CN110618197A - 一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，包括阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法和所有类型缺陷的定量方法；其中，阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法和所有类型缺陷的定量方法实现管壁内部的气孔、夹杂和与管轴平行的周向缺陷、管道内外壁腐蚀情况、管壁内部径向和轴向裂纹缺陷的检测与定量。本发明实现管壁内部的气孔、夹杂和与管轴平行的周向缺陷、管道内外壁腐蚀情况、管壁内部径向和轴向裂纹缺陷的检测与定量。

Description

一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法

技术领域

本发明涉及一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，属于无损检测技术领域。该方法能检测输油管道内外壁的腐蚀缺陷和壁内任意方向的裂纹缺陷及其他小缺陷并对其量化。

背景技术

长输油气管道阵列扫查组合超声探头是一种新型的管道超声内检测传感器阵列，是超声内检测技术智能猪（Ultrasonic Intelligent Pig）的一种，可放置于油气管道内部，单次通过管道时，可扫查管道内外壁的腐蚀凹坑缺陷和壁内任意方向的裂纹缺陷及其他小缺陷。超声内检测技术由于其具有适用于长距离埋地管道和海底管道的缺陷检测和可检缺陷种类多、成像分辨率高、检测效率高等特点，近年来在国内外得到迅速发展。

长距离超声内检测技术是一项多学科融合的高新技术，目前国外掌握该技术的公司有美国GE公司、NDT Global公司与Tuboscope公司、德国Pipetronix公司、AG公司与Foerster公司、英国PII公司与GUL公司、加拿大Enbridge公司、日本钢管株式会社（NKK）、荷兰A.Hak公司与RED公司、俄罗斯NGKS公司等。国内的一些高校和研究机构近来也在跟进超声内检测的研究，如上海交通大学研发了一套φ325mm海底管线超声检测系统工程样机及其标定试验系统，山东特检院自主研制的国内第一台输油管道超声波内检测机器人，但两套系统的长距离管道检测实用性仍在探索之中。此外，国内中国石油大学、清华大学、天津大学、浙江大学、南京理工大学、大连理工大学等院校也进行了管道超声内检测的相关研究。从需求和成本上考虑，现在大多数公司和科研单位研制的长距离超声内检测管道猪（UI-Pig），如专利ZL200520107451.1提出的长输管道在役检测刚性阵列超声探头环装置，均采用沿径向入射超声纵波的检测方式进行管道内外壁的腐蚀缺陷进行定量检测，不能有效检测出管壁内裂纹等微小缺陷。山东特检院研制的超声内检测机器人与美国专利4964059公开的长输管道超声检测机器人（US-Pig)相似，其超声探头是固定在圆柱形塑性载体沟槽内，此装置的主缺点是在石油管道中，由于载体紧贴管道内表面高速运行，管道内壁残留的石蜡等污物会阻碍扫查运动，沟槽内的污物如果长时间停留，也会影响超声波的传播而造成缺陷检测的误判。专利ZL 106093196A提出一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，这种方法在原有纵波检测腐蚀缺陷的基础上，增加了单方向沿管道周向和轴向的折射横波检测裂纹的方式。但该方法并不能检测管道壁中所有走向的裂纹缺陷，如与折射横波传播方向平行的裂纹就会漏检。

本发明所述方法可以弥补上述发明方法的不足，是一种全新的设计思路和实用方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时能检测管道腐蚀体积型缺陷和所有方向裂纹缺陷的长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，实现管壁内部的气孔、夹杂和与管轴平行的周向缺陷、管道内外壁腐蚀情况、管壁内部径向和轴向裂纹缺陷的检测与定量。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，包括阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法和所有类型缺陷的定量方法；其中，阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法和所有类型缺陷的定量方法实现管壁内部的气孔、夹杂和与管轴平行的周向缺陷、管道内外壁腐蚀情况、管壁内部径向和轴向裂纹缺陷的检测与定量。

进一步，阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法如下：

阵列扫查组合超声探头包括五组水浸超声探头阵列，每组水浸超声探头阵列又包括两阵列，每组水浸超声探头阵列中的探头沿管道内表面周向均匀分布；

具体为：两列直探头阵列A¬1和A2，四列轴向斜置探头阵列A3、A4 、A5和A6，以及四列周向斜置探头阵列A7、A8 、A9和A10；

其中，阵列A¬1和阵列A2为第1组， 阵列A3和阵列A4 为第2组，阵列A5和阵列A6为第3组，阵列A7和阵列A8为第4组，阵列A9和阵列A10为第5组，共形成五种声束入射模式，每组阵列的检测区域都能对管道内壁沿周向进行全覆盖。

进一步，阵列A3→A10中每个探头以特定的入射角发射超纵波到管道内表面，在管壁内产生折射角为35°～55°的纯横波沿着W形路线前进。

进一步，入射角介于第一临界角与第二临界角之间，不同的流体入射角不同。

进一步，当流体为石油时，入射角为10°～30°。

进一步，每个水浸超声探头作为一个检测阵元，能够独立发射和接收从管壁内缺陷反射回来的超声波；对每一个超声回波信号分析时，还须考虑各检测时段管道内的工况。

进一步，考虑到缺陷的取向不同，检测时，探头应作正反两个方向的扫查，以免漏检对于与管道轴垂直的径向缺陷，则采用横波轴向检测法进行检测。

进一步，第2组与第3组沿周向对称布置，第4组与第5组沿轴向对称布置。

进一步，所有类型缺陷的定量方法如下：

利用第1组直探头阵列，计算超声波传播的声时t和声时差Δt即可获得管道的壁厚和壁厚差，将管道沿圆周0°到360°展开，以波列图表示管壁内外的腐蚀情况；

利用第2组至第5组斜置探头阵列，根据探头晶片中心至管道内壁的垂直距离h、裂纹缺陷回波的时间t和探头前进的距离l，可获得裂纹缺陷的位置H和长度L。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术优点和效果：

1）本发明利用超声纵波垂直入射管壁，实现管壁内部的气孔、夹杂和与管轴平行的周向缺陷检测；实现管道内外壁腐蚀情况的检测。

2）利用折射用为45°的纯横波检测管壁内部，实现管壁内部径向和轴向裂纹缺陷的检测。考虑到裂纹缺陷的走向不同，本发明的探头阵列在检测时可正反两个方向的扫查所有走向的裂纹缺陷，从而避免漏检情况发生。

3）本发明给出了所有类型缺陷的定量方法。

附图说明

图1为本发明阵列扫查组合超声探头装置总体示意图；

图2为管壁内缺陷和周向裂纹纵波垂直入射检测方法示意图；

图3为管壁内径向缺陷横波周向检测方法示意图；

图4为管壁内径向缺陷横波轴向检测方法示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，包括阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法和所有类型缺陷的定量方法两部分。

阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法：

步骤1.1，每个水浸超声探头作为一个检测阵元，可独立发射和接收从管壁内缺陷反射回来的超声波。对每一个超声回波信号分析时，还须考虑各检测时段管道内的工况，如管道内石油的流量、温度、粘度、压力等因素对超声波的影响。

步骤1.2，阵列扫查组合超声探头包括五组水浸超声探头阵列，每组又包括两阵列，每列探头沿管道内表面周向均匀分布。具体为两列直探头阵列A¬1和A2，4列轴向斜置探头阵列A3、A4 、A5和A6，以及4列周向斜置探头阵列A7、A8 、A9和A10。A¬1和A2为第1组， A3和A4 为第2组，A5和A6为第3组，A7和A8为第4组，A9和A10为第5组，共形成5种声束入射模式，每组阵列（每种声束模式）的检测区域都能对管道内壁沿周向进行全覆盖。

步骤1.3，考虑到裂纹缺陷的走向不同，探头阵列在检测时应作正反两个方向的扫查，以免漏检，所以，第2组与第3组沿周向对称布置，第4组与第5组沿轴向对称布置。

步骤1.4，阵列A3→A10中每个超声探头以特定的入射角（介于第一临界角与第二临界角之间，以石油为耦合介质，入射角为19.36°，不同的流体具有不同的入射角度）发射超纵波到管道内表面，在管壁内产生折射角为45°的纯横波沿着W形路线前进。

所有类型缺陷的定量方法：

步骤2.1，利用第1组直探头阵列，计算超声波传播的声时t和声时差Δt即可获得管道的壁厚和壁厚差，将管道沿圆周0°到360°展开，以波列图表示管壁内外的腐蚀情况。

步骤2.2，利用第2组至第5组斜置探头阵列，根据探头晶片中心至管道内壁的垂直距离h、裂纹缺陷回波的时间t和探头前进的距离l，可获得裂纹缺陷的位置H和长度L。

以下结合附图对发明的技术方案作进一步具体描述。

本着声束轴线与缺陷反射面垂直的原则，一般以垂直于管道轴线的斜入射横波沿着管道内圆作周向扫查。对于存在与管道轴线垂直的缺陷，则采用沿管道轴线方向进行斜入射横波检测。

如图1所示，阵列扫查组合超声探头包括五组水浸超声探头阵列，每组又包括两阵列，每列探头沿管道内表面周向均匀分布。具体为两列直探头阵列A¬1和A2，四列轴向斜置探头阵列A3、A4 、A5和A6，以及四列周向斜置探头阵列A7、A8 、A9和A10。阵列A¬1和阵列A2为第1组， 阵列A3和阵列A4 为第2组，阵列A5和阵列A6为第3组，阵列A7和阵列A8为第4组，阵列A9和阵列A10为第5组，共形成五种声束入射模式，每组阵列（每种声束模式）的检测区域都能对管道内壁沿周向进行全覆盖。

本发明采用超声纵波检测方法检测管壁内部的气孔、夹杂和与管轴平行的周向缺陷。如图2所示，采用超声纵波探头经过液态石油耦合将超声波注入管壁，当超声波在管道内遇到气孔、夹杂和与管轴平行的周向裂纹等缺陷形成的界面后发生发射，反射波又经过液态石油被超声探头获取，因此，根据缺陷反射回波的幅度和位置利用深度幅度补偿校准方法，可以判断缺陷的深度和当量大小。

当管壁内部存在垂直于内外表面的裂纹缺陷或管道径向缺陷时，使用垂直于管道内表面径向发射的超声波检测时，敏感性不强，尤其是对于闭合型裂纹，基本上无法检测出来，但是这种裂纹还是管道常见缺陷类型，必须有效地检测出来，为此，本发明采用轴向和周向折射单一横波的检测方法检测管壁与管轴平行和垂直的径向裂纹，检测原理如图3和图4所示。当水/钢介质中，根据Snell折射定律，入射角为14.5°~27.27°时，钢中没有折射纵波，只有折射横波，其折射横波的往复透射率TLS最高不到20％。借助石油耦合液，为了保证内外壁裂纹的最大可检出率，水浸超声探头以入射角为19.36°斜入射到管内表面，在管壁内会产生折射角为45°的纯横波沿着W路线前进。如果横波在前进路线上没有遇到裂纹，则探头将不会接收到回波信号，即管道没有缺陷；如果横波在前进路线上遇到裂纹，则将在裂纹处反射缺陷回波，回波以相反的路径返回探头，从而确定缺陷的位置。所以，可根据声程分别计算出探头接收到内壁裂纹和外壁裂纹的回波信号F内和F外的时间以判断裂纹的位置，根据信号的强度判断裂纹的深度。

如图3所示，对于与管道轴平行的径向缺陷，采用横波周向检测法进行检测。探头沿周向阵列布置，保证折射横波的声束可以全覆盖管壁。考虑到缺陷的取向不同，检测时，探头应作正反两个方向的扫查，以免漏检。

如图4所示，对于与管道轴垂直的径向缺陷，则采用横波轴向检测法进行检测。同样，考虑到缺陷的取向不同，检测时，探头应作正反两个方向的扫查，以免漏检。水浸探头也沿周向阵列布置，对管道进行全覆盖检测，入射角为19.36°。

径向直探头阵列几乎可以检测所有类型的缺陷，但更多地用于检测腐蚀坑、管壁减薄、剥蚀坑以及管壁锈蚀等缺陷；轴向斜置直探头阵列主要用于检测周向(横向)裂纹；径向斜置直探头阵列主要用于检测轴向(纵向)裂纹等缺陷。不同的探头阵列获取的回波信号可采用不同的信号处理技术，用于最大限度地发现回波中的缺陷信息。同时，在分析超声回波信号时，还须考虑各检测时段管道内的工况，如管道内石油的流量、温度、粘度、压力等因素对超声波的影响。

综上可得，本发明利用超声纵波垂直入射管壁，实现管壁内部的气孔、夹杂和与管轴平行的周向缺陷检测；实现管道内外壁腐蚀情况的检测。利用折射用为45°的纯横波检测管壁内部，实现管壁内部径向和轴向裂纹缺陷的检测。考虑到裂纹缺陷的走向不同，本发明的探头阵列在检测时可正反两个方向的扫查所有走向的裂纹缺陷，从而避免漏检情况发生。本发明给出了所有类型缺陷的定量方法。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于：包括阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法和所有类型缺陷的定量方法；

其中，阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法和所有类型缺陷的定量方法实现管壁内部的气孔、夹杂和与管轴平行的周向缺陷、管道内外壁腐蚀情况、管壁内部径向和轴向裂纹缺陷的检测与定量。

2.根据权利要求1所述的一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于，阵列扫查组合超声探头装置结构的布置方法如下：

阵列扫查组合超声探头包括五组水浸超声探头阵列，每组水浸超声探头阵列又包括两阵列，每组水浸超声探头阵列中的探头沿管道内表面周向均匀分布；

具体为：两列直探头阵列A¬1和A2，四列轴向斜置探头阵列A3、A4 、A5和A6，以及四列周向斜置探头阵列A7、A8 、A9和A10；

其中，阵列A¬1和阵列A2为第1组， 阵列A3和阵列A4 为第2组，阵列A5和阵列A6为第3组，阵列A7和阵列A8为第4组，阵列A9和阵列A10为第5组，共形成五种声束入射模式，每组阵列的检测区域都能对管道内壁沿周向进行全覆盖。

3.根据权利要求2所述的一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于：阵列A3→A10中每个探头以特定的入射角发射超纵波到管道内表面，在管壁内产生折射角为35°～55°的纯横波沿着W形路线前进。

4.根据权利要求3所述的一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于:入射角介于第一临界角与第二临界角之间，不同的流体入射角不同。

5.根据权利要求4所述的一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于:当流体为石油时，入射角为10°～30°。

6.根据权利要求2所述的一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于: 每个水浸超声探头作为一个检测阵元，能够独立发射和接收从管壁内缺陷反射回来的超声波；对每一个超声回波信号分析时，还须考虑各检测时段管道内的工况。

7.根据权利要求2所述的一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于:考虑到缺陷的取向不同，检测时，探头应作正反两个方向的扫查，以免漏检对于与管道轴垂直的径向缺陷，则采用横波轴向检测法进行检测。

8.根据权利要求2所述的一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于: 第2组与第3组沿周向对称布置，第4组与第5组沿轴向对称布置。

9.根据权利要求2所述的一种长输油气管道全缺陷组合超声阵列无损扫查方法，其特征在于，所有类型缺陷的定量方法如下：

利用第1组直探头阵列，计算超声波传播的声时t和声时差Δt即可获得管道的壁厚和壁厚差，将管道沿圆周0°到360°展开，以波列图表示管壁内外的腐蚀情况；

利用第2组至第5组斜置探头阵列，根据探头晶片中心至管道内壁的垂直距离h、裂纹缺陷回波的时间t和探头前进的距离l，可获得裂纹缺陷的位置H和长度L。