CN109973828A - 隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁超声检测领域，特别涉及一种隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统及方法，使用由防爆箱、高速数据采集模块、激励模块、无限传输模块、隔爆式电磁超声换能器组成的隔爆式电磁超声检测系统。利用该系统在被测管道中激励出超声横波，横波沿管道厚度方向传播。采用自发自收的方式接收由管道内壁反射的超声波，通过超声波在管道内的传播时间和已标定的波速计算管道的厚度。通过无线传输的方式实时的将管道的厚度数据传输到服务器，实现爆炸性环境下管道腐蚀减薄的在线检测。

Description

隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统及方法

技术领域

本发明属于电磁超声检测领域，特别涉及一种隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统及方法。

背景技术

石油和天然气是国民经济发展和人民生活不可或缺的主要能源，油气储运设施担负着保障油气能源生产与供应的重要使命。我国现有70%的石油和90%的天然气通过管道进行输送。石油化工园区管道在长期服役过程中，由于化学、物理或电化学作用导致管道产生裂纹、腐蚀和焊缝咬边等缺陷非常普遍，使得管道减薄，承压能力下降，严重时会产生泄漏、爆管，甚至爆炸等事故。因此，使用先进的检测和监控技术及设备，及早发现管道腐蚀失效，可及时消除安全隐患，预防安全事故。调研发现，我国石化行业中，炼化管道的腐蚀问题日益突出，对炼化油气管道的腐蚀检测与防护已经成为整个无损检测领域的共同面对的技术难题。

据统计，约41%的炼化生产装置设备事故是由腐蚀引起的。石化装置长期服役过程中，由于化学、物理或电化学作用造成金属破坏或者变质的腐蚀现象非常普遍。常见腐蚀形态有孔蚀、腐蚀破裂、脱层腐蚀、全面腐蚀、晶间腐蚀等。出于技术和经济性的原因，炼化生产装置设备及管道存在腐蚀是必然的，关键是如何能及时监控其腐蚀状态并消除事故隐患。特别是在加工原油劣质化或原料成分多变的趋势下，如何及时掌握生产装置设备及管道的腐蚀变化趋势和规律，并预先采取防腐措施，是石油炼化企业急需解决的重大技术问题，关系到生产装置能否安稳长满优运行。目前，国内外石化行业对设备腐蚀减薄安全问题的检测需求很大。由于油气的易燃、易爆及毒性特点，一旦泄漏，很容易导致火灾、爆炸、中毒等事故，造成巨大的人员伤亡和经济损失，国内外类似事故屡见不鲜。且我国现有石化装置很多设施在役服务都已有20多年，到了事故的高发期，必须大力应用和发展检测技术，为我国石化装置安全提供良好的保障。

根据国内外炼化企业设备防腐管理经验，设备及管道测厚，特别是在线定点测厚是监测均匀腐蚀和冲刷腐蚀最常用而有效的技术手段，是类似于动设备大机组状态监测的设备及管道腐蚀状态监测方法。传统的在线定点测厚主要为压电超声波检测技术，检测时需要严密耦合，往往采用在被监测工件表面焊接安装螺柱的方式，不仅破坏了设备表面的防腐结构，同时焊接还对设备本身材料造成了一定影响，并且对被检测面表面粗糙度要求高，应用在长期实时在线监测时，易受监测设备振动等影响，造成监测数据不够稳定，压电超声在与被检工件紧密耦合的同时，破坏被监测设备表面防腐结构成为必然，这增加了设备的外腐蚀风险。由于传统压电超声检测系统长期在线检测时出现了大量问题，因此，国内外在超声定点测厚检测设备的研发中投入了大量的人力、物力、财力，开发了基于电磁换能原理的超声波检测系统。

电磁超声检测技术（英文缩写EMAT）是近年来国际上快速发展的一项检测技术，也是超声检测领域发展的前沿技术之一，集电磁技术和超声技术于一身，非接触不需要耦合剂、不受被测材料几何形状以及表面腐蚀情况的限制，设备简单便携，结合无线采集和传输技术，正成为石化设备在线检测的热门技术方法。EAMT的能量转换是在被检测工件表层内直接进行，可将工件表面看成是传统压电超声探头，因此EMAT所产生的超声波无需任何耦合介质，可不与被检测工件接触就可向其发射和接收，从检测原理上不存在压电超声耦合的问题。电磁超声具有非接触检测、高精度、高灵敏度和高速度等特点，适合于高温、腐蚀性、辐射性以及被检件具有较快的运动速度等恶劣环境下使用，该技术能够同时激发表面波、纵波和横波等多种波型，因此可以同时检测不同类型的缺陷。目前国内市场上EMAT腐蚀检测系统均为便携式测厚系统，换能器的提离距离小于2mm，对试样表面要求较高，而且没通过国家电气防爆监督中心防爆认证，还不能用于爆炸性环境中，其检测对象也不是易燃易爆化工园区的金属管道，难以应用于管道安全状态的监测，在易燃易爆化工园区的金属管道检测大多还是依赖于传统的压电超声检测技术，因此目前非常需要研发应用于化工园区环境下具有电气防爆功能的电磁超声油气管道减薄检测装置。

发明内容

本发明要解决的问题是克服背景技术的不足，提供一种隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，包括电磁超声换能器、高速数据采集模块、激励模块、本安隔离模块、无线传输模块和锂电池；所述高速数据采集模块、激励模块、本安隔离模块和锂电池被封装在一防爆箱内；高速数据采集模块、激励模块和本安隔离模块均与锂电池连接，高速数据采集模块、激励模块通过多芯防爆电缆分别与防爆箱外的电磁超声换能器连接，本安隔离模块通过防爆通讯电缆与防爆箱外的无线传输模块连接，无线传输模块无线连接服务器；所述无线传输模块被封装在一金属壳体内，金属壳体内用灌封胶封装，无线传输模块向外连接一天线。

其中：

激励模块：用于给电磁超声换能器提供高频的交变电流。

电磁超声换能器：负责激励和接收超声波信号，并将超声波信号传输给高速数据采集模块。

高速数据采集模块：负责将接收到的超声波信号转换为数字信号，并将数字信号传输给本安隔离模块。

本安隔离模块：将接收到的数字信号通过其内的本安电路进行处理后传输给无线传输模块。

无线传输模块：将本安隔离模块传输过来的数字信号通过无线方式发送给服务器。

服务器：对信号进行处理，计算得出被测管道的厚度值。

作为优选方案：

所述防爆箱设有喇叭口，喇叭口处设有电缆套管。

所述金属壳体内灌封胶为有机硅。

所述电磁超声换能器的壳体采用不锈钢加工而成。

所述电磁超声换能器的壳体内灌封环氧树脂。

所述电磁超声换能器内的感应线圈为蝶形线圈；蝶形线圈采用双层FPCB结构制版，为正反面双层蝶形线圈结构。

所述无线方式为WIFI、GSM、蓝牙方式中任一种。

所述防爆箱上设有干簧管断路保护器。

本发明还包括一种隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测方法，包括以下步骤：

（一）将电磁超声换能器吸附在被测管道上指定的被测点，进行定点在线检测。

（二）将电磁超声换能器通过多芯防爆电缆分别与防爆箱内的激励模块和高速数据采集模块连接。

（三）激励模块为电磁超声换能器中的感应线圈提供高频的交变电流，激励出超声波，通过管道内壁反射多次超声波回波，然后电磁超声换能器将超声波信号传输给高速数据采集模块。

（四）高速数据采集模块将接收到的超声波信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给本安隔离模块进行处理，本安隔离模块将信号进行处理后传输给无线传输模块，无线传输模块将信号通过无线方式传输给服务器，服务器计算得出被测管道的厚度值。

（五）观测所述系统测得的管道厚度值是否稳定，当所测的厚度值稳定后，设定此系统每隔一定时间工作一次，实现管道减薄的在线监测。

本发明的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统满足了化工园区爆炸性环境中管道安全监测的防爆要求，突破了电磁超声技术应用于爆炸性环境中的技术瓶颈，符合GB 3836防爆标准，解决了化工园区管道安全监测问题，可直接应用于化工园区爆炸性环境中，实现油气管网腐蚀减薄状态实时在线监测和预警功能，填补了国内市场空白，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的部分结构示意图。

图3为本发明的框架图。

图4为本发明用于管道厚度检测的信号波形图。

图中，1防爆箱，2金属壳体，3无线传输模块，4天线，5防爆通讯电缆，6电缆套管，7多芯防爆电缆，8电磁超声换能器，9干簧管断路保护器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明在线检测系统包括电磁超声换能器8，电磁超声换能器8上端的多芯防爆电缆7穿过防爆箱1的喇叭口分别与封装在防爆箱1内的高速数据采集模块和激励模块连接。在防爆箱1内还放置有本安隔离模块和锂电池，本安隔离模块与高速数据采集模块连接，锂电池分别连接高速数据采集模块、激励模块和本安隔离模块，锂电池作为整个系统的能量来源。本安隔离模块通过穿过喇叭口的防爆通讯电缆5与防爆箱1外的无线传输模块3连接。无线传输模块3被封装在一金属壳体2内，且金属壳体2内用有机硅灌封胶封装，用于防水、防尘。无线传输模块3向外连接一天线4，无线传输模块3将接收到的信号通过天线4发送给服务器。

其中，防爆箱1的喇叭口处还设有电缆套管6，防爆箱1的设计严格按照国标的要求。防爆箱1上还设有干簧管断路保护器9，主要用于防爆箱1开盖时，使得整个检测系统断路不工作。

这里的电磁超声换能器8的壳体采用不锈钢加工而成，壳体内灌封环氧树脂，经过环氧树脂灌封后，电磁超声换能器8内的感应线圈、永磁体、多芯防爆线缆7等被完全封闭在壳体内形成一个整体，这样，感应线圈已经完全与外界隔离，即使感应线圈工作时被击穿引发的火花也不能外传，从而杜绝了感应线圈工作时在爆炸性环境中的火花传爆现象。本实施例电磁超声换能器8内的感应线圈为蝶形线圈，蝶形线圈设计可以消除电路回路中的电磁噪声，增大感应线圈有效检测区域。优选的，感应线圈采用双层FPCB结构制版，采用正反面双层蝶形线圈设计结构。

上述的激励模块用于给电磁超声换能器8提供高频的交变电流，以在被测件中激励出超声波。

上述的电磁超声换能器8负责激励和接收超声波信号，并将超声波信号传输给高速数据采集模块。

上述的高速数据采集模块负责将接收到的超声波信号转换为数字信号，并将数字信号传输给本安隔离模块。

上述本安隔离模块作用为将接收到的数字信号通过其内的本安电路进行处理后然后传输给无线传输模块3。

上述无线传输模块3作用为将本安隔离模块传输过来的数字信号通过无线方式发送给服务器。无线方式可以为现有的无线传输中的任一种，比如WIFI、GSM、蓝牙等方式。

上述服务器对信号进行处理，计算得出被测管道的厚度值，实现管道减薄的在线监测。

上述在线检测系统的检测方法包括以下步骤：

一、依靠电磁超声换能器8中永磁体的吸力，将电磁超声换能器8吸附在被测管道上指定的被测点，进行定点在线检测。

二、将电磁超声换能器8通过多芯防爆电缆7分别与防爆箱1内的激励模块和高速数据采集模块连接。

三、激励模块为电磁超声换能器8中的感应线圈提供高频的交变电流，在被测管道中感应出涡流，涡流在稳定的偏置磁场中产生洛伦兹力和磁致伸缩力，在交变力的作用下激励出超声波。激励出的超声波沿管道的厚度方向传播，通过管道内壁反射多次超声波回波，电磁超声换能器8将超声波信号传输给高速数据采集模块。

四、高速数据采集模块将接收到的超声波信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给本安隔离模块进行处理，本安隔离模块将信号进行处理后传输给无线传输模块3，无线传输模块3将信号通过无线方式传输给服务器，服务器通过对信号的处理得到相邻两次超声波回波之间的时间间隔，即超声波在管道厚度方向上往返一次的时间，结合已经标定的超声波在管道中的传播速度，计算得出被测管道的厚度值。

五、观测所述系统测得的管道厚度值是否稳定，当所测的厚度值稳定后，可采用此系统对被测管道进行减薄监测。可以设定此系统每隔一定时间工作一次，实现管道减薄的在线监测。

利用本发明的检测系统在提离距离依次为1mm-7mm范围内对标称22 mm厚度的CB-I型标准试块进行检测，检测结果如附图4所示。从波形上看出，在提离距离增大至6mm时，仍能有效地检测出材料厚度，且检测精度小于±0.05 mm，能够满足炼化厂区的管道厚度检测需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，包括电磁超声换能器（8）、高速数据采集模块、激励模块、本安隔离模块、无线传输模块（3）和锂电池，其特征在于：所述高速数据采集模块、激励模块、本安隔离模块和锂电池被封装在一防爆箱（1）内，高速数据采集模块、激励模块和本安隔离模块均与锂电池连接，高速数据采集模块、激励模块通过多芯防爆电缆（7）分别与防爆箱（1）外的电磁超声换能器（8）连接，本安隔离模块通过防爆通讯电缆（5）与防爆箱（1）外的无线传输模块（3）连接，无线传输模块（3）无线连接服务器；所述无线传输模块（3）被封装在一金属壳体（2）内，金属壳体（2）内用灌封胶封装，无线传输模块（3）向外连接一天线（4）；

其中：

激励模块：用于给电磁超声换能器（8）提供高频的交变电流；

电磁超声换能器（8）：负责激励和接收超声波信号，并将超声波信号传输给高速数据采集模块；

高速数据采集模块：负责将接收到的超声波信号转换为数字信号，并将数字信号传输给本安隔离模块；

本安隔离模块：将接收到的数字信号通过其内的本安电路进行处理后传输给无线传输模块（3）；

无线传输模块（3）：将本安隔离模块传输过来的数字信号通过无线方式发送给服务器；

服务器：对信号进行处理，计算得出被测管道的厚度值。

2.根据权利要求1所述的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，其特征在于：所述防爆箱（1）设有喇叭口，喇叭口处设有电缆套管（6）。

3.根据权利要求1所述的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，其特征在于：所述金属壳体（2）内灌封胶为有机硅。

4.根据权利要求1所述的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，其特征在于：所述电磁超声换能器（8）的壳体采用不锈钢加工而成。

5.根据权利要求1所述的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，其特征在于：所述电磁超声换能器（8）的壳体内灌封环氧树脂。

6.根据权利要求1所述的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，其特征在于：所述电磁超声换能器（8）内的感应线圈为蝶形线圈。

7.根据权利要求6所述的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，其特征在于：所述蝶形线圈采用双层FPCB结构制版，为正反面双层蝶形线圈结构。

8.根据权利要求1所述的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，其特征在于：所述无线方式为WIFI、GSM、蓝牙方式中任一种。

9.根据权利要求1所述的隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测系统，其特征在于：所述防爆箱（1）上设有干簧管断路保护器（9）。

10.一种隔爆式电磁超声油气管道腐蚀减薄在线检测方法，包括以下步骤：

（一）将电磁超声换能器（8）吸附在被测管道上指定的被测点，进行定点在线检测；

（二）将电磁超声换能器（8）通过多芯防爆电缆（7）分别与防爆箱（1）内的激励模块和高速数据采集模块连接；

（三）激励模块为电磁超声换能器（8）中的感应线圈提供高频的交变电流，激励出超声波，通过管道内壁反射多次超声波回波，然后电磁超声换能器（8）将超声波信号传输给高速数据采集模块；

（四）高速数据采集模块将接收到的超声波信号转换为数字信号，并将此数字信号传输给本安隔离模块进行处理，本安隔离模块将信号进行处理后传输给无线传输模块（3），无线传输模块（3）将信号通过无线方式传输给服务器，服务器计算得出被测管道的厚度值；

（五）观测所述系统测得的管道厚度值是否稳定，当所测的厚度值稳定后，设定此系统每隔一定时间工作一次，实现管道减薄的在线监测。