CN108896663B - 输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及输气管道内表层无损检测技术领域，具体涉及一种输气管道内表层缺陷非接触检测系统。一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，它包括：探头装置、薄壁圆筒、行走轮、超声收发器、前置放大器、工业控制器以及蓄电池；本发明中的空耦激励探头激发超声纵波，纵波入射到管道壁面后产生表面波，当表面波的传播路径上没有裂纹缺陷时，空耦接收探头接收的波形幅值较大，当表面波的传播路径上有裂纹、气孔或夹杂等非均质缺陷时，一部分超声波能量被反射、散射或衍射、或发生波形转换，只有少部分能量通过绕射方式，绕过缺陷继续传播，使空耦接收探头接收到的波形幅值变小或相位畸变，从而实现管道内表层缺陷无损检测。

Description

输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统
技术领域
本发明涉及输气管道内表层无损检测技术领域，具体涉及一种输气管道内表层缺陷非接触检测系统。
背景技术
天然气等气体作为重要的能源，广泛地应用于工业生产和日常生活中，为我们带来了极大地便利。天然气主要是通过管道进行运输的，随着经济社会的发展，天然气的需求量急剧增加，天然气输送管道的长度也急剧增加。随着管道运营时间的增加，服役管道因气体的腐蚀作用、环境与压力载荷作用而逐渐发生老化，易在管道表层产生裂纹和腐蚀等缺陷，当裂纹发生扩展和腐蚀深度加深时，管道壁强度下降，管道极易发生爆管或开裂泄漏，从而导致灾难性的后果。因此，对于长距离输气管道表面缺陷的超声无损检测，是油气管道输送行业研究的一个亟待解决的重要工程问题。
公开号为CN101424663A的中国专利公开了一种检测天然气管道裂纹缺陷的方法，该方法从管道内部检测各裂纹缺陷，将多个发射电磁超声换能器沿管道内壁圆环排列并45°斜向布置，并在发射电磁超声换能器的两侧分别布置接收换能器组，接收换能器组由多个接收超声换能器沿内壁圆环排列，当某一发射电磁超声换能器发射超声导波，当遇到裂纹缺陷时，超声导波发生反射和折射，反射导波和折射导波分别被两侧的接收换能器接收到，根据发射和接收换能器的位置，可判断是否存在裂纹缺陷及其位置。该方法结构较为复杂，电磁激励探头需要与管道内部接触，长距离检测时，探头对管道内表面产生划伤和损耗，探头自身也产生快速磨耗，实践工程难以应用推广，同时，电磁超声激励效率不高，激励的超声波频率低，波长大，对管道缺陷检测的分辨率不高，工程应用价值不高。公开号为CN106705854A的中国专利公开了一种利用光纤光栅传感器测量管道裂纹的方法，该方法通过将光纤光栅传感器环向阵列布置于管道外壁，通过测量并对比各局部环向应变来判别是否存在裂纹，但是该方法只能检测管道外表面正在扩展的裂纹，对已经存在的裂纹无法感应检测，而且仅能检测纵向裂纹，不能检测横向裂纹，并且检测完一个区域再检测下一区域时，要将阵列传感器拆卸下来并重新安装，操作不便，另外，光纤光栅传感器的检测效果对温度和应变同样敏感，环境温度的变化影响检测效果，因此，该方法具有很多的局限性，只能静态以接触方式检测管道外表面动态裂纹缺陷，对已存在裂纹缺陷无法检测。
发明内容
本发明的目的是：为弥补现有技术的不足，提供一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统。
本发明的技术方案是：一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，它包括：探头装置、薄壁圆筒、行走轮、超声收发器、前置放大器、工业控制器以及蓄电池；
探头装置周向等间距的通过探头安装板安装在薄壁圆筒的外圆周面上；每个探头装置包括：一个空耦激励探头以及一个空耦接收探头；空耦激励探头以及空耦接收探头中间由隔声板隔开；
行走轮安装在薄壁圆筒两端；
超声收发器、前置放大器、工业控制器以及蓄电池通过U型支撑板安装在薄壁圆筒内部；超声收发器与工业控制器、空耦激励探头分别连接，空耦接收探头通过前置放大器接入超声收发器中；
蓄电池与工业控制器连接；
工作时，将薄壁圆筒置于输气管道内，探头装置通过气体介质耦合对输气管道内壁进行非接触式检测，空耦激励探头的入射角以及空耦接收探头的接收角均为气体和输气管道钢介质界面的第二临界角。
薄壁圆筒通过行走轮在输气管道内轴向移动，工业控制器内安装有用于显示接收波形的检测软件；当输气管道内表层没有缺陷时，接收到的波形幅值比较稳定；当输气管道内表层存在相应的缺陷时，接收到的波形幅值会产生明显的衰减或畸变，以此来判断是否存在裂纹缺陷，并根据衰减程度来判断尺寸大小。
上述方案中，具体的，探头安装板沿薄壁圆筒周向上横向或纵向布置；横向布置时，用于对输气管道内表层纵向缺陷进行检测；纵向布置时，用于对输气管道内表层横向缺陷进行检测。
进一步的，由于长距离输气管道内部由于气体压力随距离的变化、与湿度含量不同则会导致管道内气体压力不均匀或密度不均，而引起超声波在输气管道内气体中的传播速度变化而导致超声检测信号的衰减或增强或畸变，给缺陷检测和识别带来困难，因此，薄壁圆筒外圆周上安装有一圈以上的探头安装板；每圈探头安装板之间错开设定角度，探头装置安装在探头安装板上，实现对输气管道360°进行检测，以去除气体介质不均匀带来的缺陷检测误差。
进一步的，考虑到输气管道内表层缺陷空气耦合超声检测准确性受到气体压力的影响，在薄壁圆筒的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体压力传感器；气体压力传感器与工业控制器连接；实时检测气体压力的变化，以便利用消除气体压力变化或不均匀性带来的管道表层缺陷检测和识别误差。
进一步的，考虑到输气管道内表层缺陷空气耦合超声检测的准确性受到气体密度均匀性的影响，在薄壁圆筒的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体密度检测传感器；气体密度检测传感器与工业控制器连接；实时检测气体密度的变化，以便利用消除气体密度变化或不均匀性带来的管道表层缺陷检测和识别误差。
进一步的，考虑到输气管道内表层缺陷空气耦合超声检测的准确性受到气体温度和湿度均匀性的影响，在薄壁圆筒的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体温度和湿度检测传感器；气体温度和湿度检测传感器与工业控制器连接；实时检测气体温度和湿度及其均匀性的变化，以便利用消除气体温度和湿度变化或不均匀性带来的管道表层缺陷检测和识别误差。
进一步的，考虑到输气管道内表层缺陷量化检测精度受到薄壁圆筒运动速度、位置和姿态变化的影响，在薄壁圆筒的外圆周面上布置有利用光电或电磁原理进行检测的倾角与姿态和里程传感器；倾角与姿态和里程传感器与工业控制器连接，可以准确记录薄壁圆筒的在管道内的运行位置、移动速度和累计里程，以便确定管道检测缺陷的位置、大小和姿态。
进一步的，考虑到输气管道内表面有焊缝和难免有杂物或凸凹不平，将造成探头装置在运动检测过程中发生抖动或颤动，与管道表面距离或超声波传播声程发生变化而导致超声检测信号的衰减和畸变，给缺陷检测和识别带来困难，因此在薄壁圆筒的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有间隙检测探头；间隙检测探头与工业控制器连接，以便实时获得探头装置与输气管道内表面的距离，对检测信号进行补偿。
有益效果：本发明采用多组探头装置一发一收方式，空耦激励探头激发超声纵波，纵波入射到管道壁面后在管道内表面产生表面波，当表面波的传播路径上没有裂纹缺陷时，空耦接收探头接收的波形幅值较大，当表面波的传播路径上有裂纹、气孔或夹杂等非均质缺陷时，一部分超声波能量被反射、散射或衍射、或发生波形转换，只有少部分能量通过绕射方式，绕过缺陷继续传播，使空耦接收探头接收到的波形幅值变小或相位畸变，从而实现管道内表层缺陷无损检测。本发明对管道内表面没有损伤，对人体和环境无害，操作较为方便简单。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明中探头安装板沿薄壁圆筒周向纵向排布时的结构示意图；
图3为本发明中探头安装板沿薄壁圆筒周向横向排布时的结构示意图；
图4为本发明薄壁圆筒内部的结构示意图；
图5为本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
参见附图1，一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，它包括：探头装置、薄壁圆筒1、行走轮6、超声收发器7、前置放大器8、工业控制器9以及蓄电池10；
探头装置周向等间距的通过探头安装板3安装在薄壁圆筒1的外圆周面上；每个探头装置包括：一个空耦激励探头2以及一个空耦接收探头5；空耦激励探头2以及空耦接收探头5中间由隔声板4隔开；
行走轮6安装在薄壁圆筒1两端，用于带动薄壁圆筒1沿输气管道轴向运动；
参见附图4，超声收发器7、前置放大器8、工业控制器9以及蓄电池10通过U型支撑板11安装在薄壁圆筒1内部；超声收发器7与工业控制器9、空耦激励探头2分别连接，空耦接收探头5通过前置放大器8接入超声收发器7中；
蓄电池10与工业控制器9连接，用于提供电力；
工作时，将薄壁圆筒1置于输气管道内，探头装置通过气体介质耦合对输气管道内壁进行非接触式检测，空耦激励探头2的入射角以及空耦接收探头5的接收角均为气体和输气管道钢介质界面的第二临界角。
参见附图5，薄壁圆筒1通过行走轮6在输气管道内轴向移动，工业控制器9内安装有用于显示接收波形的检测软件；当输气管道内表层没有缺陷时，接收到的波形幅值比较稳定；当输气管道内表层存在相应的缺陷时，超声表面波传播至缺陷处，部分能量被反射，部分能量越过缺陷继续传播，部分能量发生波形转换，产生变形横波S和变形纵波L，工业控制器9接收到的波形幅值会产生明显的衰减或畸变，以此来判断是否存在裂纹缺陷，并根据衰减程度来判断尺寸大小。
参见附图2、3，上述方案中，具体的，探头安装板3沿薄壁圆筒1周向上横向或纵向布置；横向布置时，用于对输气管道内表层纵向缺陷进行检测；纵向布置时，用于对输气管道内表层横向缺陷进行检测。
进一步的，由于长距离输气管道内部由于气体压力随距离的变化、与湿度含量不同则会导致管道内气体压力不均匀或密度不均，而引起超声波在输气管道内气体中的传播速度变化而导致超声检测信号的衰减或增强或畸变，给缺陷检测和识别带来困难，因此，薄壁圆筒1外圆周上安装有一圈以上的探头安装板3；每圈探头安装板3之间错开设定角度，探头装置安装在探头安装板3上，实现对输气管道360°进行检测，以去除气体介质不均匀带来的缺陷检测误差。
进一步的，考虑到输气管道内表层缺陷空气耦合超声检测准确性受到气体压力的影响，在薄壁圆筒1的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体压力传感器12；气体压力传感器12与工业控制器9连接；实时检测气体压力的变化，以便利用消除气体压力变化或不均匀性带来的管道表层缺陷检测和识别误差。
进一步的，考虑到输气管道内表层缺陷空气耦合超声检测的准确性受到气体密度均匀性的影响，在薄壁圆筒1的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体密度检测传感器13；气体密度检测传感器13与工业控制器9连接；实时检测气体密度的变化，以便利用消除气体密度变化或不均匀性带来的管道表层缺陷检测和识别误差。
进一步的，考虑到输气管道内表层缺陷空气耦合超声检测的准确性受到气体温度和湿度均匀性的影响，在薄壁圆筒1的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体温度和湿度检测传感器14；气体温度和湿度检测传感器14与工业控制器9连接；实时检测气体温度和湿度及其均匀性的变化，以便利用消除气体温度和湿度变化或不均匀性带来的管道表层缺陷检测和识别误差。
进一步的，考虑到输气管道内表层缺陷量化检测精度受到薄壁圆筒1运动速度、位置和姿态变化的影响，在薄壁圆筒1的外圆周面上布置有利用光电或电磁原理进行检测的倾角与姿态和里程传感器15；倾角与姿态和里程传感器15与工业控制器9连接，可以准确记录薄壁圆筒1的在管道内的运行位置、移动速度和累计里程，以便确定管道检测缺陷的位置、大小和姿态。
进一步的，考虑到输气管道内表面有焊缝和难免有杂物或凸凹不平，将造成探头装置在运动检测过程中发生抖动或颤动，与管道表面距离或超声波传播声程发生变化而导致超声检测信号的衰减和畸变，给缺陷检测和识别带来困难，因此在薄壁圆筒1的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有间隙检测探头16；间隙检测探头16与工业控制器9连接，以便实时获得探头装置与输气管道内表面的距离，对检测信号进行补偿。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，其特征在于：它包括：探头装置、薄壁圆筒(1)、行走轮(6)、超声收发器(7)、前置放大器(8)、工业控制器(9)以及蓄电池(10)；
所述探头装置周向等间距的通过探头安装板(3)安装在所述薄壁圆筒(1)的外圆周面上；每个所述探头装置包括：一个空耦激励探头(2)以及一个空耦接收探头(5)；所述空耦激励探头(2)以及所述空耦接收探头(5)中间由隔声板(4)隔开；
所述行走轮(6)安装在所述薄壁圆筒(1)两端；
所述超声收发器(7)、所述前置放大器(8)、所述工业控制器(9)以及所述蓄电池(10)通过U型支撑板(11)安装在所述薄壁圆筒(1)内部；所述超声收发器(7)与所述工业控制器(9)、所述空耦激励探头(2)分别连接，所述空耦接收探头(5)通过所述前置放大器(8)接入所述超声收发器(7)中；
所述蓄电池(10)与所述工业控制器(9)连接；
工作时，将所述薄壁圆筒(1)置于输气管道内，所述探头装置通过气体介质耦合对输气管道内壁进行非接触式检测，所述空耦激励探头(2)的入射角以及所述空耦接收探头(5)的接收角均为气体和输气管道钢介质界面的第二临界角；
所述薄壁圆筒(1)外圆周上安装有一圈以上的所述探头安装板(3)；每圈所述探头安装板(3)之间错开设定角度，实现对输气管道360°进行检测；
所述薄壁圆筒(1)的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有间隙检测探头(16)；所述间隙检测探头(16)与所述工业控制器(9)连接，用于实时获得探头装置与输气管道内表面的距离，对检测信号进行补偿，以补偿探头装置在运动检测过程中发生抖动或颤动，与管道表面距离或超声波传播声程发生变化而导致超声检测信号的衰减和畸变；
所述薄壁圆筒(1)的外圆周面上布置有倾角与姿态和里程传感器(15)，用于记录薄壁圆筒(1)在输气管道内的运行位置、移动速度和累计里程；所述倾角与姿态和里程传感器(15)与所述工业控制器(9)连接。
2.如权利要求1所述的一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，其特征在于：所述探头安装板(3)沿所述薄壁圆筒(1)周向上横向或纵向布置；横向布置时，用于对输气管道内表层纵向缺陷进行检测；纵向布置时，用于对输气管道内表层横向缺陷进行检测。
3.如权利要求1或2所述的一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，其特征在于：所述薄壁圆筒(1)的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体压力传感器(12)；所述气体压力传感器(12)与所述工业控制器(9)连接。
4.如权利要求1或2所述的一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，其特征在于：所述薄壁圆筒(1)的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体密度检测传感器(13)；所述气体密度检测传感器(13)与所述工业控制器(9)连接。
5.如权利要求1或2所述的一种输气管道内表层缺陷空气耦合超声非接触检测系统，其特征在于：所述薄壁圆筒(1)的外圆周面上相隔设定角度、周向的布置有气体温度和湿度检测传感器(14)；所述气体温度和湿度检测传感器(14)与所述工业控制器(9)连接。
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