CN202159039U

CN202159039U - 石油储罐底板超声导波检测系统

Info

Publication number: CN202159039U
Application number: CN2011201536605U
Authority: CN
Inventors: 王维斌; 冯展军; 陈健峰; 艾慕阳; 佟文强; 刘广文; 赵丑民; 王禹钦; 刘哲; 蒋先尧
Original assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2021-05-13

Abstract

本实用新型是一种大型平板类构件或石油储罐底板超声导波检测系统。它包括超声导波传感器阵列、多通道超声电子系统以及硬件部分的检测数据的处理和声成像系统三部分。所述多通道超声电子系统由激励部分和接收部分组成；所述检测数据的处理和声成像系统由检测参数设置模块、数据采集和拼接模块、数据处理和声成像模块三部分组成；超声导波传感器阵列输出接多通道超声电子系统的接收部分，接收部分的输出接数组采集和拼接模块，数组采集和拼接模块输出接数据处理和声成像模块；检测参数设置模块输出接多通道超声电子系统的激励部分，激励部分的输出接超声导波传感器阵列。本实用新型激发能量大、检测距离长、精度和定位准确。

Description

石油储罐底板超声导波检测系统

技术领域

本实用新型是一种大型平板类构件或石油储罐底板超声导波检测系统，涉及超声波的测量和管道系统技术领域。

背景技术

石油储罐作为国家石油战略储备的重要设备，其作用对战略目标实现有着重要意义。随着我国石油战略储备计划的实施，大型石油储罐的容量和数量将进一步增加。

大型石油储罐长年在自然环境和液位变化条件下运行，受到多种不利因素影响，不可避免地受到各种损伤。特别是环境中的化学腐蚀和电化学腐蚀所引发的腐蚀穿孔、裂纹扩展以及破裂等，造成介质泄漏，引起严重灾害和环境污染，给国家财产造成巨大损失。根据有关调查资料，在油罐腐蚀中，底板腐蚀占80％。因此，储罐底板的腐蚀情况已成为评价整个储罐使用寿命的依据。世界各国均以法律的形式要求必须对储罐进行定期的检查，而检查的重点就是储罐的底板。

然而，常规的储罐罐底检测方法均要停止油罐收发作业和清罐、除锈、甚至拆保温等工序，其油品损失和施工措施费用很高，并且耗时长、效率低。因此，研发一种能够对储罐底板实现在役检测的低损耗无损检测方法，已经成为石化行业无损检测研究的热点之一。

CN101762635A公开了一种油罐底板超声导波检测方法。CN101666783A公开了一种用于油罐罐底板超声导波检测方法。《无损检测》第32卷第11期公开了一种储罐底板缺陷的相控阵超声导波的图像重建方法。这些方法虽然对储罐底板缺陷的检测有一定效果，但检测距离不长，精度和定位准确度都有限。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种激发能量大、检测距离长、精度和定位准确的石油储罐底板超声导波检测系统。

针对上述实际检测需要，根据储罐底板的形状特征，即典型的薄板结构，本实用新型利用超声导波对储罐底板进行检测，即在储罐底板的不同位置，安装超声传感器，使超声导波聚焦于储罐底板的各个位置。图2-图6给出了各种超声传感器的安装位置和聚焦的示意图。

本实用新型的石油储罐底板超声导波检测系统(见图1)的组成包括三部分：超声导波传感器阵列、多通道超声电子系统以及硬件部分的检测数据的处理和声成像系统。

所述多通道超声电子系统由激励部分和接收部分组成；所述检测数据的处理和声成像系统由检测参数设置模块、数据采集和拼接模块、数据处理和声成像模块三部分组成。

超声导波传感器阵列输出接多通道超声电子系统的接收部分，接收部分的输出接数组采集和拼接模块，数组采集和拼接模块输出接数据处理和声成像模块；检测参数设置模块输出接多通道超声电子系统的激励部分，激励部分的输出接超声导波传感器阵列。

所述超声导波传感器阵列的布置：检测传感器采用粘接的方式布置于储罐底板的边缘板处，如图2所示，粘接前需对粘接表面做简单处理，以保证传感器与边缘板的紧密接触；

根据被检底板的直径、衰减、缺陷特征等参数，选择合适的传感器分组(每组的传感器数，以及该组传感器用于发射、接收、或者自发自收等)和检测位置，在保证检测灵敏度的前提下，实现最大的检测范围；根据被检储罐底板的不同直径和衰减情况，可以选择下述四种检测方式：

图3所示，对于较小直径的储罐底板，将若干个/组传感器均布在边缘板的圆周上，每个传感器依次发射，所有传感器接收；

图4所示为所有传感器布置在底板的一侧，根据检测深度不同，按照不同的激励规则，形成不同深度的焦点；接收检测信号时则根据需要，选择某几个位置的传感器进行综合孔径接收，或使用全部传感器进行接收；

图5所示为过直径的透射式检测，对于直径较大，或衰减较严重的储罐底板，采用此方式；将所有传感器分为两组，分别用作相控发射和相控接收，在圆周上依次进行180°扫描，实现对底板内部缺陷的检测；

对于直径很大，衰减严重的储罐底板，采用图6的方式进行检测；在保证检测灵敏度的前提下，将传感器分为两组，按一定角度布置在圆周上，这两组传感器的公共覆盖范围即为有效检测区域；通过将被检底板划分为不同区域，则依次完成各区域的检测；对于在当前灵敏度下无法检测的部分，则需要切换较低频率的传感器，牺牲检测灵敏度以换取更大的检测范围；

所述多通道超声电子系统为：

为便于扩展和降低成本，多通道超声电子系统由16个模拟通道和4个数字通道组成，各通道间的工作参数和时序由软件部分来控制；由于各模拟通道和数字通道的相互之间的独立性，该检测系统较为方便的扩展到更多通道，而控制软件基本不需要修改；

所述检测数据的处理和声成像系统为：

由于本检测系统对超声波检测信号采用全波列采集的信号存储方式，保存了可获得的最原始的射频信号；因此在后处理软件中对检测信号采用多种处理方式；使用的信号处理方法包括：各种滤波、差值、抽取、自相关和互相关、功率谱分析、小波变换、傅里叶分析、短时傅里叶分析等；采用的声成像方式包括：B扫描成像、C扫描成像、P扫描成像等；

其中：

本发明的石油储罐底板超声导波检测系统中的多通道超声电子系统以及检测数据的处理和声成像系统的电原理如图7所示；有主控软件控制的上位机通过网络接口与下位机控制核心CPU连接，有矩阵健盘输入、液晶显示输出、储存单元及电源单元供电的CPU总线接口与多个四通道超声信号卡连接；

上位机通过网络接口与下位机控制核心(CPU(ARM9))通信，写入由主控软件设定的各项检测参数；CPU(ARM9)根据检测参数控制各超声信号卡工作，按照时序激励和接收超声，同时对接收到的超声信号进行缓存，并在上位机允许中断时，传输给上位机，由主控软件进行进一步的分析；

四通道超声信号卡为该系统硬件的重要组成部分，其电原理如图8所示；与CPU总线接口连接的FPGA(EP2C8Q)输出接高压模块，高压模块输出接多个发射单元；多个接收单元输出接4选1通道选择器，4选1通道选择器输出依次串接程控放大器、信号滤波器、A/D转换器，A/D转换器输出接FPGA，程控放大器、信号滤波器也有输出接FPGA；

该四通道超声信号卡的控制核心为FPGA，并通过CPU总线与下位机控制核心ARM通信。FPGA从总线上读入各项检测参数后，控制高压模块和通道选择器，按照时序对各通道发射单元进行激励，并采集相应通道的信号；在设定的时域长度内，超声信号卡按照预定参数对信号进行程控放大，滤波，最后进行A/D转换，转换为数字信号的超声检测信号通过FPGA传输给下位机控制核心CPU(ARM)。

本检测系统针对石油储罐的底板检测需求而研制，但也可应用于其他大型板类构件的超声无损检测。

本实用新型适用于储罐底板缺陷的检测，激发能量更大(400W)、检测距离更长(大于3米)、精度和定位更准确(小于10厘米)，可为储罐底板缺陷检测提供更快更经济的方式。

附图说明

图1石油储罐底板超声导波检测系统原理框图

图2传感器阵列布置示意

图3小直径底板的检测方法示意图

图4针对不同位置的聚焦图

图5过中心的聚焦发射和接收示意图

图6某靶点的偏转聚焦发射和接收示意图

图7检测系统电路原理图

图8四通道超声信号卡电路原理图

图9被检试件成像区域示意图

图10检测成像结果图

具体实施方式

实施例.以本例来说明本实用新型的具体实施方式并对本实用新型作进一步的说明。本例是一实验样机，其构成如图1所示，由超声导波传感器阵列、多通道超声电子系统以及硬件部分的检测数据的处理和声成像系统组成。

本例的多通道超声电子系统以及检测数据的处理和声成像系统的电原理如图7所示；有主控软件控制的上位机通过网络接口与下位机控制核心CPU连接，有矩阵健盘输入、液晶显示输出、储存单元及电源单元供电的CPU总线接口与多个四通道超声信号卡连接；

其中：

上位机选；

上位机选A-790可扩展军用加固笔记本；

FPGA选EP2C8Q；

高压模块选500V ACDC模块；

发射单元选 IRF840s；

接收单元选 RLC传感器阻抗匹配网络；

4选1通道选择器选 74HC4051；

程控放大器选 AD603；

信号滤波器选无源二级π形网络；

A/D转换器选 AD9215。

本例在一5万立方米的原油储罐的底板作试验。被检试件成像区域示意图如图9所示。图10所示为对本系统的检测信号应用数字聚焦反演成像算法进行声成像处理的结果。

实验所使用的探头阵列由10个超声导波传感器组成，布置采用图4的方式。检测试件的材料与石油储罐边缘板的材料相同，厚度为10mm。在距探头前沿2500mm处加工有如下人工缺陷，如图2所示：1，直径5mm的通孔；2，尺寸为30mm×4mm×2.5mm的刻槽，2.5mm为槽深；3，直径10mm的通孔；4，直径20mm的通孔。四个人工缺陷间的水平间距如下：1和2之间相差100mm；2和3之间相差100mm；3和4之间相差200mm，缺陷3与传感器阵列前沿距离为2500mm。

应用数字聚焦反演成像算法得出的声成像结果如图3所示，各人工缺陷的声成像结果以对应的数字标出。成像结果正确反映了各个人工缺陷间的相对位置关系，但是成像的横向分辨率尚有待改善。通过修正成像算法，或者选用其他更合适的成像算法，则可以有效的改善成像结果。

Claims

1.一种石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是它包括超声导波传感器阵列、多通道超声电子系统以及硬件部分的检测数据的处理和声成像系统三部分；所述多通道超声电子系统由激励部分和接收部分组成；所述检测数据的处理和声成像系统由检测参数设置模块、数据采集和拼接模块、数据处理和声成像模块三部分组成；

2.根据权利要求1所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所述超声导波传感器阵列的布置：检测传感器采用粘接的方式布置于储罐底板的边缘板处，粘接前需对粘接表面做简单处理，传感器与边缘板的紧密接触。

3.根据权利要求1所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所述多通道超声电子系统由16个模拟通道和4个数字通道组成，各通道间的工作参数和时序由软件部分来控制。

4.根据权利要求1所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是油储罐底板超声导波检测系统中的多通道超声电子系统以及检测数据的处理和声成像系统的电原理为：有主控软件控制的上位机通过网络接口与下位机控制核心CPU连接，有矩阵健盘输入、液晶显示输出、储存单元及电源单元供电的CPU总线接口与多个四通道超声信号卡连接；上位机通过网络接口与下位机控制核心CPU通信，写入由主控软件设定的各项检测参数。

5.根据权利要求1或2所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是对于较小直径的储罐底板，将若干个/组传感器均布在边缘板的圆周上，每个传感器依次发射，所有传感器接收。

6.根据权利要求1或2所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所有传感器布置在底板的一侧。

7.根据权利要求4所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所述四通道超声信号卡为：与CPU总线接口连接的FPGA输出接高压模块，高压模块输出接多个发射单元；多个接收单元输出接4选1通道选择器，4选1通道选择器输出依次串接程控放大器、信号滤波器、A/D转换器，A/D转换器输出接FPGA，程控放大器、信号滤波器也有输出接FPGA。