CN116609436A - 基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置及检测方法，装置包括多个超声导波激励与接收模块通过具有凹凸结构的连接件彼此铰接形成围绕待检测管道周向布置的阵列环；单个超声导波激励与接收模块包括连接件，换能器模块，与所述连接件之间通过第一微调弹性预压组件连接；敏感压电换能器单元，设置在所述换能器模块的底端，通过第二微调弹性预压组件与所述换能器模块连接；通过调节所述第一微调弹性预压组件，以使所述换能器模块紧密固定于待检测管道；通过调节所述第二微调弹性预压组件，以实现所述敏感压电换能器单元与待检测管道之间预压力的微调。
Description
技术领域
本发明是一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，涉及压电换能器、油气管道安全及无损检测领域。
背景技术
作为国际货物运输的主要方式之一，管道运输以其经济、可靠、安全等优点得到人们的青睐。特别在油气运输上，管道运输比水运、铁路运输更可靠，运输量更大，成本与能耗也更低。
然而，随着油气管道服役年份的增加，钢管结构会发生退化并产生缺陷，时刻威胁管道安全。在影响管道安全的各种缺陷中，腐蚀缺陷与机械损伤是油气管道中最为常见的两类缺陷。在长输管道系统中，管道系统庞大且复杂，传统的管道检测技术不能得到很好的应用。在不影响管道正常运行的情况下进行安全性能检测尤为重要。
现有管道缺陷超声导波检测设备采用气囊加载，针对不同直径的管道需要设计不同尺寸的气囊，增加了系统成本；
同时，现有设备多通过接收轴对称回波进行损伤检测，而无法接收弯曲模态回波。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于压电换能原理的管道超声导波无损检测装置，采用干耦合的方式激励超声导波，实现对在营状态油气管道缺陷的无损检测。具有测点布置少，检测范围大，筛查效率高等优点。利用导波传播远，衰减小的特点实现对埋地管道，不可接近位置管道的快速检测。通过对接收信号进行分析，能够识别管道腐蚀类缺陷、焊缝、管道支撑、弯管等。通过基于状态的检测计划，可以为管道维护提供准确及时的建议。在实现在营管道的大范围筛查、提升检测效率以及降低将测成本方面具有极大优势。
另外，装置采用模块化的设计思想，能够高效激励多种频率、多种模态的检测信号，对多种直径、多种材质的管道具有广泛的适用性，装置通过干耦合的方式激励并接收管道缺陷的回波信号，极大地降低管道检测的成本。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段：
一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，包括多个超声导波激励与接收模块通过具有凹凸结构的连接件彼此铰接形成围绕待检测管道周向布置的阵列环；单个超声导波激励与接收模块包括：
连接件，在其一侧至少具有一个构成母部的第一凸耳，在其另一侧至少具有一个母部的第二凸耳，所述第一凸耳和第二凸耳之间铰接；
换能器模块，与所述连接件之间通过第一微调弹性预压组件连接；
敏感压电换能器单元，设置在所述换能器模块的底端，通过第二微调弹性预压组件与所述换能器模块连接；
通过调节所述第一微调弹性预压组件，以使所述换能器模块紧密固定于待检测管道；
通过调节所述第二微调弹性预压组件，以实现所述敏感压电换能器单元与待检测管道之间预压力的微调。
所述第一微调弹性预压组件包括：
微调螺栓；
所述连接件上设有供所述微调螺栓穿过的通孔，所述换能器模块外壳上设有与所述微调螺栓配合的螺纹孔；
微调弹簧，套接在所述微调螺栓外周且位于所述连接件和换能器模块外壳之间。
所述敏感压电换能器单元包括敏感压电换能器单元外壳、换能器单元上盖、敏感压电陶瓷、压电陶瓷绝缘护套、阻抗匹配层、背衬吸能层以及敏感压电换能器单元射频转接头，其中，所述敏感压电陶瓷与敏感压电换能器单元外壳之间设置所述压电陶瓷绝缘护套。
所述换能器模块外壳的内部沿待检测管道轴向均匀间隔设有多个用于安装所述敏感压电换能器单元的安装槽，每个安装槽内安装有一个所述敏感压电换能器单元；
所述第二微调弹性预压组件包括：
敏感压电换能器单元均压板，跨接设置在每两个所述敏感压电换能器单元的顶部之间，且与所述敏感压电换能器单元顶部固定连接；
预压弹簧套筒，其底端与所述敏感压电换能器单元均压板固定连接，上端开口设置；
预压弹簧，一端设置在所述预压弹簧套筒内，另一端通过所述预压弹簧套筒上端开口伸出与所述换能器模块外壳内壁抵接；
所述敏感压电换能器单元安装在所述安装槽内后底端外露所述敏感压电换能器单元设置；
压力微调螺丝，通过在所述换能器模块外壳底部开设的螺栓孔固定于换能器模块外壳底部；
所述换能器模块外壳中位于所述安装槽的上部设有限制敏感压电换能器单元上行程的限位凸起，通过调节所述压力微调螺丝以使所述敏感压电换能器单元在换能器模块外壳内具有沿管道径向的浮动行程，用于实现对敏感压电换能器单元的均匀预压力记载与对敏感压电陶瓷保护。
所述预压弹簧套筒在套筒底部开有凹槽以方便敏感压电换能器单元走线。
所述敏感压电陶瓷材质为PZT-5H；
所述阻抗匹配层材质为氧化铝陶瓷；
所述压电陶瓷绝缘护套材质为氧化铝陶瓷；
所述背衬吸能层材质为高纯度纳米钨粉与双组分DG301环氧树脂的1：1混合物，吸收敏感压电陶瓷由于正逆压电效应产生的振动在敏感压电换能器单元外壳中产生的共振，同时使敏感压电陶瓷激励或接受完信号后迅速停止振动，避免晶片谐振降低激励信号与回波信号的空间分辨率；
所述压电陶瓷绝缘护套基于与敏感压电陶瓷的阻抗匹配原理将敏感压电陶瓷背面的振动传递至所述背衬吸能层以实现敏感压电陶瓷单方向激励导波。
换能器模块外壳与管道接触位置设置有橡胶防滑垫。
敏感压电换能器单元外壳采用304不锈钢制造，内部喷涂有聚氨酯绝缘漆。
本发明进一步公开了一种基于所述基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置的工作方法，包括以下步骤：
S1、依据所需要激励的导波模态选择合适的敏感压电换能器单元数量与敏感压电陶瓷的类型及尺寸，依据所需激励的信号的特性选取合适类型的预压弹簧，依据所检测管道的直径确定所需超声导波激励与接收模块数量；
S2、将敏感压电换能器单元固定于敏感压电换能器单元均压板并组装换能器模块，将换能器模块固定于所述连接件形成超声导波激励与接收模块，通过具有凹凸结构的连接件彼此铰接形成围绕待检测管道-周向布置的阵列环装置；
S3、依据所需的激励信号的特性，通过调节压力微调螺丝设置合适的敏感压电换能器单元最大预压力值；
S4、调节微调螺栓联动调节微调弹簧，将换能器模块紧密贴合于待检测管道表面，调整换能器模块使敏感压电换能器单元与待检测管道之间耦合良好；
通过调节所述压力微调螺丝伸出距离，调节所述敏感压电换能器单元所受最大预压力限值并使所有敏感压电换能器单元处于均匀受力的悬浮状态进而保证全部敏感压电换能器单元具有一致的干耦合性能；
通过将多圈所述敏感压电换能器单元进行组合，以实现延迟单向激励与相控阵聚焦功能。
有益效果：
与现有技术相比，本发明提供了一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，具有以下有益效果：
第一.本设备通过三级自适应干耦合机制，实现了适应不同直径的管道，具有广泛的适用性，通过调整超声导波激励与接收模块可以适用于多种直径与材质的管道，通过更换敏感压电陶瓷类型及尺寸可以激励所需特定模态的导波，基于预压力与干耦合的激励方式进一步提升了超声导波激励的一致性并降低了管道超声导波的检测成本，具有良好的经济效益。
第二.本设备中，通过简单调整敏感压电换能器单元在安装槽中的安装方向，即可用于接收由非轴对称缺陷反射的弯曲模态，增强了设备对非轴对称缺陷的检测性能。
第三.装置采用模块化的设计思想，能够高效激励多种频率、多种模态的检测信号，对多种直径、多种材质的管道具有广泛的适用性，装置通过干耦合的方式激励并接收管道缺陷的回波信号，极大地降低管道检测的成本。
第四.本发明所述换能器模块外壳中位于所述安装槽的上部设有限制敏感压电换能器单元上行程的限位凸起，通过调节所述压力微调螺丝以使所述敏感压电换能器单元在换能器模块外壳内具有沿管道径向3mm的浮动行程，实现对敏感压电换能器单元的均匀预压力加载与对敏感压电陶瓷保护。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置的效果图；
图2为本发明提出的一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置的超声导波激励与接收模块轴测图1；
图3为本发明提出的一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置的超声导波激励与接收模块轴测图2；
图4为本发明提出的一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置的超声导波激励与接收模块轴测图1的剖面图；
图5为本发明提出的一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置的敏感压电换能器单元浮动预压干耦合机构示意图；
图6为本发明敏感压电换能器单元的结构示意图；
图7为换能器模块外壳与敏感压电换能器单元连接结构剖面示意图；
图8为换能器模块外壳底部与压力微调螺丝连接结构示意图；
图中：1、超声导波激励与接收模块；2、连接模块；3、换能器模块；4、敏感压电换能器单元；5、连接件；6、微调螺栓；7、连接螺栓；8、换能器模块外壳上盖；9、换能器模块外壳；10、换能器模块外壳后盖；11、换能器模块外壳下盖；12、橡胶防滑垫；13、换能器模块射频转接头；14、微调弹簧；15、压力微调螺丝；16、敏感压电换能器单元均压板；17、预压弹簧套筒；18、预压弹簧；19、换能器上盖固定螺丝；20、换能器后盖固定螺丝；21、预压弹簧套筒固定螺丝；22、敏感压电换能器单元固定孔；23、敏感压电换能器单元固定螺丝；24、敏感压电换能器单元外壳；25、换能器单元上盖；26、背衬吸能层；27、压电陶瓷绝缘护套；28、敏感压电陶瓷；29、阻抗匹配层；30、敏感压电换能器单元射频转接头；31、一字机米螺丝；32、敏感压电换能器单元连接孔。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
导波技术在管道损伤检测方面具有明显的优势。一方面导波能够实现对油气管道的大面积快速筛查，接收探头所接收到的信号包含了有关激励和接收两点间结构整体性的大量信息；另一方面，导波声场遍及整个壁厚，可以检测到构件的内部缺陷及表面缺陷；此外，可以检测到难以接近的地方，检测效率高且不需要完全移除包覆层，因此具有良好的应用前景。
本发明基于压电效应，通过敏感换能器与待测管道干耦合的方式激励并接收管道缺陷的导波回波信号。本发明的模块化设计思路使装置对多种直径、多种材质的管道有良好的适用性，相较于传统粘贴式导波检测技术极大地降低了检测成本。同时，可以依据实际检测所需的导波模态及检测模式灵活调整装置配置。
所述管道缺陷超声导波检测装置通过在无遮蔽管段的单一位置布置所述管道缺陷超声导波检测装置，可以实现对管道异构与缺陷的大范围筛查与分类，经过调制的信号由信号发生器产生，经由高压信号放大器放大并通过所述管道缺陷超声导波检测装置与管道的干耦合作用传输至待检测管道，缺陷或管道异构产生的回波信号由所述管道缺陷超声导波检测装置接收，通过分析回波信号对管道缺陷与异构进行筛查与分类
请参阅图1-8，一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，由多个超声导波激励与接收模块1组成，超声导波激励与接收模块1由连接模块2、换能器模块3及敏感压电换能器单元4组成。
连接模块2具有轴向刚性与周向柔性，多个连接件5、通过轴向连接螺栓7彼此啮合周向连接并延伸，微调螺栓6与微调弹簧14在管道径向将换能器模块3与连接件5连接为仅具有沿管道径向移动自由度的超声导波激励与接收模块1。
预压弹簧套筒17及敏感压电换能器单元4通过M1.6螺栓连接于敏感压电换能器单元均压板16，预压弹簧18放置于预压弹簧套筒17内，通过预压力顶紧换能器模块外壳上盖8，通过设置合理的压力微调螺丝15露出距离，当敏感压电换能器单元4干耦合接触待检测管道外壁时会发生一定程度的回缩，实现每个敏感压电换能器单元4承受均匀的预压力，同时保护敏感压电换能器单元4避免承受过大的压力而导致敏感压电陶瓷28的破坏；
敏感压电换能器单元4的信号线通过预压弹簧套筒17底部开设的线槽由换能器模块外壳后盖10处的换能器模块射频转接头13引出。
将由敏感压电换能器单元4、敏感压电换能器单元均压板16、预压弹簧套筒17以及放置于内的预压弹簧18组成的第二微调弹性预压组件放置于换能器模块外壳9中，并通过换能器上盖固定螺丝19、换能器后盖固定螺丝20及压力微调螺丝15分别固定换能器模块外壳上盖8、换能器模块外壳后盖10及换能器模块外壳下盖11；换能器模块外壳下盖11与管道接触位置设置有橡胶防滑垫12以进一步确保装置在待测管道上的良好固定。
敏感压电换能器单元4是装置的核心部分，基于压电效应实现导波信号的激励与接收；敏感压电换能器单元外壳24采用304不锈钢制造，内部喷涂有聚氨酯绝缘漆，具备良好的强度以保护敏感压电陶瓷28同时屏蔽外界干扰信号。
敏感压电陶瓷28与敏感压电换能器单元外壳24之间设置有压电陶瓷绝缘护套27；背衬吸能层26采用钨粉混合双组分DG301环氧树脂，吸收敏感压电陶瓷28由于正逆压电效应产生的振动在敏感压电换能器单元外壳24中产生的共振，同时使敏感压电陶瓷28激励或接受完信号后迅速停止振动，避免晶片谐振降低激励信号与回波信号的空间分辨率。
敏感压电换能器单元外壳24与换能器单元上盖25通过M1.6一字机米螺丝连接，换能器单元上盖25开有4个敏感压电换能器单元连接孔32用于将敏感压电换能器单元4通过敏感压电换能器单元固定螺丝23牢固固定于敏感压电换能器单元均压板16。
将组装完成的装置沿周向布置于待检测管道，调节微调螺丝6使换能器模块3紧贴于待检测管道外壁，使敏感压电换能器单元4与管外壁相切，并使连接件5保持张紧状态，检查阻抗匹配层与管道外壁的耦合状况。
采用导线将信号发生器与信号放大器连接，并将信号放大器连接于用于信号激励的敏感压电换能器单元4对应的换能器模块射频转接头13，将对应于用于信号接收的敏感压电换能器单元4的换能器模块射频转接头13与信号接收端连接，即完成了基于压电换能原理的管道超声导波检测系统的搭建。
所述安装槽为方形安装槽，通过调整敏感压电换能器单元在所述安装槽中的安装方向，以用于接收由非轴对称缺陷反射的弯曲模态，增强了设备对非轴对称缺陷的检测性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，包括多个超声导波激励与接收模块(1)通过具有凹凸结构的连接件彼此铰接形成围绕待检测管道周向布置的阵列环；单个超声导波激励与接收模块(1)包括：
连接件，在其一侧至少具有一个构成母部的第一凸耳，在其另一侧至少具有一个母部的第二凸耳，所述第一凸耳和第二凸耳之间铰接；
换能器模块，与所述连接件之间通过第一微调弹性预压组件连接；
敏感压电换能器单元，设置在所述换能器模块的底端，通过第二微调弹性预压组件与所述换能器模块连接；
通过调节所述第一微调弹性预压组件，以使所述换能器模块紧密固定于待检测管道；
通过调节所述第二微调弹性预压组件，以实现所述敏感压电换能器单元与待检测管道之间预压力的微调。
2.根据权利要求1所述的基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，所述第一微调弹性预压组件包括：
微调螺栓；
所述连接件上设有供所述微调螺栓穿过的通孔，所述换能器模块外壳上设有与所述微调螺栓配合的螺纹孔；
微调弹簧，套接在所述微调螺栓外周且位于所述连接件和换能器模块外壳之间。
3.根据权利要求1所述基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，所述敏感压电换能器单元(4)包括敏感压电换能器单元外壳(24)、换能器单元上盖(25)、敏感压电陶瓷(28)、压电陶瓷绝缘护套(27)、阻抗匹配层(29)、背衬吸能层(26)以及敏感压电换能器单元射频转接头(30)，其中，所述敏感压电陶瓷(28)与敏感压电换能器单元外壳(24)之间设置所述压电陶瓷绝缘护套(27)。
4.根据权利要求1所述的基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，
所述换能器模块外壳的内部沿待检测管道轴向均匀间隔设有多个用于安装所述敏感压电换能器单元的安装槽，每个安装槽内安装有一个所述敏感压电换能器单元；
所述第二微调弹性预压组件包括：
敏感压电换能器单元均压板(16)，跨接设置在每两个所述敏感压电换能器单元的顶部之间，且与所述敏感压电换能器单元顶部固定连接；
预压弹簧套筒，其底端与所述敏感压电换能器单元均压板(16)固定连接，上端开口设置；
预压弹簧，一端设置在所述预压弹簧套筒内，另一端通过所述预压弹簧套筒上端开口伸出与所述换能器模块外壳内壁抵接；
所述敏感压电换能器单元安装在所述安装槽内后底端外露所述敏感压电换能器单元设置；
压力微调螺丝，通过在所述换能器模块外壳底部开设的螺栓孔固定于换能器模块外壳底部；
所述换能器模块外壳(9)中位于所述安装槽的上部设有限制敏感压电换能器单元上行程的限位凸起，通过调节所述压力微调螺丝以使所述敏感压电换能器单元在换能器模块外壳(9)内具有沿管道径向的浮动行程，用于实现对敏感压电换能器单元(4)的均匀预压力记载与对敏感压电陶瓷(28)保护。
5.根据权利要求1所述基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，所述预压弹簧套筒(17)在套筒底部开有凹槽以方便敏感压电换能器单元(4)走线。
6.根据权利要求4所述基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，
所述敏感压电陶瓷(28)材质为PZT-5H；
阻抗匹配层(29)材质为氧化铝陶瓷；
压电陶瓷绝缘护套(27)材质为氧化铝陶瓷；
背衬吸能层(26)材质为高纯度纳米钨粉与双组分DG301环氧树脂的1：1混合物，吸收敏感压电陶瓷(28)由于正逆压电效应产生的振动在敏感压电换能器单元外壳(24)中产生的共振，同时使敏感压电陶瓷(28)激励或接受完信号后迅速停止振动，避免晶片谐振降低激励信号与回波信号的空间分辨率；
所述压电陶瓷绝缘护套基于与敏感压电陶瓷的阻抗匹配原理将敏感压电陶瓷背面的振动传递至所述背衬吸能层以实现敏感压电陶瓷单方向激励导波。
7.根据权利要求2所述基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，换能器模块外壳与管道接触位置设置有橡胶防滑垫。
8.根据权利要求2所述基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，敏感压电换能器单元外壳采用304不锈钢制造，内部喷涂有聚氨酯绝缘漆。
9.根据权利要求4所述基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置，其特征在于，所述安装槽为方形安装槽，通过调整敏感压电换能器单元在所述安装槽中的安装方向，以用于接收由非轴对称缺陷反射的弯曲模态。
10.一种基于权利要求1～9中任一所述基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、依据所需要激励的导波模态选择合适的敏感压电换能器单元(4)数量与敏感压电陶瓷(28)的类型及尺寸，依据所需激励的信号的特性选取合适类型的预压弹簧(18)，依据所检测管道的直径确定所需超声导波激励与接收模块(1)数量；
S2、将敏感压电换能器单元(4)固定于敏感压电换能器单元均压板(16)并组装换能器模块(3)，将换能器模块(3)固定于所述连接件(2)形成超声导波激励与接收模块(1)，通过具有凹凸结构的连接件彼此铰接形成围绕待检测管道-周向布置的阵列环装置；
S3、依据所需的激励信号的特性，通过调节压力微调螺丝(15)设置合适的敏感压电换能器单元(4)最大预压力值；
S4、调节微调螺栓(6)联动调节微调弹簧(14)，将换能器模块(3)紧密贴合于待检测管道表面，调整换能器模块(3)使敏感压电换能器单元(4)与待检测管道之间耦合良好；
通过调节所述压力微调螺丝(15)伸出距离，调节所述敏感压电换能器单元(4)所受最大预压力限值并使所有敏感压电换能器单元(4)处于均匀受力的悬浮状态进而保证全部敏感压电换能器单元(4)具有一致的干耦合性能；
通过将多圈所述敏感压电换能器单元(4)进行组合，以实现延迟单向激励与相控阵聚焦功能。
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| CN202310507162.3A CN116609436A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 基于压电换能原理的管道缺陷超声导波检测装置及检测方法 |
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2023
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