道中远距离传播，具有较高的检测效率；

3、长距离波导通过波导连接件安装在待检测管道上，安装方式较为简便；

4、超声导波探头通过磁吸引力固定在波导的一端，便于安装和拆卸；

5、超声导波探头远离管道恶劣的工作环境，提高了装置的耐用性和稳定性，并便于工作人员操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置的结构示意图。

图2是本发明的超声导波传播示意图。

图3是本发明的超声导波探头的结构示意图。

图4是本发明的超声导波探头与长距离波导的配合示意图。

图5是本发明的长距离波导和波导连接件的配合示意图。

图6是本发明的波导连接件的结构示意图。

图7是本发明的待检测管道的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1。

参见图1至图7，本实施例的基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置包括一个待检测管道4，其沿一条第一轴线X延伸设置，并包括一个外管壁；两个超声导波探头1，其采用收发分离的方式激发和接收S0模式的兰姆波，这两个超声导波探头1中的一个为发射探头11，而另一个为接收探头12，其中，发射探头11用于激发超声波，而接收探头12用于接收超声波；两个长距离波导2，这两个长距离波导2中的一个为发射波导21，而另一个为接收波导22，其中，发射波导21沿一条第一中心线Y延伸设置且其一端与所述发射探头11连接，而其另一端缠绕设置在待检测管道4的外管壁上，第一中心线Y所在平面垂直于所述第一轴线X，从而保证S0模式的兰姆波通过长距离波导2后可以转换为T(0，1)模式的扭转模态导波进行传播，接收波导22沿一条第二中心线Z延伸设置且其一端与所述接收探头12连接，而其另一端缠绕设置在所述待检测管道4的外管壁上，第二中心线Z所在平面垂直于所述第一轴线X，从而保证S0模式的兰姆波通过长距离波导2后可以转换为T(0，1)模式的扭转模态导波进行传播。

如图4所示，本实施例中的长距离波导2采用的是两块相同的且横截面为矩形的细长薄钢板来作为发射波导21和接收波导22。长距离波导2可使超声导波探头1远离管道的恶劣的工作环境，便于对管道进行在线检测。

本实施例中的长距离波导2包括直线段和弯折段，其直线段与待检测管道4的外管壁相切，而弯折段即为缠绕设置在待检测管道4上的部分，长距离波导2的直线段与待检测管道4相切。由于长距离波导2采用的是细长薄钢板，其本身具有一定的弹性，因而其弯折部可根据待检测管道的大小进行调节。

如图3所示，本实施例中的超声导波探头1为基于磁致伸缩机制的曲折型电磁超声换能器(Meander-line coil EMAT)，其包括永磁铁阵列111和曲折型激励线圈112，永磁铁阵列111提供平行于导波传播方向的静态偏置磁场，曲折型激励线圈112提供平行于导波传播方向的交变磁场，通过磁致伸缩效应可在长距离波导2中激发出S0模式的兰姆波。超声导波探头1激发出S0模式的兰姆波为现有技术，此处不再赘述。

本实施例中的曲折型激励线圈112紧贴在长距离波导2的表面，永磁铁阵列111通过与长距离波导2之间的磁吸引力，从而将超声导波探头1固定在长距离波导2的表面，因而，超声导波探头1的拆装非常方便。

如图5和图6所示，本实施例还包括两组波导连接件3，这两组波导连接件3分别用于将发射波导21和接收波导22固定到待检测管道4上，波导连接件3设置在待检测管道4上并将缠绕在待检测管道4上的接收波导22或发射波导21固定。

本实施例中的波导连接件3为具有开口的圆环状结构，波导连接件3上开设波导连接槽32，发射波导21或接收波导22插入该波导连接槽32中并缠绕设置至待检测管道4的外管壁，发射波导21或接收波导22插入波导连接槽32后，在波导连接件3和待检测管道之间进给，并最终缠绕在待检测管道4上，波导连接件3在其开口处设置用于调节上述开口大小的锁紧结构，从而将发射波导21或接收波导22夹紧在待检测管道4上。本实施例中的波导连接件3的开口处设置两个锁紧片，锁紧片上开设通孔31，锁紧结构包括锁紧螺栓和锁紧螺母，锁紧螺栓穿设过锁紧片的通孔并通过螺母锁紧，从而调节两个锁紧片之间的距离，使得波导连接件3夹紧长距离波导2。本实施例中的锁紧机构，也可采用现有技术中的其它结构。

如图5所示，本实施例中的发射波导21或接收波导22缠绕至待检测管道4的外管壁的长度等于待检测管道4外周的周长。

如图3所示，本实施例中的永磁铁阵列111包括4个永磁铁，其中两个N极朝上，2个S极朝上，且所述的4个永磁铁交错排列，此处所指的交错排列，指的是N极和S极之间的交错排列。

如图2所示，以下说明是采用上述的基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置的检测方法，步骤包括：

将发射波导21和接收波导22安装到待检测管道4上，将发射探头11和接收探头12对应安装到发射波导21和接收波导22上；

发射探头11在发射波导21中激发出S0模式的兰姆波，其振动方向平行于声波的传播方向；

当S0模式的兰姆波通过发射波导21后，由于声波的振动方向保持不变，而传播方向改为沿管道轴向传播，因此会转换为振动方向与传播方向相垂直的T(0，1)模式的扭转模态导波在待检测管道4中传播；

当T(0，1)模式的扭转模态导波传播到待检测缺陷位置(管道凹槽缺陷41)时，产生相应的反射回波，反射波经过接收波导22后会将超声信号传给接收探头12，通过对接收到的超声信号分析处理，实现对缺陷的检测和定位。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置，其特征在于，包括一个待检测管道，其沿一条第一轴线延伸设置，并包括一个外管壁；

两个超声导波探头，其采用收发分离的方式激发和接收S0模式的兰姆波，所述的两个超声导波探头中的一个为发射探头，而另一个为接收探头，其中，发射探头用于激发超声波，而接收探头用于接收超声波；

两个长距离波导，所述的两个长距离波导中的一个为发射波导，而另一个为接收波导，其中，发射波导沿一条第一中心线延伸设置且其一端与所述发射探头连接，而其另一端缠绕设置在所述待检测管道的外管壁上，第一中心线所在平面垂直于所述第一轴线，接收波导沿一条第二中心线延伸设置且其一端与所述接收探头连接，而其另一端缠绕设置在所述待检测管道的外管壁上，第二中心线所在平面垂直于所述第一轴线；

所述超声导波探头为基于磁致伸缩机制的曲折型电磁超声换能器，其包括永磁铁阵列和曲折型激励线圈，永磁铁阵列提供平行于导波传播方向的静态偏置磁场，曲折型激励线圈提供平行于导波传播方向的交变磁场，通过磁致伸缩效应可在长距离波导中激发出S0模式的兰姆波；

所述的曲折型激励线圈紧贴在长距离波导的表面，永磁铁阵列通过与长距离波导之间的磁吸引力，从而将超声导波探头固定在长距离波导的表面。

2.根据权利要求1所述的基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置，其特征在于：还包括两组波导连接件，这两组波导连接件分别用于将发射波导和接收波导固定到待检测管道上，所述波导连接件设置在待检测管道上并将缠绕在待检测管道上的接收波导或发射波导固定。

3.根据权利要求2所述的基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置，其特征在于：所述波导连接件为具有开口的圆环状结构，波导连接件上开设波导连接槽，发射波导或接收波导插入该波导连接槽中并缠绕设置至待检测管道的外管壁，波导连接件在其开口处设置用于调节上述开口大小的锁紧结构。

4.根据权利要求1所述的基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置，其特征在于：所述发射波导或接收波导缠绕至待检测管道的外管壁的长度等于待检测管道外周的周长。

5.根据权利要求1所述的基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置，其特征在于：所述永磁铁阵列包括4个永磁铁，其中两个N极朝上，2个S极朝上，且所述的4个永磁铁交错排列。

6.一种采用权利要求1至5任意一种所述的基于长距离波导的管道超声导波在线检测装置的检测方法，包括：

发射探头在发射波导中激发出S0模式的兰姆波，其振动方向平行于声波的传播方向；

当S0模式的兰姆波通过发射波导后，由于声波的振动方向保持不变，而传播方向改为沿管道轴向传播，因此会转换为振动方向与传播方向相垂直的T(0，1)模式的扭转模态导波在待检测管道中传播；

当T(0，1)模式的扭转模态导波传播到待检测缺陷位置时，产生相应的反射回波，反射波经过接收波导后会将超声信号传给接收探头，通过对接收到的超声信号分析处理，实现对缺陷的检测和定位。