CN108106578B - 超声测径测壁厚管道内检测器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了超声测径测壁厚管道内检测器，包括清管装置和旋转测径测厚装置，当清管器进行清管作业时，旋转测径测厚装置中的超声波传感器边旋转持续发射及接收超声波，一部分超声波因管壁内表面的反射作用返回，由超声波传感器接收，而另一部分则穿过管壁，到达管壁外表面后返回。由于超声波在不同介质中的传输速率不同，因此，根据传输速率及两部分超声波的返回时间，可以得到管壁厚度及管道的内径数据。本申请提供的超声测径测壁厚管道内检测器，由于超声波传感器边旋转边发射及接收超声波，因此可获取到360°范围的管壁厚度及管道的内径数据，测量精度高，测径测厚结构与管壁不发生接触，检测过程不会受到干扰，使用方便，结果准确。
Description
技术领域
本申请涉及管道内径测量技术领域，尤其涉及一种超声测径测壁厚管道内检测器。
背景技术
现有技术中，清管器用于对待清理的管道进行清管作业。例如，用于运输原油及天然气管道在运行一段时间后，管道内部会产生结蜡、结垢、积水等影响管道输送能力物质，采用清管器对管道进行清理，可降低各物质对管道内壁的腐蚀，减小运行阻力。再如，用于运输化工物料及油品的管道在运行一段时间后，管道内部会有聚合性物料沉积，采用清管器进行不停线清管作业，可避免重新铺设管线，减低生产成本。而对于新建未投产管线采用清管器配合钢丝刷清管，可清除管道内杂质、浮锈，防止介质污染。
同时，在管道使用过程中，由于内部腐蚀和/或外部原因，可能会导致管道局部变形等管道损坏现象。测径清管器就是在对管道进行清理作业的同时测量管径。传统的清管器采用的是铝盘测径，将测径铝盘固定于清管器上，通过清管器运行过程中铝盘的变形判断管道是否变形。然而，铝盘测径一般只能粗滤检测管道内径，无法具体给出管径的变化数据，并且有一定的卡球风险。原因在于，铝盘直径一般为管道最小内径的90％，且为刚性材料，当管径变化小于管径的10％时，无法对铝盘产生冲击，铝盘可以轻松通过。当管道变形严重时，由于铝盘较硬，管道中的压力无法给予清管器足够的力而使铝盘产生大幅度变形通过，就会产生卡球现象。另一种传统的测径装置结构为爪式测径，这种结构也是接触式的，通过弹簧产生压力，使探头臂紧贴管壁。当管径变化时，探头臂会围绕一根轴转动，通过测量旋转角来确定管道内径。当装置快速通过管道焊接处或具有较大缺陷处时，容易产生大幅振动，造成探头臂与管壁接触不严，对测试结果产生影响。由于需要在360°范围内测量管道内径，所以需要设置一圈探头臂，结构复杂，传感器多，功耗大。
以上两种传统的接触式的测径结构，均难以准确测得管径数据。
发明内容
本申请提供一种超声测径测壁厚管道内检测器，以解决现有技术的测径结构难以准确测得管径数据的技术问题。
根据本申请实施例，提供一种超声测径测壁厚管道内检测器，包括：包括清管装置和旋转测径测厚装置；所述清管装置包括头部组件、中部舱体以及尾部组件；
所述中部舱体外壁对称设有三个里程轮；所述中部舱体内部设有电池和数据存储芯片；所述数据存储芯片与所述里程轮电连接；
所述旋转测径测厚装置包括电机、联轴器、轴承、转轴、超声波传感器以及保护罩；
所述电机设于所述中部舱体内部；
所述转轴的一端通过所述联轴器与所述电机连接；
所述转轴的另一端端面上开设有螺纹孔，所述超声波传感器与所述转轴的另一端端面螺纹连接；
所述保护罩包括开口端和密封端，所述开口端与所述转轴的另一端固定连接，以使所述保护罩罩设于所述超声波传感器外部，当所述电机驱动所述转轴转动时，所述转轴带动所述超声波传感器及所述保护罩同时转动；
所述保护罩内部设有反射镜；所述反射镜与所述保护罩的内壁固定；所述反射镜的反射面与所述与超声波发射方向及超声波返回方向的夹角为45°；
所述保护罩的侧壁开设有缺口；所述缺口位于所述超声波的发射及返回路径上；
所述数据存储芯片与所述传感器电连接。
进一步，所述头部组件包括头部管体、防撞块、头部支撑板以及头部密封板；
所述防撞块包括锐部和钝部；所述钝部伸入所述头部管体内部与管内壁固定连接；所述头部支撑板和所述头部密封板均套设在所述头部管体上与所述头部管体的管外壁固定连接；
所述头部支撑板和所述头部密封板之间设有头部固定块；所述头部密封板靠近所述中部舱体的一侧设有卡块。
进一步，所述尾部组件包括尾部管体、尾部支撑板以及尾部密封板；
所述中部舱体的两端分别与所述头部管体及所述尾部管体相连通；
所述联轴器、轴承以及转轴设于所述尾部管体内部；
所述尾部支撑板和所述尾部密封板均套设在所述尾部管体上与所述尾部管体的管外壁固定连接；
所述尾部支撑板和所述尾部密封板之间设有尾部固定块；所述尾部密封板靠近所述中部舱体的一侧设有卡块。
进一步，所述尾部管体的尾端设有密封盖，所述密封盖与所述尾部管体的管壁端面螺钉连接。
进一步，所述旋转测径测厚装置还包括电机安装板和轴承座；所述电机安装板与所述轴承座固定连接；
所述电机通过所述电机安装板与所述中部舱体的内壁连接固定；
所述轴承通过所述轴承座与所述尾部管体的内壁连接固定。
进一步，所述轴承座与所述尾部管体的内壁间设有密封圈开槽，所述密封圈开槽内设置有密封圈。
进一步，所述防撞块的锐部和钝部位一体结构；所述防撞块由聚氨酯材料构成。
进一步，所述头部密封板和所述尾部密封板的直径相对于管道内径具有5％-8％的过盈量。
由以上技术方案可知，本申请实施例提供的超声测径测壁厚管道内检测器包括清管装置和旋转测径测厚装置，当清管器进行清管作业时，旋转测径测厚装置中的超声波传感器边旋转持续发射及接收超声波，发射的超声波经反射镜反射，由保护罩上开设的缺口，进入管道内的介质，到达管内壁后，一部分超声波因管壁内表面的反射作用返回，由超声波传感器接收，而另一部分则穿过管壁，到达管壁外表面后返回，由超声波反射器接收。由于超声波在不同介质中的传输速率不同，因此，根据传输速率及两部分超声波的返回时间，可以得到管壁厚度及管道的内径数据。
与现有技术相比，本申请提供的超声测径测壁厚管道内检测器，由于超声波传感器边旋转边发射及接收超声波，因此可获取到360°范围的管壁厚度及管道的内径数据，测量精度高，测径测厚结构与管壁不发生接触，检测过程不会受到干扰，使用方便，结果准确。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请根据一示例性实施例示出的超声测径测壁厚管道内检测器结构示意图；
图2为本申请根据一示例性实施例示出的超声测径测壁厚管道内检测器结构局部放大示意图；
图3为旋转测径测厚装置工作原理示意图；
图示说明：1-头部组件；11-头部管体；12-防撞块；121-锐部；122-钝部；13-头部支撑板；14-头部密封板；15-头部固定块；2-中部舱体；21-里程轮；22-电池；23-数据存储芯片；3-尾部组件；31-尾部管体；32-尾部支撑板；33-尾部密封板；34-尾部固定块；35-密封盖；4-电机；41-电机安装板；5-联轴器；6-轴承；61-轴承座；62-密封圈开槽；7-转轴；71-转轴的另一端端面；8-超声波传感器；9-保护罩；91-开口端；92-密封端；93-缺口；10-反射镜。
具体实施方式
图1为本申请提供的超声测径测壁厚管道内检测器的结构示意图，图2为超声测径测壁厚管道内检测器结构局部放大示意图；参阅图1及图2，该超声测径测壁厚管道内检测器包括：
清管装置和旋转测径测厚装置；所述清管装置包括头部组件1、中部舱体2以及尾部组件3；
所述中部舱体2外壁对称设有三个里程轮21；所述中部舱体2内部设有电池22和数据存储芯片23；所述数据存储芯片23与所述里程轮21电连接；
所述旋转测径测厚装置包括电机4、联轴器5、轴承6、转轴7、超声波传感器8以及保护罩9；
所述电机4设于所述中部舱体2内部；
所述转轴7的一端通过所述联轴器5与所述电机4连接；
所述转轴7的另一端端面71上开设有螺纹孔，所述超声波传感器8与所述转轴5的另一端端面71螺纹连接；
所述保护罩9包括开口端91和密封端92，所述开口端91与所述转轴7的另一端固定连接，以使所述保护罩9罩设于所述超声波传感器8外部，当所述电机4驱动所述转轴7转动时，所述转轴7带动所述超声波传感器8及所述保护罩9同时转动；
所述保护罩9内部设有反射镜10；所述反射镜10与所述保护罩9的内壁固定；所述反射镜10的反射面与所述与超声波发射方向及超声波返回方向的夹角为α1和α2均为45°；
所述保护罩9的侧壁开设有缺口93；所述缺口93位于所述超声波的发射及返回路径上；
所述数据存储芯片23与所述超声波传感器8电连接。
本申请实施例提供的超声测径测壁厚管道内检测器，用于在进行清管作业时，同时测量管内径数据，清管作业由所述清管装置完成，测径作业由旋转测径测厚装置完成。
在本实施例中，里程轮用于记录清管器的运行距离和位置，并将数据记录在数据存储芯片23中。由于本申请旋转测径测厚装置得到的是测径数据，在实际应用中，需要将测径数据与里程轮记录的运行距离和位置数据进行对应，才能对管道变形情况做出判断。可选的，里程轮采用焊接或者螺纹连接的方式，与中部舱体2的外壁固定连接，三个里程轮对称设置。
在本实施例中，电机作为旋转测径测厚装置的驱动装置，当其启动时，控制联轴器5以一定转速转动，而联轴器5与转轴7连接，因而带动转轴7转动。
实际上，超声波传感器与转轴7的连接方式包括但不限于螺纹连接。能够使超声波传感器8随转轴转动的连接方式，均可以作文本申请螺纹连接的等同和替代。本申请采用螺纹连接的好处在于，使超声波传感器8可拆卸，当清管器的其他部件发生损坏时，可以回收超声波传感器8，重复利用。
本实施例使超声波传感器8、保护罩9以及设于保护罩9内部的反射镜10同时转动，也即使三者相对静止，以保证超声波的发射方向和返回方向的路径及角度不发生变化。本实施例使所述数据存储芯片23与所述超声波传感器8电连接，从而测径数据记录在数据存储芯片23中。
图2为图1所示结构的超声测径测壁厚管道内检测器的工作原理示意图，参阅图1及图2，超声测径测壁厚管道内检测器在工作时，清管装置正常进行清管作业，超声测径测壁厚管道内检测器整体沿管道轴向在管道内部向前运动，电机4启动，通过联轴器5驱动转轴7沿箭头所示方向转动，由于超声波传感器8及保护罩9均与转轴7固定连接，因此，当转轴7转动时，超声波传感器8就保护罩9同时转动。中部舱体内的电池与超声波传感器8连接，为超声波传感器8提供能源，超声波传感器8持续发射超声波，如图2所示，超声波的发射方向所在直线与管道轴线所在直线重合。超声波的发射方向与反射镜的发射面的夹角为α1，α1位45°，超声波经反射镜10反射后，沿垂直管壁的方向(也是垂直发射方向)，经缺口91进入管道内的液体介质，到达管壁内表面后，由于管壁内表面的反射作用，一部分超声波返回，由管道内的液体介质进入保护罩9，再次经反射镜10反射，射向超声波传感器8，被超声波传感器8接收；另一部分超声波进入管壁，到达管壁外表面后，返回，被超声波传感器接收。
超声波传感器8边旋转，边持续发射超声波，并接收返回的超声波，根据超声波传感器8发射及接收超声波的数据，包括发射超声波的时间，第一次接收超声波的时间以及第二次接收超声波的时间，可以计算出管壁厚度。
具体的，采用下式，计算管壁厚度：
其中，δ为管壁厚度；
R为管道外径；
r为管道内径；
v1为超声波在管道内液体介质中的传输速度；
v2为超声波在管壁中的传输速度；
t1为第一次接收超声波回波的时间；
t2为第二次接收超声波回波的时间。
需要说明的是，超声波传感器8的旋转速度由电机控制，旋转速度应根据超声波传感器8的允许偏移量确定。假设，超声波传感器8的允许偏移角度为5°，则360°最少会被分成72个扇区，每次发射和接收信号需要在5°的范围内进行，否则将无法接收到返回的超声波。
基于此，用X表示旋转速度，单位为°/s，Y表示超声波信号接收时间，单位为s，则XY×72＝360°。
另外，由于在测径的同时，超声测径测壁厚管道内检测器也在管道中直线行进，最大行进速度由超声波传感器传感器的允许最大位移量确定。假设，超声波传感器的允许最大位移量为1mm，其位移超过1mm时，将无法接收到返回的超声波，此时，用V表示超声测径测壁厚管道内检测器在管道中的最大行进速度，单位为m/s，Y表示超声波信号接收时间，单位为s，则VY＝1/1000。
因此，为了避免超声波传感器无法正常接收到返回的超声波的问题，需根据下式，控制电机驱动转轴的旋转速度以及清管器在管道中的最大行进速度：
XY＝360°/γ
VY＝S/1000
其中，X为电机驱动转轴的旋转速度，单位为°/s；
Y为超声波信号接收时间，单位为s；
V为超声测径测壁厚管道内检测器在管道中的最大行进速度，单位为m/s；
γ为超声波传感器的最大允许偏移量，单位为°；
S为超声波传感器的允许最大位移量，单位为mm。
由以上实施例可知，本申请实施例提供的超声测径测壁厚管道内检测器包括清管装置和旋转测径测厚装置，当清管器进行清管作业时，旋转测径测厚装置中的超声波传感器边旋转持续发射及接收超声波，发射的超声波经反射镜反射，由保护罩上开设的缺口，进入管道内的介质，到达管内壁后，一部分超声波因管壁内表面的反射作用返回，由超声波传感器接收，而另一部分则穿过管壁，到达管壁外表面后返回，由超声波反射器接收。由于超声波在不同介质中的传输速率不同，因此，根据传输速率及两部分超声波的返回时间，可以得到管壁厚度及管道的内径数据。
与现有技术相比，本申请提供的超声测径测壁厚管道内检测器，由于超声波传感器边旋转边发射及接收超声波，因此可获取到360°范围的管壁厚度及管道的内径数据，测量精度高，测径测厚结构与管壁不发生接触，检测过程不会受到干扰，使用方便，结果准确。
进一步地，所述头部组件1包括头部管体11、防撞块12、头部支撑板13以及头部密封板14；
所述防撞块12包括锐部121和钝部122；所述钝部122伸入所述头部管体11内部与管内壁固定连接；所述头部支撑板13和所述头部密封板14均套设在所述头部管体11上与所述头部管体11的管外壁固定连接；
所述头部支撑板13和所述头部密封板14之间设有头部固定块15；所述头部密封板14靠近所述中部舱体2的一侧设有卡块。
在本实施例中，防撞块12由聚氨酯材料制成，当清管器遇到硬物时，能够对清管器起到保护作用。头部支撑板13用于支撑整个清管器的重量，使清管器保持与管道同心，头部支撑板13外沿与管壁内表面接触，通过刮削的方式，可以清理较厚的垢层。头部密封板14直径相对于管道内径有5％-8％的过盈量，其外沿与管道内壁弹性密封，将管道分为两部分，使两部分管道内的液体介质产生压差，以压差为动力，推动清管器沿管道运行，并且可以清除垢层。
进一步地，所述尾部组件3包括尾部管体31、尾部支撑板32以及尾部密封板33；
所述中部舱体2的两端分别与所述头部管体11及所述尾部管体31相连通；
所述联轴器5、轴承6以及转轴7设于所述尾部管体31内部；
所述尾部支撑板32和所述尾部密封板33均套设在所述尾部管体31上与所述尾部管体31的管外壁固定连接；
所述尾部支撑板32和所述尾部密封板33之间设有尾部固定块34；所述尾部密封板33靠近所述中部舱体2的一侧设有卡块。
在本实施例中，将所述联轴器5、轴承6以及转轴7设于所述尾部管体31内部，节省装置的占用空间，减小体积。并且，尾部管体31能对所述联轴器5、轴承6以及转轴7的部件，起到保护的作用，避免旋转测径测厚装置遭到损坏。
另外，所述尾部支撑板32以及尾部密封板33的作用与上述头部支撑板13和所述头部密封板14的作用相同，此处不再赘述。
进一步地，所述尾部管体的尾端设有密封盖35，所述密封盖35与所述尾部管体的管壁端面螺钉连接。
在本实施例中，在尾部管体31的尾端设置密封盖35，不仅能够保护尾部管体31内的部件，还能增强清管器结构的稳定性，延长使用寿命。
进一步地，所述旋转测径测厚装置还包括电机安装板41和轴承座61；所述电机安装板41与所述轴承座61固定连接；
所述电机4通过所述电机安装板41与所述中部舱体2的内壁连接固定；
所述轴承6通过所述轴承座61与所述尾部管体31的内壁连接固定。
在本申请实施例中，通过设置电机安装板41和轴承座61，来增强清管器内部结构的稳定性，避免装置内部件遭到损坏，延长清管器的使用寿命。
进一步地，所述轴承座61与所述尾部管体31的内壁间设有密封圈开槽62，所述密封圈开槽内设置有密封圈。
优选地，所述防撞块的锐部和钝部位一体结构；所述防撞块由聚氨酯材料构成。
根据上述实施例可知，本申请实施例提供的超声测径测壁厚管道内检测器用于在对管道进行清理作业的同时测量管径，包括清管装置和旋转测径测厚装置，当清管器进行清管作业时，旋转测径测厚装置中的超声波传感器边旋转持续发射及接收超声波，发射的超声波经反射镜反射，由保护罩上开设的缺口，进入管道内的介质，到达管内壁后，一部分超声波因管壁内表面的反射作用返回，由超声波传感器接收，而另一部分则穿过管壁，到达管壁外表面后返回，由超声波反射器接收。由于超声波在不同介质中的传输速率不同，因此，根据传输速率及两部分超声波的返回时间，可以得到管壁厚度及管道的内径数据。
与现有技术相比，本申请提供的超声测径测壁厚管道内检测器，由于超声波传感器边旋转边发射及接收超声波，因此可获取到360°范围的管壁厚度及管道的内径数据，测量精度高，测径测厚结构与管壁不发生接触，检测过程不会受到干扰，使用方便，结果准确。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。
Claims (8)
1.一种超声测径测壁厚管道内检测器，其特征在于，包括清管装置和旋转测径测厚装置；所述清管装置包括头部组件、中部舱体以及尾部组件；
所述中部舱体外壁对称设有三个里程轮；所述中部舱体内部设有电池和数据存储芯片；所述数据存储芯片与所述里程轮电连接；
所述旋转测径测厚装置包括电机、联轴器、轴承、转轴、超声波传感器以及保护罩；
所述电机设于所述中部舱体内部；
所述转轴的一端通过所述联轴器与所述电机连接；
所述转轴的另一端端面上开设有螺纹孔，所述超声波传感器与所述转轴的另一端端面螺纹连接；
所述保护罩包括开口端和密封端，所述开口端与所述转轴的另一端固定连接，以使所述保护罩罩设于所述超声波传感器外部，当所述电机驱动所述转轴转动时，所述转轴带动所述超声波传感器及所述保护罩同时转动；
所述保护罩内部设有反射镜；所述反射镜与所述保护罩的内壁固定；所述反射镜的反射面与超声波发射方向及超声波返回方向的夹角为45°；
所述保护罩的侧壁开设有缺口；所述缺口位于所述超声波的发射及返回路径上；
所述数据存储芯片与所述超声波传感器电连接；
XY＝360°/γ，X为所述转轴的旋转速度，Y为超声波信号接收时间，γ为所述超声波传感器的最大允许偏移量；
VY＝S/1000，V为所述超声测径测壁厚管道内检测器在管道的最大行进速度，S为所述超声波传感器的允许最大位移量。
2.根据权利要求1所述的超声测径测壁厚管道内检测器，其特征在于，所述头部组件包括头部管体、防撞块、头部支撑板以及头部密封板；
所述防撞块包括锐部和钝部；所述钝部伸入所述头部管体内部与管内壁固定连接；所述头部支撑板和所述头部密封板均套设在所述头部管体上与所述头部管体的管外壁固定连接；
所述头部支撑板和所述头部密封板之间设有头部固定块；所述头部密封板靠近所述中部舱体的一侧设有卡块。
3.根据权利要求2所述的超声测径测壁厚管道内检测器，其特征在于，所述尾部组件包括尾部管体、尾部支撑板以及尾部密封板；
所述中部舱体的两端分别与所述头部管体及所述尾部管体相连通；
所述联轴器、轴承以及转轴设于所述尾部管体内部；
所述尾部支撑板和所述尾部密封板均套设在所述尾部管体上与所述尾部管体的管外壁固定连接；
所述尾部支撑板和所述尾部密封板之间设有尾部固定块；所述尾部密封板靠近所述中部舱体的一侧设有卡块。
4.根据权利要求3所述的超声测径测壁厚管道内检测器，其特征在于，所述尾部管体的尾端设有密封盖，所述密封盖与所述尾部管体的管壁端面螺钉连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超声测径测壁厚管道内检测器，其特征在于，所述旋转测径测厚装置还包括电机安装板和轴承座；所述电机安装板与所述轴承座固定连接；
所述电机通过所述电机安装板与所述中部舱体的内壁连接固定；
所述轴承通过所述轴承座与所述尾部管体的内壁连接固定。
6.根据权利要求5所述的超声测径测壁厚管道内检测器，其特征在于，所述轴承座与所述尾部管体的内壁间设有密封圈开槽，所述密封圈开槽内设置有密封圈。
7.根据权利要求2所述的超声测径测壁厚管道内检测器，其特征在于，所述防撞块的锐部和钝部为一体结构；所述防撞块由聚氨酯材料构成。
8.根据权利要求3所述的超声测径测壁厚管道内检测器，其特征在于，所述头部密封板和所述尾部密封板的直径相对于管道内径具有5％-8％的过盈量。
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