CN204269596U - 用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测装置，包括管眼传感器、高频信号收发处理器、短路器和频谱分析仪器；所述管眼传感器包括转换器和探头。本实用新型可方便快速地确定管道减薄量，有效地确定腐蚀程度的大小。

Description

用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测装置

技术领域

本实用新型涉及无损检测领域，具体涉及用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测装置，适用于管线管道在役检查，以测评管道内壁腐蚀程度，了解和监测其腐蚀减薄的量值，以便在线监测控制了解管线管道服役情况或腐蚀程度、及时更换等。

背景技术

目前，用于石油化工管线的腐蚀测量仪，主要是采用漏磁方法和超声法，它们都因探头不同而各具特点。基于脉冲漏磁以及超声导波检测的管道内腐蚀缺陷，因其原理决定不能快速测量。有的油田处理厂近年曾连续发生两起因管道焊缝腐蚀导致的泄漏。运用超声检测发现管道焊缝腐蚀，是管道在役检测急需解决的问题。超声检测对缺陷定性主要依赖于检测人员的经验及技术水平，是通过超声检测回波在焊缝上的水平和深度位置、回波的波高、波形等特点来判断。检查时间实在太长。超声导波是沿着管道径向缠上一圈磁致伸缩元件，形成传感器环，此元件的特点是在其两端加高压时伸缩，而受到压力时也产生电压，这样在元件两侧施加高频宽带窄脉冲电压，使磁致伸缩元件产生高频振动，沿着管路的轴向发出超声扭转波，纵波或横波，超声波如遇到裂纹，焊缝缺陷及壁厚加大减小都会影响超声波的特征，通过测量反射波的频率变化，干涉波形变化，衰减变化等监测腐蚀，不太适合于石化装置，测量距离是沿传感器双向的，理想状态测30米左右，比较适合于埋地管道等人为不容易到达的地方，受管路上焊件，装夹件、弯头等影响较大，信号衰减很大，实际很难测到30米。而漏磁方法分辨率受到的影响比较严重，依靠仪器补偿。这样，只有在同介质环境条件下，标定后才能保证仪器的指标，这对变幻莫测和很难预料的环境，是很难进行仪器刻度的，这样的仪器现场使用无法保证结果的正确性，且套管、工具等对电磁场影响很大，精度不高，实际很难使用。上述的方法只有漏磁法在忽略了金属本身对电磁场的影响，在油气田中有选择的使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测装置，其可方便快速地确定管道减薄量，有效地确定腐蚀程度的大小。

为实现上述目的，本实用新型提供一种用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测装置，包括管眼传感器、高频信号收发处理器、短路器和频谱分析仪器；所述管眼传感器包括转换器和探头；

所述探头与被测管道一端管口对接，被测管道另一端管口接短路器；

所述高频信号收发处理器与转换器连接，所述高频信号收发处理器输出导行波扫频信号；

所述转换器与探头连接，所述转换器将导行波扫频信号转换后通过探头向被测管道内发射导行波信号；

所述转换器还与频谱分析仪器连接，所述转换器将被测管束返回的导行波信号传输到频谱分析仪；

所述频谱分析仪显示出接收的导行波信号的频域谐振频幅响应曲线。

本实用新型还提供一种用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测方法，根据谐振腔体模型的原理，将被测管道当作圆柱同轴谐振腔进行腐蚀减薄量检测；测定电磁导行波在被测管道中的谐振频率，然后根据谐振频率与同轴谐振腔轴向尺寸的线性关系，通过频谱分析仪显示的谐振曲线族测定管道内壁腐蚀减薄的量值。

优选的，上述用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测方法，包括如下步骤：

将与被测管道管口口径相匹配的传感器探头插入被测管道管口；

高频信号收发处理器输出导行波扫频信号，经转换器转换后利用探头向被测管道内发射导行波信号，同时转换器将被测管束返回的导行波信号传输到频谱分析仪；

频谱分析仪显示出接收的导行波信号的频域谐振频幅响应曲线。

优选的，测量管道减薄量的公式为：2R=(2n-1)c/4f，式中2R为圆柱同轴谐振腔内径尺寸，f为谐振频率。 

本实用新型将电磁导行波技术应用于管道腐蚀监测领域中，解决了漏磁和超声方法测量范围有限、测量精度差、检测速度慢、易受环境制约和被测介质干扰的技术瓶颈。当仪器置于管道中时圆波导的工作模式被改变，管道与传感器构成了同轴波导。而在同轴波导中有TEM波存在的同时也有可能存在TE波及TM波，在有两种或三种模式的电磁波同时存在时，通过圆柱同轴腔检测出与腔体径向尺寸有关的电磁波谐振信号曲线或谐振点。充分利用了柔性制造技术（FMS），将理论分析和设计、制造、仿真等技术结合生产出了谐振传感器探头，并确定出了检测模式和激励频率；该探头独立完成和被测管道相关的谐振频率的检测，不受环境压力、温度，套管、工具等的影响。探头只有插入和管道内壁接触，在信号处理上，采用频谱分析方法和谐振的模式，使地面测控系统和数据处理系统对等互动，高效通讯，克服了传统仪器采集迟滞，实效性差，数据传输缓慢等问题。总之，经多次充分的现场实验和理论研究，利用导行波检测技术解决了目前管道腐蚀减薄的技术问题，研制出了电磁导行波检测装置，该产品不受被测介质和环境的影响，可将测量范围扩大到壁厚的5-80%，测量精度达0.5%，有效解决了管道腐蚀的测量问题。

附图说明

图1是本实用新型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型具体实施的技术方案是：

如图1所示，一种用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测装置，包括管眼传感器、高频信号收发处理器2、短路器和频谱分析仪器3；所述管眼传感器包括转换器11和探头12；

所述探头12与被测管道一端管口对接，被测管道另一端管口接短路器；

所述高频信号收发处理器2与转换器11连接，所述高频信号收发处理器2输出导行波扫频信号；

所述转换器11与探头12连接，所述转换器11将导行波扫频信号转换后通过探头12向被测管道内发射导行波信号；

所述转换器11还与频谱分析仪器3连接，所述转换器11将被测管束返回的导行波信号传输到频谱分析仪；

所述频谱分析仪显示出接收的导行波信号的频域谐振频幅响应曲线。

本实用新型还提供一种用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测方法，根据谐振腔体模型的原理，将被测管道当作圆柱同轴谐振腔进行腐蚀减薄量检测；测定电磁导行波在被测管道中的谐振频率，然后根据谐振频率与同轴谐振腔轴向尺寸的线性关系，通过频谱分析仪显示的谐振曲线族测定管道内壁腐蚀减薄的量值。

上述用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测方法，包括如下步骤：

将与被测管道管口口径相匹配的传感器探头12插入被测管道管口；

高频信号收发处理器2输出导行波扫频信号，经转换器11转换后利用探头12向被测管道内发射导行波信号，同时转换器11将被测管束返回的导行波信号传输到频谱分析仪；

频谱分析仪显示出接收的导行波信号的频域谐振频幅响应曲线。

测量管道减薄量的公式为：2R=(2n-1)c/4f，式中2R为圆柱同轴谐振腔内径尺寸，f为谐振频率。

本实用新型电磁导行波检测（Guided  Travel Wave Testing）装置，利用导行波技术巧妙完成了管道腐蚀减薄量的测量问题。电磁导行波检测技术是应用射频电磁波来探测隐蔽介质的分布和目标物。电磁波在介质中传播时，其路径——波形将随所通过的介质（空气）的电磁性质及参数而变化，根据同轴谐振腔的谐振频率或频率响应曲线变化数据，可以确定腔体内部介质腐蚀结构尺寸变化的程度。不同管道口径，采用不同频率的电磁波在不同管道中传播时，电磁波谐振频率将随所通过管道内径大小而变化，最后得出高精度的内壁减薄量。

设沿管道的纵轴方向定为z轴或纵向；与z轴垂直的方向称为横向。如令一根热交换管作为一个圆柱谐振腔，其腔体z轴或纵向与谐振频率或谐振波长无关，而腔体的径向尺寸的变化即腐蚀减薄量则与该腔体内的电磁波谐振频率或谐振波长有关。在圆柱谐振腔中，当l<2.1R时，主模为TM010，当l>2.1R时，主模为TE111。同轴谐振腔中主模为TEM模。对于由两端短路或开路的圆柱谐振腔，其谐振条件的表达式为l=nλ0/2；对于由一端短路，另一端开路的金属管构成的谐振腔，其测量管道减薄量的公式如下：

2R=(2n-1)c/4f

式中2R为圆柱同轴谐振腔内径尺寸，f为谐振频率。

公式表示金属管的径向尺寸2R与相应的谐振频率f是函数关系。从频率上建立反相关规律，即腐蚀减薄量越大，谐振的频率越低；腐蚀减薄越少，谐振频率越高，如若金属管腐蚀减薄量越少，那么频响曲线就向高频方向移动。

被测管道其中一端接传感器，另一端短路，在同轴圆柱谐振腔中传播的电波是横电磁波。其电场方向与同轴腔内导体垂直；而在圆波导中的电场方向必须与圆波导内壁垂直。当电波信号由同轴腔体接口激发圆波导时，根据理想金属表面电场分布边界条件，只有垂直分量存在，因此在圆波导内的电场必定与同轴线内导体平行。同理，以圆波导中的电场耦合到同轴线接口时，也只有与同轴线内导体平行的电场才能输入至同轴线。在圆波导中只能激励出垂直电场，其方向与水平端口的同轴线内导体垂直，因此收信信号不会进入发信端口，而只能送入垂直的收信端口，发信和收信端口又分别接同轴谐振腔和频谱分析仪。根据金属管道的边界条件，由于水平极化波的电场方向与去耦板相平行，故不能通过去耦板，而垂直极化波则可以通过去耦板。

另外，为了消除极化分离器短路侧的反射影响，极化分离器中应使端口至短路侧的距离为信号中心频率的1/4波长。此时在端口等效的输入阻抗为75欧，因而信号的能量将不会向极化分离器的短路侧传输。由于在同轴波导中有TEM波存在的同时也存在无限多个TEn模和TMn,m模，必须从测量目的出发，结合不同探头结构，选择出TE11模的工作模式和一定频率的电磁波。TE01模的场分量仅有Hz，Hr，Eφ，TM01模的场分量仅有Ez，Er，Hφ，场结构简单，均无极化简并。根据各场分量的瞬时变化，在z=0处的rφ剖面和φ为任意值处的rz剖面，可发现，TE01模的电场在轴线和管壁之间较强，在管壁附近较弱；而TM01模除Ez分量外，管壁附近电场较强。显然选择TE01模比较有利。此外，TE01模在圆波导内壁处的切向磁场只有Hz分量，故壁电流只有Jφ分量，管道上的横向接缝对波导中场的影响也比较小，最终选择出TE11工作模式并确定一定频率的激励电磁波。完成电磁波的发射和检测信号的接受。最后完成信号的处理、运算和输出。

由于电磁波基本理论的复杂性，理论计算与正演模拟都是建立在近似基础上的。随着基本理论、仪器、数据处理技术的进一步发展及应用，可及时通过该仪器的网络接口，更新其软件的更新版本。这种仪器的技术含量很高，一次测得管道腐蚀参数，且相关性好，时效性强，不存在多次测量容易产生误差问题，有利于腐蚀减薄的准确解释。仪器指标如下： 1）测量腐蚀减薄范围：3～80％；  2）平均灵敏度： 1％/壁厚；  3）精度：0.5％壁厚；  4）适用温度范围:-25～85℃；  5）供电电压范围：36～40VDC/100MA。

根据采用工作频率，设计不同系列的口径，以适用于不同口径尺寸的被测传热金属管。传感器接口，通过电缆标准接插件进行电连接。在信号输出器和采集信号输入器中，由探针型转换器结构形式组成，实现从信号源来的能量向波导管的转换；也从来自反射信号能量经探针型换能器向同轴电缆的转换。通过参数调整，使传感器在工作频带内达到有较好的匹配。

管道管口设计成适配的端口，用来完成导行波信号的发射和接收，经严格精加工成平衡线式，解决了连接的平衡与非平衡的转换，抑制了信号的干扰。采用频率为47GHz左右的导行波在金属管中传播，形成一个谐振腔体。利用圆柱谐振腔原理对腐蚀减薄管子内壁进行检测。实测结果表明，管内径从17.06 mm（管壁厚度0.97 mm）厚度减薄量(3%t)，原来厚度(t=1 mm)，变为0.97 mm。这时谐振点在高频处。随着壁越减薄谐振点向低频方频移。用此方法可测得3%至80%的管壁减薄量。试验结果说明该方法对于管壁减薄较敏感。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.用于检测管道内壁腐蚀减薄的导行波检测装置，其特征在于，包括管眼传感器、高频信号收发处理器、短路器和频谱分析仪器；所述管眼传感器包括转换器和探头；

所述探头与被测管道一端管口对接，被测管道另一端管口接短路器；

所述高频信号收发处理器与转换器连接，所述高频信号收发处理器输出导行波扫频信号；

所述转换器与探头连接，所述转换器将导行波扫频信号转换后通过探头向被测管道内发射导行波信号；

所述转换器还与频谱分析仪器连接，所述转换器将被测管束返回的导行波信号传输到频谱分析仪；

所述频谱分析仪显示出接收的导行波信号的频域谐振频幅响应曲线。