CN106996958A - 一种基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，包括可越障式的管道爬行器、超声导波发生器、双模态超声导波探头、信号转换模块、无线传输模块、图像处理模块、电源模块、GPS定位模块和远程总控室；可越障式的管道爬行器包括管道爬行器外壳和设置在管道爬行器外壳下方的传动机构；超声导波发生器与双模态超声导波探头相连接，信号转换模块与无线传输模块相连接；管道爬行器外壳的外壁上安装有红外传感器。本发明由双模态超声导波探头发射双模态的超声导波进行长运输管道的自动检测，可一次性对管道进行纵向和横向的检测，检测范围广、精度高、效率快；扩展了检测的适应范围和时效性，并降低了因管道泄露发生危险的概率。

Description

一种基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置
技术领域
本发明涉及一种长运输螺旋焊管的检测装置，具体涉及一种基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，属于长运输管道无损检测技术领域。
背景技术
现如今石油、天然气的使用已经进入平常百姓家，面对巨大的需求量，石油、天然气的运输成为一项重大的工程，而管道运输作为与铁路、公路、水运和航空并列的五大运输方式之一，具有运输周期短、运输量大、运输成本低、运输效率高等优势，使其在石油、天然气运输领域得到非常广泛的应用。
随着我国西气东输工程的逐渐投入，管道的需求量迅速的增加，而用于如此长距离运输的管道大多数为螺旋焊管，为了能够提高运输的效率，管道内的油气都是通过增强压力来运输的，因此螺旋焊管要承受巨大的压力条件，而焊缝处无非是螺旋焊管最脆弱的部位，因此不仅要保证螺旋焊管的质量，还要通过后期的检测方法避免焊缝处有裂纹、气泡、夹渣等缺。除此之外，长运输管道所处的环境条件以及内部运输的介质都会对管道有不同程度的腐蚀破坏。基于此，管道泄漏问题时有发生，为了能够及时发现运输管道的内部缺陷，在保证输油、输气管道正常运输的情况下，需要对运输管道进行缺陷在役检测。
目前的管道无损检测技术主要有射线检测技术、渗透检测技术、磁粉检测技术和超声波检测技术。其中射线检测技术仅对管道焊缝中的气孔、夹渣和疏松等体积型缺陷的检测灵敏度较高，对平面缺陷和腐蚀的检测灵敏度较低，检测效率低；渗透检测、磁粉检测由于是在管道内部进行，因而可操作性不强；超声波检测技术则具有能实现远距离在役检测、可检测焊缝缺陷和腐蚀缺陷、可在管道外部在无需剥离防腐层和清管测径的情况下检测、操作性强检测效率和精度高等优点。因而超声导波无损检测技术近年来已广泛应用于管道检测领域，并且成为众多研究者关注的课题。
在申请号为201410581346.5的发明专利提供了一种压力管道超声内检测自动化装置，由于管道运输具有持续性，因此对于实现管道的内在的在役检测的实际应用上并不可行。而在申请号为201320124475.2的发明专利提供了一种基于无线传感网络的远程燃气管道泄漏检测系统，其采用在运输管道上间隔一定距离部署红外传感器，然后通过采集红外传感器信号的方式对管道进行远程检测，但是这种方法对于红外传感器精度和环境适应性的要求非常高，并且红外传感器只能检测管道泄露之后的情况，这时再经过无线网络处理后可能已经造成了一定程度的经济损失，这种方法不仅检测成本高、时效性差，而且检测精度差，容易受环境因素影响。因此，总的来说目前超声波检测还存在自动化程度低、对人员技术要求高、管道缺陷类型识别度差的缺点。而且随着智能化时代的到来，为避免工人在我国大西部恶劣环境下对运输管道进行在役检测，并实现管道检测的远程控制下的自动化、智能化，这就成为众多研究者持续关注的问题。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，包括可越障式的管道爬行器、超声导波发生器、双模态超声导波探头、信号转换模块、无线传输模块、图像处理模块、电源模块、GPS定位模块和远程总控室；可越障式的管道爬行器包括管道爬行器外壳和设置在管道爬行器外壳下方的传动机构；传动机构包括带齿磁吸轮、齿轮转轴、三轮连接杆；
带齿磁吸轮安装在齿轮转轴的两端，齿轮转轴的每一端均设置有三个带齿磁吸轮，三个带齿磁吸轮等角度分布于齿轮转轴的外侧并与其啮合在一起，且位于齿轮转轴同侧的三个带齿磁吸轮之间采用三轮连接杆、螺栓和螺母固定在一起；齿轮转轴为两根，水平对称设置在管道爬行器外壳的两侧；
超声导波发生器与双模态超声导波探头相连接，信号转换模块与无线传输模块相连接；电源模块设置在管道爬行器外壳的中部，并通过导线分别与超声导波发生器、信号转换模块、无线传输模块、遥控装置以及管道爬行器驱动电机相连接；管道爬行器外壳的外壁上安装有红外传感器。
超声导波发生器、信号转换模块、无线传输模块和遥控装置均设置在管道爬行器外壳内；管道爬行器外壳采用全封闭钢制外壳。
双模态超声导波探头为可发射纵向波L(0,2)和扭转波T(0,1)超声导波的组合探头；纵向L(0,2)导波可准确检测管道表面的腐蚀和裂纹等缺陷，扭转波T(0,1)导波可沿螺旋焊缝检测焊缝缺陷。
双模态超声导波探头使用螺钉固定在管道爬行器外壳的下方，双模态超声导波探头与待测管道的接触部分材料为橡胶，在检测时双模态超声导波探头与待测管道间形成一层空气耦合剂。
信号转换模块由A/D转换器和D/A转换器组成。
图像处理模块将接收到的反射波形进行分割后与预先获取的参考波形进行比较从而确定管道缺陷的类型；参考波形为存储在计算机内采用人工模拟各种管道缺陷而制作的多种波形库。
GPS定位模块包括控制台、基站、客户端和中继台，远程总控室将发出的警报以短信的方式发送指令到基站，再由基站发送指令到客户端，客户端接收到信息后将GPS数据通过中继台发送给接收器，最后接收器将GPS数据通过网络发送至控制台即可得到所标定的具体位置。
本发明与现有的管道检测装置比较，具有以下有益效果：
(1)采用安装有带齿磁吸轮的管道爬行器进行长运输管道的检测，通过步进电机驱动带齿磁吸轮在管道上爬行，带齿磁吸轮的结构可实现管道爬行装置在不同管径间的移动，并通过红外传感器实现管道爬行器的转向，从而实现此装置的连续在役检测；
(2)通过超声波发射器经过双模态超声导波探头产生两种不同模态的超声导波，可一次性对待测运输管道进行纵向和横向的检测，使所检测的范围广、精度高、效率快；
(3)通过将各个模块都集中在管道爬行器内，并对管道爬行器外壳采用钢质材料进行全密封处理，一方面提高了整个装置的高度集成化，另一方面也增加整个装置对恶劣环境的适应性，大大扩展了检测的适应范围；
(4)通过GPS定位模块，当检测到管道有缺陷时会对缺陷所在的位置及时的进行定位与标定，提高了检测的时效性，并降低了因管道泄露发生危险的概率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的整体结构图。
图2为本发明管道爬行器越障时的状态示意图。
图3为本发明三个带齿磁吸轮连接方式示意图。
图4为本发明中双模态超声导波的传播方向示意图。
图中：101、管道爬行器外壳；102、遥控装置；103、齿轮转轴；104、红外传感器；105、带齿磁吸轮；106、待测管道；107、无线传输模块；108、电源模块；109、信号转换模块；110、超声导波发生器；111、三轮连接杆；112、双模态超声导波探头。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明包括可越障式的管道爬行器、超声导波发生器110、双模态超声导波探头112、信号转换模块109、无线传输模块107、图像处理模块、电源模块108、GPS定位模块和远程总控室；可越障式的管道爬行器包括管道爬行器外壳101和设置在管道爬行器外壳下方的传动机构；传动机构包括带齿磁吸轮105、齿轮转轴103、三轮连接杆111；带齿磁吸轮105安装在齿轮转轴103的两端，齿轮转轴103的每一端均设置有三个带齿磁吸轮105，三个带齿磁吸轮105等角度分布于齿轮转轴103的外侧并与其啮合在一起，且位于齿轮转轴103同侧的三个带齿磁吸轮105之间采用三轮连接杆111、螺栓和螺母固定在一起；齿轮转轴103为两根，水平对称设置在管道爬行器外壳101的两侧。
本发明每两组带齿磁吸轮105由齿轮转轴103安装在爬行器外壳101的下部，一方面对管道爬行器起到了支撑作用，另一方面又通过带齿磁吸轮105的磁吸作用将其吸附在待测管道106上，从而形成一种磁吸式的管道爬行器以用于进一步的长运输管道检测。
其中，管道爬行器采用电机驱动后轮的方式提供动力，由电机驱动齿轮转轴103转动时，由啮合关系带动每一个带齿磁吸轮105转动使得管道爬行器行驶于待测管道106表面，当整个管道爬行器驶至不同管径连接处时，与较大管径接触的带齿磁吸轮105无法转动使得齿轮转轴103带动整组带齿磁吸轮105绕齿轮转轴转动，当前轮绕过障碍后，管道爬行器继续向前行驶，后轮遇到障碍后的越障方式与前轮一样，至此整个管道爬行器便可跨过不同管径的障碍。当管道爬行器行驶至管道弯曲处时，位于管道爬行器前端的红外传感器104发送转向指令给管道爬行器实现转向功能，由此越障式管道爬行器便可自动在待测管道106上行驶。
本发明用于检测的双模态超声导波探头112被安装在管道爬行器外壳101的下方中央处，双模态超声导波探头112与待测管道106的接触部分材料为橡胶，双模态超声导波探头112由钢质保护壳罩住，在进行检测时通过气缸带动超声导波探头外壳紧密压在待测管道106上，使管道表面与双模态超声导波探头112间形成一层密封的空气耦合剂。
超声导波发生器110与双模态超声导波探头112相连接，信号转换模块109与无线传输模块107相连接；电源模块108设置在管道爬行器外壳101的中部，并通过导线分别与超声导波发生器110、信号转换模块109、无线传输模块107、遥控装置102以及管道爬行器驱动电机相连接；本装置的电源模块可采用12V的直流锂电池，对整个管道爬行装置及其内部的用电模块进行供电。管道爬行器外壳101的外壁上安装有红外传感器104。其中，超声导波发生器110、信号转换模块109、无线传输模块107和遥控装置102均设置在管道爬行器外壳101内。
双模态超声导波探头112为可发射纵向波L(0,2)和扭转波T(0,1)超声导波的组合探头；纵向L(0,2)导波可准确检测管道表面的腐蚀和裂纹等缺陷，扭转波T(0,1)导波可沿螺旋焊缝检测焊缝缺陷。参考图4，F为超声导波传递方向，位于管道爬行器内部的超声波发生器110的发射频率为25KHz的超声导波，此时超声导波经双模态超声导波探头112转换为扭转波T(0,1)后作用在待测管道上沿管道焊缝进行螺旋式传播的同时转换为纵向波L(0,2)进行纵向传播，位于管道爬行器内部的信号接收器接收到超声导波的反射回波后，通过端口接线输送到信号转换模块。信号转换模块109由A/D转换器和D/A转换器组成。在实际应用中，模拟信号经过A/D转化器转换成数字信号经滤波放大后由无线传输模块107发射到远程总控室，远程总控室接收到的数字信号再经D/A转换器将数字信号再转换成模拟信号显示在示波器上。
图像处理模块将接收到的反射波形进行分割后与预先获取的参考波形进行比较从而确定管道缺陷的类型。具体是：图像处理模块将对示波器上所显示的波形分割后与参照波形进行比较处理，当识别到分割后的波形与参考波形类似时便可确定此处管道缺陷的类型，并通过计算机发出警报指令给到基站，再由基站发送指令到客户端，客户端接收到信息后将GPS数据通过中继台发送给接收器，最后接收器将GPS数据通过网络发送至控制台即可得到所标定的具体位置。参考波形为存储在计算机内采用人工模拟各种管道缺陷而制作的多种波形库。
本发明采用双模态超声导波检测技术可实现对于长运输管道的自动化检测、管道缺陷定位、报警等功能，不仅检测精度高、效率快，而且减少了人力物力，可适用于高温高压等环境恶劣的情况下工作。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，包括可越障式的管道爬行器、超声导波发生器(110)、双模态超声导波探头(112)、信号转换模块(109)、无线传输模块(107)、图像处理模块、电源模块(108)、GPS定位模块和远程总控室；所述可越障式的管道爬行器包括管道爬行器外壳(101)和设置在管道爬行器外壳下方的传动机构；所述传动机构包括带齿磁吸轮(105)、齿轮转轴(103)、三轮连接杆(111)；
所述带齿磁吸轮(105)安装在齿轮转轴(103)的两端，齿轮转轴(103)的每一端均设置有三个带齿磁吸轮(105)，三个带齿磁吸轮(105)等角度分布于齿轮转轴(103)的外侧并与其啮合在一起，且位于齿轮转轴(103)同侧的三个带齿磁吸轮(105)之间采用三轮连接杆(111)、螺栓和螺母固定在一起；所述齿轮转轴(103)为两根，水平对称设置在管道爬行器外壳(101)的两侧；
所述超声导波发生器(110)与双模态超声导波探头(112)相连接，信号转换模块(109)与无线传输模块(107)相连接；所述电源模块(108)设置在管道爬行器外壳(101)的中部，并通过导线分别与超声导波发生器(110)、信号转换模块(109)、无线传输模块(107)、遥控装置(102)以及管道爬行器驱动电机相连接；所述管道爬行器外壳(101)的外壁上安装有红外传感器(104)。
2.根据权利要求1所述的基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，其特征在于：所述超声导波发生器(110)、信号转换模块(109)、无线传输模块(107)和遥控装置(102)均设置在管道爬行器外壳(101)内。
3.根据权利要求1所述的基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，其特征在于：所述双模态超声导波探头(112)为可发射纵向波L(0,2)和扭转波T(0,1)超声导波的组合探头；纵向L(0,2)导波可准确检测管道表面的腐蚀和裂纹等缺陷，扭转波T(0,1)导波可沿螺旋焊缝检测焊缝缺陷。
4.根据权利要求1或3所述的基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，其特征在于：所述双模态超声导波探头(112)使用螺钉固定在管道爬行器外壳(101)的下方，双模态超声导波探头(112)与待测管道(106)的接触部分材料为橡胶，在检测时双模态超声导波探头(112)与待测管道(106)间形成一层空气耦合剂。
5.根据权利要求1所述的基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，其特征在于：所述信号转换模块(109)由A/D转换器和D/A转换器组成。
6.根据权利要求1所述的基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，其特征在于：所述图像处理模块将接收到的反射波形进行分割后与预先获取的参考波形进行比较从而确定管道缺陷的类型。
7.根据权利要求6所述的基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，其特征在于：所述参考波形为存储在计算机内采用人工模拟各种管道缺陷而制作的多种波形库。
8.根据权利要求1所述的基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，其特征在于：所述管道爬行器外壳(101)采用全封闭钢制外壳。
9.根据权利要求1所述的基于双模态超声导波的长运输管道自动检测装置，其特征在于：所述GPS定位模块包括控制台、基站、客户端和中继台，远程总控室将发出的警报以短信的方式发送指令到基站，再由基站发送指令到客户端，客户端接收到信息后将GPS数据通过中继台发送给接收器，最后接收器将GPS数据通过网络发送至控制台即可得到所标定的具体位置。
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