CN205898743U - 一种基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置。目的是提供的装置应能实现储气井的超声相控阵检测，并具有检测灵敏的特点。技术方案是：一种基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置，包括井上部分和井下部分，井上部分包括线缆盘以及超声波检测仪和电脑，井下部分包括爬行机器人、密闭容器和扶正器、探头装置、编码器以及组合相控阵模块、控制模块和电源模块；探头装置由上下排列成至少两层的多个较小阵元数相控阵探头组成，每一层由两个半圆形的较小阵元数相控阵探头拼接而成，上层拼接的接缝与下层拼接的接缝相互错开以使每个较小阵元数相控阵中的部分阵元均在探头储气井轴线方向上与另一较小阵元数相控阵中的部分阵元重叠。

Description

一种基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置

技术领域

本实用新型涉及储气井的超声检测领域，特别涉及一种基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置。

背景技术

随着天然气使用量的增加，近几年全国CNG汽车保有量和CNG加气站数量持续增加。高压地下储气井(以下简称储气井)作为CNG加气站一种新型储气设备，是以储存压缩天然气体为目的的一种特殊的地下、管状、立式压力容器，具有占地面积小、安全性较强、运行费用低、操作维护简便等优点。随着使用期增长，储气井使用中由于受到地层和存储气质等影响，不可避免的出现腐蚀、裂纹等缺陷，如果对套管腐蚀或裂纹缺陷未采取维修措施，裂纹缺陷会进一步扩展，而套管腐蚀缺陷将随套管服役年限的延伸，腐蚀区域加大，壁厚进一步减薄，到一定程度后，套管的剩余壁厚不足以承受储气井的额定工作压力，会因为剩余强度不足而在井壁腐蚀区域发生泄漏后破裂，甚至套管从地下冒出，导致各种储气井质量事故的发生，造成人员的伤害和资源的浪费，因此井壁的腐蚀检测显得格外重要。

目前，国内对储气井套管检测方法主要是声学检测法、射线检测法、电学检测法、磁学检测法、光学检测法等。这些方法各有优、缺点，而应用最广的是超声检测法。超声检测是国内外应用最广泛而且发展较快的一种无损检测技术，具有穿透能力强、缺陷定位准确、灵敏度高、成本低、速度快、对人体无害以及便于现场检测等优点。近年来超声检测技术不断进步，检测标准不断完善，在输油气储气井、铁路、航天和钢铁等众多工业领域得到了广泛应用。目前储气井的超声波检测系统采用直探头纵波水浸法，自动进行处理并以图像显示井壁的超声波信号，同时将数据自动保存到数据库中，以便回放及跟踪分析。目前我国储气井的超声波检测系统主要有三种设计方式：自动悬浮式超声波探头系统，内置旋转式超声波检测(IRIS)，超声阵列式地下储气井专用检测系统。三种方法均采用常规的超声直探头，不能形成周向的自动电子扫描，同时其采用的水浸聚焦方式会导致检测灵敏度和分辨力远低于聚焦探头。自动悬浮式超声波探头系统采用局部水浸技术，存在耦合可靠性问题，且周向的机械旋转扫查检测效率较低。IRIS虽然检测效率较高，但超声波探头放在中间位置，又经45°镜面反射，使焦距变长，一方面不利于检测灵敏度的提高，另一方面不利于横向分辨力的提高。另外，在驱动方式上，上述方法运动控制均需要外部线缆，通常需要吊车等辅助设备。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置，该装置应能实现储气井的超声相控阵检测，并具有检测灵敏、操作方便的特点。

本实用新型的解决方案是：

一种基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置，包括通过光纤电缆连通的井上部分和井下部分，所述井上部分包括收放光纤电缆的线缆盘以及对接收信号进行处理的超声波检测仪和电脑，所述井下部分包括爬行机器人、由爬行机器人带动的密闭容器和扶正器、通过探头夹持装置安装在扶正器上的探头装置、编码器以及安装在密封容器内的组合相控阵模块、控制模块和电源模块；其特征在于：所述探头装置由上下排列成至少两层的多个较小阵元数相控阵探头组成，每一层由两个半圆形的较小阵元数相控阵探头拼接而成，上层拼接的接缝与下层拼接的接缝相互错开以使每个较小阵元数相控阵中的部分阵元均在探头储气井轴线方向上与另一较小阵元数相控阵中的部分阵元重叠。

所述较小阵元数相控阵探头中的阵元数量小于等于128；这些阵元在较小阵元数相控阵探头壳体内圆周的壁部均匀排列成至少八分之三圆周的长度，以保证有部分阵元实现重叠。

所述组合相控阵模块包括多个相控阵模块，每一相控阵模块单独连接和控制一个较小阵元数相控阵。

还包括光纤模块，该光纤模块包括位于井下部分的发射模块和位于井上部分的接收模块。

本实用新型的工作原理是：整个探头装置由探头夹持装置装在扶正器上，由爬行机器人带动进行检测；编码器记录行走位置，爬行机器人供电电线、信号传输光纤装在光纤电缆内。控制模块启动后储气井爬行机器人到达储气井底部，并放置一定深度(大约5米)水作为超声耦合剂，爬行机器人带动探头装置向上移动进行检测，并不断加入水，控制加水量使水面升高速度与爬行机器人向上移动速度相近，探头装置浸在水中，超声波通过水耦合进入工件中，再以反射波通过水回到探头中，较小阵元数相控阵探头和编码器采集的信号被输入组合相控阵模块转换成数字信号，然后由光纤传输至超声波检测仪。

超声波检测仪接收的信号通过成像软件形成实时C扫描、B扫描、D扫描图像，C扫描周向采用电子扫描，轴向采用机械扫查，检测并记录储气井内部缺陷的位置信息和超声信息；另外，C扫描图像显示不仅针对缺陷检测，还能以色彩方式显示储气井壁厚值，即通过超声相控阵自动内检测装置实现厚度的自动测量，并对设定的系列厚度范围进行色彩标识，通过C扫描图上颜色的实时变化，了解整根储气井的壁厚情况。B扫描图通过环向电子线扫描实现，腐蚀检测时可以检测某一轴向位置储气井周向的壁厚变化以及储气井椭圆度的变化，缺陷检测时可以检测到某一轴向位置储气井整个圆周的缺陷成像。通过C扫描、B扫描图像分析便可以检测到整体腐蚀、内部的缺陷，从而判断储气井系统的安全状况。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、由上下排列至少两层的多个较小阵元数相控阵探头组成的探头装置，其部分阵元重叠结构可确保扫描无死角无遗漏，并且显著提高了检测灵敏度和分辨力。

2、采用相控阵电子线周向扫描方式，可避免机械周向扫查引起的探头装置振动和液体扰动，减少上述问题对检测产生的干扰，且电子线周向扫描比机械周向扫查快，极大地提高检测效率。

3、探头装置周向聚焦采用电子聚焦技术，轴向聚焦采用声透镜方式，通过精心设计电子聚焦法则和声透镜的曲率，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置，其效果相当于超声点聚焦，可解决钢/水界面声能损失和声波衰减过多使回波太弱的问题；

4、结合储气井腐蚀和缺陷检测的需求专门研制的扫查装置，其周向采用电子线扫查技术，轴向采用机械扫查技术，达到管壁100％覆盖，不容易漏检；

5、形成实时C扫描、B扫描、D扫描图像。可以检测某一轴向位置套管周向的壁厚变化以及套管椭圆度的变化、套管纵向厚度的变化、整个套管的壁厚图，也能检测套管内部的缺陷。

附图说明

图1为本实用新型实施例1(探头装置由4个较小阵元数相控阵探头组成)的检测原理示意图。

图2为实施例1中探头装置的结构示意图。

图3为较小阵元数相控阵探头的外部结构示意图。

图4为实施例1中4个较小阵元数相控阵探头在储气井横截面上的投影示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

本实用新型提供的基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置(以下简称内检测装置)，包括通过光纤电缆连通的井上部分和井下部分，井上部分包括收放光纤电缆的线缆盘以及对接收信号处理的超声波检测仪和电脑，井下部分包括爬行机器人、由爬行机器人带动的密闭容器和扶正器、通过探头夹持装置装在扶正器上的探头装置(即大阵元数双层错层式圆柱形相控阵探头装置)、编码器以及安装在密封容器内的组合相控阵模块、控制模块和电源模块。其核心是探头装置和组合相控阵模块。现有相控阵仪器的阵元数最大数量是128个，以4个128阵元探头组成1个452阵元大直径圆柱形相控阵探头装置为例进一步说明。

设计大阵元数(大于128)双层错层式圆柱形相控阵探头装置，该装置由多个小阵元数(小于等于128)相控阵探头组成，多个较小阵元数相控阵探头之间有一部分重叠。实施例中的探头装置由4个128的相控阵探头组成，参与聚焦法则的通道数量为16个，因此两相邻相控阵探头之间有15个阵元数重叠。探头装置的双层结构如图2所示，单个较小阵元数相控阵探头的结构如图3所示。第一个较小阵元数相控阵探头(即1#探头；以下类同)由第1至第128编号组成的128个阵元组成，其中第114至第128阵元同时与第二个较小阵元数相控阵探头的第1至第15阵元编号相重叠。结构上每个探头有一组排线引出信号，4个探头排线分别进入4个信号板与4个相控阵模块连接。

探头装置周向聚焦采用电子聚焦技术，设计相应的聚焦法则控制相控阵列探头独立的压电晶片的发射，每个单元的阵列发射超声波叠加形成一个新的波前，使之在特定位置聚焦，同时，在这个过程中反射波按照一定的规则和时序控制信号被接收单元接收和合成，实现声束的合成。4个较小阵元数相控阵探头分别由4个相控阵模块来控制，每个相控阵模块控制一个128阵元的较小阵元数相控阵探头，相控阵模块除电源由电源模块统一供电外，其他发射控制、接收控制、高速A/D采集、波束合成、数字处理、显示控制等所有实现相控阵检测的功能由每个相控阵模块单独完成，并由每个相控阵模块显示其控制声束形成的扫描图像。

超声波轴向聚焦采用声透镜聚焦，采用比水声速小的声透镜材料制成的凸透镜，通过曲率设计使之在特定位置聚焦。在相控阵沿晶片长度方向加设前述凸透镜，整个透镜形状是环形凸面，凸面曲率半径为R，水中声速为c₂，透镜声速为c₃，则水中焦距F为：

$F=\frac{R}{1-c_3/c_2}$

以上聚焦法则以及轴向聚焦的实施，可通过控制模块中的软件进行计算，而后由控制模块中的电路实现。采用聚焦法探伤，由于焦柱区的声能集中，直径小，因而探测灵敏度高，信噪比大，横向分辨率高，有利于缺陷的检出和对缺陷定量。

检测腐蚀的相控阵探头超声检测工作原理，如中国专利申请201410662270.9所述。如采用常规超声探头，由于管道的圆形结构，反射能量并不集中，呈发散状。这将引起回波的减弱，严重时达不到换能器的灵敏度要求，而本实用新型采用的周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦，通过精心设计电子聚焦法则和声透镜的曲率，使钢中实际聚点靠近钢/水泥界面，从而增强钢/水泥界面回波，可有效克服上述难题。

本实用新型还包括光纤模块；光纤模块包括发射模块与接收模块，其中光纤发射模块与组合相控阵模块通过USB接口进行通信；光纤接收模块与显示设备(计算机)通过USB接口进行通信。发射模块、接收模块之间通过光纤线缆连接。工作时，采集到的超声图像通过USB接口传输到发射模块，由该模块通过光纤实时传输到接收模块。接收模块通过USB接口将数据传输到显示设备(计算机)并经过软件处理后实现实时显示。电源通过光纤线缆所含的电源线向储气井内设备供电，包括为超声系统与光纤发射模块等供电，各零部件对电源参数的不同需求可通过电压电流转换转化部件实现。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置，包括通过光纤电缆连通的井上部分和井下部分，所述井上部分包括收放光纤电缆的线缆盘以及对接收信号进行处理的超声波检测仪和电脑，所述井下部分包括爬行机器人、由爬行机器人带动的密闭容器和扶正器、通过探头夹持装置安装在扶正器上的探头装置、编码器以及安装在密封容器内的组合相控阵模块、控制模块和电源模块；其特征在于：所述探头装置由上下排列成至少两层的多个较小阵元数相控阵探头组成，每一层由两个半圆形的较小阵元数相控阵探头拼接而成，上层拼接的接缝与下层拼接的接缝相互错开以使每个较小阵元数相控阵中的部分阵元均在探头储气井轴线方向上与另一较小阵元数相控阵中的部分阵元重叠。

2.根据权利要求1所述的基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置，其特征在于：所述较小阵元数相控阵探头中的阵元数量小于等于128；这些阵元在较小阵元数相控阵探头圆周的壁部均匀排列成至少八分之三圆周的长度。

3.根据权利要求2所述的基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置，其特征在于：所述组合相控阵模块包括多个相控阵模块，每一相控阵模块单独连接和控制一个较小阵元数相控阵。

4.根据权利要求3所述的基于机器人的储气井超声相控阵内检测装置，其特征在于：还包括光纤模块，该光纤模块包括位于井下部分的发射模块和位于井上部分的接收模块。