CN117761165B - 一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气管道裂纹检测技术领域，尤其涉及一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法。本发明提供了一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，该管道裂纹定位方法实现了对管道裂纹的准确定位，为管道系统的裂纹检测评估提供了强有力的技术支持。该管道裂纹定位方法具体包括有如下步骤：求取导波信号的扭转模态分量和一阶弯曲模态分量；求取得到包络信号；求取得到直达波峰值时刻和缺陷回波峰值时刻；计算得到管道裂纹的轴向位置；绘制极坐标图，观察缺陷回波的周向分布情况；根据缺陷回波的周向分布情况，确定管道裂纹中心的周向位置的步骤。

Description

一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法

技术领域

本发明属于油气管道裂纹检测技术领域，尤其涉及一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法。

背景技术

油气管道系统作为输送石油、天然气的管道设备，具有着长距离运输、24小时不间断连续性运输、环保节能、便于维护、经济便捷等诸多特点，因而在油田井场的各类液体和气体（如污水、泥浆、石油、天然气等）输送场合中得到了广泛的应用。然而发明人发现，受复杂恶劣工况以及内外介质侵蚀的影响，现有管道在长期服役后容易出现裂纹以及老化腐蚀等问题，严重影响管道系统的正常使用。因此，需要技术人员及时对管道裂纹进行定位检测，从而对发现的缺陷进行适应性评估检修。

其中，作为一种新兴的无损管道裂纹定位技术，电磁超声检测技术利用电磁超声波在管道管壁上产生纵波、扭转波以及弯曲波，通过检测超声导波的转变情况，实现对管道裂纹的定位检测。但现有电磁超声检测管道裂纹定位技术还不够成熟，对于大输气量以及间隔较长管道的裂纹定位结果还不够精准；且在实际应用中受环境噪声等因素的影响，裂纹定位检测容易出现误判。因此，有必要提供一种解决方案以实现对管道裂纹的精准定位。

发明内容

本发明提供了一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，该管道裂纹定位方法实现了对管道裂纹的准确定位，为管道系统的裂纹检测评估提供了强有力的技术支持。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，包括有如下步骤：

根据导波模态分解接收信号，得到导波信号的扭转模态分量T(t)和一阶弯曲模态分量F(t)；分别对扭转模态分量T(t)、一阶弯曲模态分量F(t)取希尔伯特变换，得到包络信号；

对包络信号进行峰值分析，分别得到直达波峰值时刻t ₀和缺陷回波峰值时刻t ₁；

根据扭转导波在管道内的传播速度C _p ，计算得到管道裂纹的轴向位置，满足：

；

提取缺陷回波峰值时刻t ₁下各路导波信号的幅值，绘制极坐标图，观察缺陷回波的周向分布情况；

若缺陷回波的周向分布呈对称分布，则周向分布中偏离平均信号最大的异常值对应角度θ ₀ 即为管道裂纹中心的周向位置。

进一步优选的，若缺陷回波的周向分布呈不对称分布，则提取信号中偏离平均信号最大的异常点以及其两侧的点；

按照幅值从大至小的顺序，将上述三个点分别标记为点a、b、c；点a、b、c对应幅值分别为y _a 、y _b 、y _c ，对应角度为θ _a 、θ _b 、θ _c ，则线段ac的解析表达式可以表示为：

；

在线段ac上作点b的对称点e，记点e的幅值与点b一致，即满足：

；代入解得点e对应角度θ _e ；

则管道裂纹中心的周向位置为点b和点e的对称中心，满足：

。

进一步优选的，所述根据导波模态分解接收信号，得到导波信号的扭转模态分量T(t)和一阶弯曲模态分量F(t)的过程可以具体描述为：

将在管道表面激励出沿管道轴向传播的扭转导波的电磁超声换能器记作S ₁；将放置在电磁超声换能器S ₁一端、用于接收导波信号的n阵列电磁超声换能器记作S ₂；其中，n阵列电磁超声换能器S ₂沿管道周向均匀排布；

将电磁超声换能器S ₁与n阵列电磁超声换能器S ₂之间的距离记作D；n阵列电磁超声换能器S ₂接收的各路导波信号记作；其中，/>为n阵列电磁超声换能器S ₂在管道周向的分布角度；

扭转导波的模态分量T(t)由n阵列电磁超声换能器S ₂接收的各路导波信号叠加得到，满足：

；

一阶弯曲模态分量F(t)是通过将n阵列电磁超声换能器S ₂接收的各路导波信号在频域上延迟相位后，在时域上进行信号叠加得到，满足：

；

其中，e为自然对数的底，i为虚数单位，ω为导波信号的角频率。

本发明提供了一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，具体的，该管道裂纹定位方法具体包括有如下步骤：求取导波信号的扭转模态分量和一阶弯曲模态分量；求取得到包络信号；求取得到直达波峰值时刻和缺陷回波峰值时刻；计算得到管道裂纹的轴向位置；绘制极坐标图，观察缺陷回波的周向分布情况；根据缺陷回波的周向分布情况，确定管道裂纹中心的周向位置的步骤。具有上述步骤特征的基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，其相比于现有技术的管道裂纹定位方法，能够有效克服高频噪声背景及混叠信号所导致的缺陷回波特征分析判别困难的问题，简化了接收信号的分析难度，提高了管道裂纹的识别率和检测精度，实现了管道裂纹轴向与周向的精准定位。

附图说明

该附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在下述附图中：

图1为本发明提供的一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法的流程示意图；

图2为本发明提供的电磁超声扭转导波换能器的结构示意图；

图3为验证检测实施例中6路接收信号的波形示意图；

图4为验证检测实施例中扭转模态分量信号的波形图；

图5为验证检测实施例中一阶弯曲模态分量信号的波形图；

图6为验证检测实施例中扭转模态分量包络信号波形图；

图7为验证检测实施例中一阶弯曲模态分量包络信号波形图；

图8为验证检测实施例中缺陷回波峰值时刻下接收信号周向分布图；

图9为短距离检测实施例中信号混叠时6路接收信号波形图；

图10为短距离检测实施例中信号混叠时扭转模态分量包络信号波形图；

图11为短距离检测实施例中信号混叠时一阶弯曲模态分量包络信号波形图。

附图标记：

1、永磁体；2、跑道线圈；3、待测量管道。

具体实施方式

本发明提供了一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，该管道裂纹定位方法实现了对管道裂纹的准确定位，为管道系统的裂纹检测评估提供了强有力的技术支持。

具体的，本发明提供了一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，如图1所示，其包括有如下步骤：

根据导波模态分解接收信号，得到导波信号的扭转模态分量T(t)和一阶弯曲模态分量F(t)；

分别对扭转模态分量T(t)、一阶弯曲模态分量F(t)取希尔伯特变换，得到包络信号；

对包络信号进行峰值分析，分别得到直达波峰值时刻t ₀和缺陷回波峰值时刻t ₁；

根据扭转导波在管道内的传播速度C _p ，计算得到管道裂纹的轴向位置，满足：

；

提取缺陷回波峰值时刻t ₁下各路导波信号的幅值，绘制极坐标图，观察缺陷回波的周向分布情况；

若缺陷回波的周向分布呈对称分布，则周向分布中偏离平均信号最大的异常值对应角度即为管道裂纹中心的周向位置。

若缺陷回波的周向分布呈不对称分布，则提取信号中偏离平均信号最大的异常点以及其两侧的点；

按照幅值从大至小的顺序，将上述三个点分别标记为点a、b、c；点a、b、c对应幅值分别为y _a 、y _b 、y _c ，对应角度为θ _a 、θ _b 、θ _c ，则线段ac的解析表达式可以表示为：

；

在线段ac上作点b的对称点e，记点e的幅值与点b一致，即满足：

；代入解得点e对应角度θ _e ；

则管道裂纹中心的周向位置为点b和点e的对称中心，满足：

。

为了便于本领域技术人员理解本发明，下面进一步结合具体实施例对上述基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法做如下解释说明：

为完成对本发明提供的基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法的解释说明，首先，在此提供一种电磁超声扭转导波换能器的具体结构，并以此结构的电磁超声扭转导波换能器实施的管道裂纹定位过程作为参考。如图2所示，该电磁超声扭转导波换能器，包括永磁体1、跑道线圈2和待测量管道3。进一步确定待测量管道3，具体的，待测量管道3选择使用20#钢的无缝工业用钢管，外径为86mm、壁厚为10mm，待测量管道3上加工有一长度为30mm、宽度为2mm、深度为4mm的周向裂纹，裂纹距离接收换能器70mm，裂纹中心的周向角度为180°。

需要补充的是，永磁体1长度选择为15mm、宽度选择为20mm、选择高度为20mm，永磁体1周期性交替排布，提供周期性的径向偏置磁场。跑道线圈2选择由线径0.2mm的漆包铜线绕制而成，匝数为100匝，用于与永磁体1尺寸相匹配，其直导线段长度为30mm。线圈内加载电流信号，在待测量管道3表面感应出与线圈电流方向相反的同频涡流，感应涡流在径向偏置磁场的作用下在待测量管道3内部产生高频的洛伦兹力，从而带动待测量管道3质点的剪切振动形成扭转导波。

而依托于上述结构的电磁超声扭转导波换能器，具体管道裂纹定位的验证检测过程可参考描述为：

首先，通过上述实施例提供的具体结构六阵列电磁超声扭转导波换能器获取管道内6路导波信号。如图3所示，换能器阵列数/>，换能器周向分布角度/>分别为60°、120°、180°、240°、300°、360°。可以发现，此时的导波信号中缺陷回波几乎被噪声湮没，非常不易直接从接收信号中区分缺陷回波，无法直接进行裂纹的识别和轴向定位。

因此，选择进一步对导波信号进行分解，得到扭转模态分量T(t)和一阶弯曲模态分量F(t)。具体的，将导波信号/>代入公式/>；即得到叠加的扭转导波的模态分量T(t)，该扭转模态分量如图4所示。而后，选择将导波信号/>和选取的角频率/>代入公式/>中，即延时叠加得到一阶弯曲模态分量F(t)，该一阶弯曲模态分量如图5所示。

可以发现，此时扭转模态分量T(t)中只能得到直达波波包，缺陷信号仍被高频噪声掩盖，不能准确找到缺陷信号特征；而一阶弯曲模态分量F(t)中，缺陷信号的强度明显高于其他区域，能有效地提取缺陷特征，实现缺陷信号的判定。因此，通过导波信号分解得到扭转模态分量T(t)和一阶弯曲模态分量F(t)，即可有效的增强管道缺陷轴向定位的精确度。

进一步的，分别对扭转模态分量T(t)和一阶弯曲模态分量F(t)取希尔伯特变换，得到包络信号，分别可参考如图6和图7所示。

具体的，对包络信号进行峰值分析，由扭转模态分量确定直达波峰值时刻t ₀=51.6μs，由一阶弯曲模态分量确定缺陷回波峰值时刻t ₁=98.2μs。

进一步，根据扭转导波在管道内的（理论）传播速度C _p =3160m/s，计算得到管道裂纹的轴向位置。其中，计算公式为：

，因此计算得到管道裂纹的轴向位置距离接收换能器为73.63mm。验算后可以发现，该计算结果与实际距离之间的误差仅为5.18%，表明该方法可以有效地削弱高频噪声对接收信号的影响，实现管道缺陷轴向准确定位。

进一步，提取缺陷回波峰值对应时刻t ₁=98.2μs时，6路接收信号的幅值。按照对应角度绘制得到极坐标图，如图8所示。其中，该极坐标图可以直观表示裂纹在管道上的周向分布情况。

观察缺陷回波周向分布情况，可以发现缺陷回波的周向分布并不对称，且180°、120°、240°对应角度换能器的接收信号幅值远高于平均信号。因此，将其对应的点标记为点a、b、c，点a、b、c对应幅值、/>、/>，对应角度为、/>、/>，求得线段ac的解析表达式为/>，线段ac上作点b的对称点e，令/>；计算得到点e对应角度为232.6°，则裂纹中心的周向角度为/>。该裂纹中心的周向角度结果与实际周向结果之间误差约为2.05%，同样表明该方法可以实现裂纹的周向定位。

此外，为进一步验证本发明提供的管道裂纹定位方法在短距离检测中的同样可行，选择将裂纹与接收换能器的距离缩短至20mm，获取管道内6路接收信号再次进行检测。参考如图9所示，可以发现此时缺陷回波和直达波发生了波包混叠，同样无法以现有裂纹定位技术实现对管道裂纹的识别和轴向定位。而此时，基于本发明提供的管道裂纹定位方法提供的步骤，同样可以计算得到扭转模态分量和一阶弯曲模态分量并进行希尔伯特变换得到包络信号，如图10和图11所示。此时，从包络信号中得到直达波峰值对应时刻t ₀=68.4μs和缺陷回波峰值对应时刻t ₁=82.2μs，由此求得裂纹缺陷位置距离接收换能器为21.8mm，其与实际距离20mm之间的误差约为9%。同样表明该方法对于短距离裂纹检测能够将缺陷回波从混叠信号分离，实现在波包发生混叠时的裂纹识别和定位。

至此，即证明了本发明提供的一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法其可以有效的实现对管道裂纹定位的计算及推导。

本发明提供了一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，具体的，该管道裂纹定位方法具体包括有如下步骤：求取导波信号的扭转模态分量和一阶弯曲模态分量；求取得到包络信号；求取得到直达波峰值时刻和缺陷回波峰值时刻；计算得到管道裂纹的轴向位置；绘制极坐标图，观察缺陷回波的周向分布情况；根据缺陷回波的周向分布情况，确定管道裂纹中心的周向位置的步骤。具有上述步骤特征的基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，其相比于现有技术的管道裂纹定位方法，能够有效克服高频噪声背景及混叠信号所导致的缺陷回波特征分析判别困难的问题，简化了接收信号的分析难度，提高了管道裂纹的识别率和检测精度，实现了管道裂纹轴向与周向的精准定位。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，其特征在于，包括有如下步骤：

根据导波模态分解接收信号，得到导波信号的扭转模态分量T(t)和一阶弯曲模态分量F(t)；

分别对扭转模态分量T(t)、一阶弯曲模态分量F(t)取希尔伯特变换，得到包络信号；

对包络信号进行峰值分析，分别得到直达波峰值时刻t ₀和缺陷回波峰值时刻t ₁；

根据扭转导波在管道内的传播速度C _p ，计算得到管道裂纹的轴向位置，满足：

；

提取缺陷回波峰值时刻t ₁下各路导波信号的幅值，绘制极坐标图，观察缺陷回波的周向分布情况；

若缺陷回波的周向分布呈对称分布，则周向分布中偏离平均信号最大的异常值对应角度即为管道裂纹中心的周向位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，其特征在于，若缺陷回波的周向分布呈不对称分布，则提取信号中偏离平均信号最大的异常点以及其两侧的点；

按照幅值从大至小的顺序，将上述三个点分别标记为点a、b、c；点a、b、c对应幅值分别为y _a 、y _b 、y _c ，对应角度为θ _a 、θ _b 、θ _c ，则线段ac的解析表达式可以表示为：

；

在线段ac上作点b的对称点e，记点e的幅值与点b一致，即满足：

；代入解得点e对应角度θ _e ；

则管道裂纹中心的周向位置为点b和点e的对称中心，满足：

。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声阵列扭转导波的管道裂纹定位方法，其特征在于，所述根据导波模态分解接收信号，得到导波信号的扭转模态分量T(t)和一阶弯曲模态分量F(t)的过程可以具体描述为：

将在管道表面激励出沿管道轴向传播的扭转导波的电磁超声换能器记作S ₁；将放置在电磁超声换能器S ₁一端、用于接收导波信号的n阵列电磁超声换能器记作S ₂；其中，n阵列电磁超声换能器S ₂沿管道周向均匀排布；

将电磁超声换能器S ₁与n阵列电磁超声换能器S ₂之间的距离记作D；n阵列电磁超声换能器S ₂接收的各路导波信号记作；其中，/>为n阵列电磁超声换能器S ₂在管道周向的分布角度；

扭转导波的模态分量T(t)由n阵列电磁超声换能器S ₂接收的各路导波信号叠加得到，满足：

；

一阶弯曲模态分量F(t)是通过将n阵列电磁超声换能器S ₂接收的各路导波信号在频域上延迟相位后，在时域上进行信号叠加得到，满足：

；

其中，e为自然对数的底，i为虚数单位，ω为导波信号的角频率。