CN111999392A - 海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法 - Google Patents

海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法，其中，换能器包括：压电超声激励模块用于产生特定频率和幅值的超声波；声透镜为具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜，用于将压电超声激励模块产生的超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波；智能柔性聚焦校准模块，用于控制压电超声激励模块和声透镜，同步调整声透镜和压电超声激励模块；超声波接收换能器，位于海底管道的外表面，通过耦合剂与海底管道的待测试表面连接，用于接收海底管道的反射回波，通过对反射回波的分析进行缺陷识别。由此，可以提高超声导波的信号强度，有助于对海底管道存在的缺陷进行有效检测。

Description

海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法。
背景技术
油气管道运行中，因受外力冲击、疲劳腐蚀和特殊工况等不利因素影响，不可避免地会形成缺陷，因此需定期对其是否存在缺陷进行在线检测。石油和天然气是目前重要的能源形式之一，长途运输主要通过管道来实现。但是，由于多年的失修，磨损，腐蚀或意外损坏等原因，经常发生管道泄漏事故，不仅造成经济损失，而且造成严重的污染，严重威胁人体健康。因此，加强油气管道的泄漏检测和腐蚀检测可以有效抑制管道泄漏，评估管道寿命，确保油气管道的正常运行。海底油气输送管道相对于普通埋地、架空等油气管道更难以发现管道安全事故。因此，海底油气管道的有效及时检测对油气输送管道的安全稳定运行至关重要。
但是，海底油气管道的服役环境复杂，且无法直接接触到这些特殊区域的管道，应用传统的无损检测方法无法实施检测。作为无损检测新兴手段之一的超声导波检测技术，具有衰减小、传播距离远、检测速度快，且能100％覆盖管道壁厚等特点，很适用于海底管道缺陷的在线检测。
在海底管道缺陷检测的现有技术中，一般需要利用压电超声换能器激发超声波振动，并依托耦合剂将超声波振动传播到金属管道内部，从而实现超声导波检测。但是，基于压电超声换能器的超声导波检测技术由于压电换能原理的限制，需要依托耦合剂将超声波振动耦合到待测金属管道内，因此很难适用于具有非接触要求及高温等特殊工况下的检测。电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)依赖于电磁耦合方式完成换能器线圈内的交变电流到被测材料内机械振动的能量转换，无需耦合介质，可以直接在金属管道内产生超声导波，并易于调节超声导波模式，可用于非接触及高温等特殊工况下的检测。但是这两种检测方式难以应用于复杂的水下海底管道缺陷检测情境中，这是由于恶劣的水下环境以及低检测鲁棒性导致的。此外，水下管道表面的非金属保护层进一步削弱了能量转换效率，接收信号的信噪比较低。因此，为了实现海底油气管道的动态柔性高精度缺陷检测，急需一种可控能量聚焦水下超声导波换能器来改进缺陷检测方法并提高检测效率。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，可以提高超声导波的信号强度，有助于对海底管道存在的缺陷进行有效检测。
本发明的另一个目的在于提出一种利用海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器的缺陷检测方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，包括：压电超声激励模块、声透镜、智能柔性聚焦校准模块和超声波接收换能器；
所述压电超声激励模块用于产生特定频率和幅值的超声波；
所述声透镜为具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜，用于将所述压电超声激励模块产生的超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波；
所述智能柔性聚焦校准模块，用于控制所述压电超声激励模块和所述声透镜，同步调整所述声透镜和所述压电超声激励模块；
所述超声波接收换能器，位于海底管道的外表面，通过耦合剂与所述海底管道的待测试表面连接，用于接收海底管道的反射回波，通过对所述反射回波的分析进行缺陷识别。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种利用海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器的缺陷检测方法，包括以下步骤：
通过压电超声激励模块生成特定频率和幅值的超声波；
利用声透镜将所述超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波；
通过智能柔性聚焦校准模块调整所述压电超声激励模块成产生的超声波的频率和幅值以及所述声透镜的旋转角，以进行超声波的动态聚焦；
通过设置在海底管道外表面的超声波接收换能器接收海底管道的反射回波，通过对所述反射回波的分析，对海底管道的缺陷进行识别。
本发明实施例的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法，具有如下优势：通过采用各向异性变晶格常数声透镜，可以实现超声波的水下动态柔性聚焦，并在海底管道激励出特定模态的高强度导波且不受管道材料的影响，从而可以提高超声导波的信号强度，有助于对海底管道存在的缺陷进行有效检测。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的实验结果示意图；
图3为根据本发明一个实施例的利用海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器的缺陷检测方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其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。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。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能及检测方法。
首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器。
图1为根据本发明一个实施例的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器结构示意图。
如图1所示，该海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器包括：压电超声激励模块101、声透镜102、智能柔性聚焦校准模块103和超声波接收换能器104。
压电超声激励模块101用于产生特定频率和幅值的超声波。
具体地，压电超声激励模块的激励频率与发射强度完全可控，压电材料为钛酸钡陶瓷，其超声激发过程受智能柔性聚焦校准模块所控制。
可选的，压电超声激励的电流幅值范围为10A–100A，压电超声激励的频率范围为10kHz–30kHz。
声透镜102为具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜，用于将压电超声激励模块产生的超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波。
可以理解的是，声透镜可以将压电换能器产生的平行入射声波转换为在某特定点位置聚焦的高强度声波。
进一步地，具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜，其整体结构为类凸透镜结构，其制造材料为不锈钢。内凹多边形晶体结构具有对称性，其晶格常数沿声波传播方向单调线性改变。
具体地，内凹是声子晶体单个晶胞外表面向其几何中心的内凹，并在每个晶胞边界具有对称性；其中，声透镜中的全部晶胞均具有相同的结构，并且每个晶胞的几何位置保持不变，但是每个晶胞的晶格常数是变化的，每个晶胞的晶格常数沿着声波传播方向呈线性减小，以提高其声束聚焦能力。
可选的，声透镜晶胞的晶格常数为6mm–12mm；声透镜晶胞个数为100–200；声透镜焦距范围为10mm–100mm。
智能柔性聚焦校准模块103，用于控制压电超声激励模块和声透镜，同步调整声透镜和压电超声激励模块。
智能柔性聚焦校准模块可实时控制声透镜的位置、角度、压电换能器激发强度与频率等参数，以实现超声波的动态柔性聚焦。
进一步地，智能柔性聚焦校准模块103可以通过实时计算动态调整压电超声激励频率与幅值，并适配声透镜的旋转角度；其中，声透镜的旋转角度是其相对于原始位置的几何角，即声透镜中心到原始焦点与新焦点的空间角。
智能柔性聚焦校准模块的操作过程受计算机程序控制，并可以在计算机上实时调节智能柔性聚焦校准模块的参数。
超声波接收换能器104，位于海底管道的外表面，通过耦合剂与海底管道的待测试表面连接，用于接收海底管道的反射回波，通过对反射回波的分析进行缺陷识别。
超声波接收换能器104位于海底管道的外表面，采用压电式超声换能器进行超声导波的接收，换能器与待测试样表面通过耦合剂连接，以实现超声信号的低损耗传递。
该换能器通过压电超声激励模块产生所需的一定频率与幅值的超声波；随后，该超声波通过声透镜，并在预设的焦点位置实现聚焦，以在海底管道中产生超声导波；智能柔性聚焦校准模块可以同步调节声透镜的旋转角与压电超声激励信号，从而实现超声的动态聚焦；接收换能器可以接受管道中的导波信号，并进行缺陷识别。
采用本发明提供的基于水下全向聚焦声透镜的海底管道超声导波柔性换能器，能够通过声透镜与智能柔性聚焦校准模块，提高信号的强度与检测的精度，进而为不同类型缺陷的检测与识别提供了可靠的信息。
如图2所示，展示了采用本发明实施例的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器与传统不采用声透镜动态聚焦换能器的测量信号对比，可以发现本发明提出的换能器的信号幅值201是传统换能器信号幅值202的3倍，具有更高的信噪比。
为了验证本发明实施例的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器能够提高水下管道超声导波缺陷测量能力，进而提高信号的强度与检测的精度，现用以下实施例来证明。
由于是对水下管道进行检测，因此选用了长10m，内径6.5mm，外径9mm的不锈钢管道作为试样；压电超声激励的电流幅值为50A；压电超声激励的频率为20kHz；声透镜晶胞的晶格常数为6mm–12mm；声透镜晶胞个数为150；声透镜焦距为50mm。为体现本发明提出的换能器的优势，对同等条件下的传统压电换能器的超声导波信号强度进行了测试与对比。本发明提出的新型换能器激发产生的超声导波信号幅值大小分布图201明显具有很大的优势(横坐标表示时间，纵坐标表示归一化幅值)。
本发明与现有传感器相比，可以在一定程度上提高检测效率并减小漏检率。由于传统的换能器能量转换效率很低，且在水下情况应用受限，因此在水下情况产生柔性超声导波一种非常有效的缺陷检测手段，可以在海底管道缺陷检测中发挥重要作用。
根据本发明实施例提出的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，在摈弃传统的导波检测方法的基础上，通过采用新型换能器结构，控制超声导波的激发方式，提高超声导波信号接收的信噪比，进而精确的提取测量信号并分析缺陷情况，实现对海底管道缺陷进行高效且灵敏检测的目的。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的利用海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器的缺陷检测方法。
图3为根据本发明一个实施例的利用海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器的缺陷检测方法流程图。
如图3所示，该利用海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器的缺陷检测方法包括以下步骤：
S1，通过压电超声激励模块生成特定频率和幅值的超声波；
S2，利用声透镜将超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波；
S3，通过智能柔性聚焦校准模块调整压电超声激励模块成产生的超声波的频率和幅值以及声透镜的旋转角，以进行超声波的动态聚焦；
S4，通过设置在海底管道外表面的超声波接收换能器接收海底管道的反射回波，通过对反射回波的分析，对海底管道的缺陷进行识别。
进一步地，在本发明的一个实施例中，声透镜为具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜。
需要说明的是，前述对换能器实施例的解释说明也适用于该实施例的缺陷检测方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的利用海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器的缺陷检测方法，通过采用新型换能器结构，控制超声导波的激发方式，提高超声导波信号接收的信噪比，进而精确的提取测量信号并分析缺陷情况，实现对海底管道缺陷进行高效且灵敏检测的目的。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，其特征在于，包括：压电超声激励模块、声透镜、智能柔性聚焦校准模块和超声波接收换能器；
所述压电超声激励模块用于产生特定频率和幅值的超声波；
所述声透镜为具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜，用于将所述压电超声激励模块产生的超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波；
所述智能柔性聚焦校准模块，用于控制所述压电超声激励模块和所述声透镜，同步调整所述声透镜和所述压电超声激励模块；
所述超声波接收换能器，位于海底管道的外表面，通过耦合剂与所述海底管道的待测试表面连接，用于接收海底管道的反射回波，通过对所述反射回波的分析进行缺陷识别。
2.根据权利要求1所述的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，其特征在于，所述内凹多边形晶体结构具有对称性，内凹是声子晶体单个晶胞外表面向其几何中心的内凹，并在每个晶胞边界具有对称性；其中，所述声透镜中的全部晶胞均具有相同的结构，并且每个晶胞的几何位置保持不变，每个晶胞的晶格常数是变化的，每个晶胞的晶格常数沿着声波传播方向呈线性减小。
3.根据权利要求1所述的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，其特征在于，所述压电超声激励模块的压电材料为钛酸钡陶瓷。
4.根据权利要求1所述的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，其特征在于，所述智能柔性聚焦校准模块实时计算动态调整所述压电超声激励模产生的超声波的频率与幅度，并调整所述声透镜的旋转角，所述旋转角为新位置相对于原始位置的几何角。
5.根据权利要求1所述的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，其特征在于，所述超声波接收换能器为压电式超声波接收换能器。
6.根据权利要求1所述的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，其特征在于，所述声透镜的制作材料为不锈钢。
7.根据权利要求1所述的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，其特征在于，所述压电超声激励模块产生的超声波的电流幅值范围为10A–100A，频率范围为10kHz–30kHz。
8.根据权利要求1所述的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，其特征在于，声透镜晶胞的晶格常数为6mm–12mm，声透镜晶胞个数为100–200，声透镜焦距范围为10mm–100mm。
9.一种利用权利要求1所述的海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器进行缺陷检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过压电超声激励模块生成特定频率和幅值的超声波；
利用声透镜将所述超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波；
通过智能柔性聚焦校准模块调整所述压电超声激励模块成产生的超声波的频率和幅值以及所述声透镜的旋转角，以进行超声波的动态聚焦；
通过设置在海底管道外表面的超声波接收换能器接收海底管道的反射回波，通过对所述反射回波的分析，对海底管道的缺陷进行识别。
10.根据权利要求9所述的缺陷检测方法，其特征在于，所述声透镜为具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜。
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