CN219574003U - 一种基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，属于管道无损检测技术领域，包括聚酰亚胺薄膜、贴附于聚酰亚胺薄膜上的若干电极、依次并列分布在聚酰亚胺薄膜上的第一压电陶瓷阵列、第二压电陶瓷阵列和第三压电陶瓷阵列；每组压电陶瓷阵列均由若干块纵向均匀分布的单位压电陶瓷组成；每块单位压电陶瓷的正负极分处在对应的电极之上，三组压电陶瓷阵列通过印刷电路分别与同轴连接器的三个端口电路连接。本实用新型通过协同监测反射波和透射波传播特性的变化来提高装置对细小裂纹的监测灵敏度，环状布设的传感器阵列能够消除反射波和透射波中弯曲模态的干扰作用，压电陶瓷阵列与管道结构的集成还能简化监测程序。

Description

一种基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置

技术领域

本实用新型涉及管道无损检测技术领域，具体涉及一种基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置。

背景技术

油气管道作为国家重要基础设施，在我国现代能源体系及现代综合交通运输体系中扮演着重要角色。在管道的建造过程中，焊接接头在热源作用下会经历复杂的热过程，导致焊缝和热影响区存在较大的残余应力和变形，同时在管道服役过程中受循环载荷、冲击及环境等因素的共同作用，管道环焊缝成为了最容易出现缺陷的区域之一。超声导波监测技术是目前管道快速巡检的主要手段之一，但仍然存在以下缺陷：①目前多数超声导波监测技术通常只设置一组反射波采集点，对焊缝裂纹的检测精度较低。②传感器布设方式单一，无法消除管道导波信号中弯曲模态的影响。③无法将传感器阵列与复杂的管道结构集成，或传感器阵列与弯曲管道表面的接触效果较差。因此，需要重新设计出一种油气管道环焊缝裂纹监测装置来解决上述缺陷。

实用新型内容

针对现有技术中存在的检测精度较低、传感器布设方式单一、以及无法集成安装的技术问题，本实用新型提供了一种基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，通过协同监测反射波和透射波传播特性的变化来检测焊缝的结构状态，大大提高了装置对裂纹的检测精度。本实用新型中的传感器阵列呈环状布设，能够消除反射波和透射波中弯曲模态的干扰作用，简化了传感信号的分析难度。另外，本实用新型将压电陶瓷集成在聚酰亚胺薄膜上，导线都被以柔性印刷电路的方式设计于聚酰亚胺薄膜中，只需将聚酰亚胺薄膜固定在管壁上即可实现传感器阵列与复杂的管道结构的集成，方便快捷。

本实用新型是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，包括聚酰亚胺薄膜、贴附于聚酰亚胺薄膜上的若干电极、以及置于电极之上的压电陶瓷组；

所述压电陶瓷组为依次并列分布在聚酰亚胺薄膜上的第一压电陶瓷阵列、第二压电陶瓷阵列和第三压电陶瓷阵列；所述第一压电陶瓷阵列、第二压电陶瓷阵列和第三压电陶瓷阵列均由若干块纵向均匀分布的单位压电陶瓷组成；每块单位压电陶瓷的正负极分处在对应的电极之上；第一压电陶瓷阵列、第二压电陶瓷阵列和第三压电陶瓷阵列通过印刷电路分别与同轴连接器的三个端口电路连接，且每组压电陶瓷阵列下的若干块单位压电陶瓷之间的电路连接方式均为并联。

进一步地，所述第一压电陶瓷阵列、第二压电陶瓷阵列和第三压电陶瓷阵列均由若干块长度方向与阵列方向垂直的矩形单位压电陶瓷组成。

进一步地，所述单位压电陶瓷的电场方向与长度方向一致，每组压电陶瓷阵列中的若干块单位压电陶瓷的电场方向相同，且第一压电陶瓷阵列与第二压电陶瓷阵列的电场方向指向第三压电陶瓷阵列，第三压电陶瓷阵列的电场方向指向第一压电陶瓷阵列和第二压电陶瓷阵列。

进一步地，所述第一压电陶瓷阵列、第二压电陶瓷阵列和第三压电陶瓷阵列中的单位压电陶瓷数量为4~8个。

进一步地，所述第一压电陶瓷阵列与第二压电陶瓷阵列的间距为5~10cm。

进一步地，所述第一压电陶瓷阵列、第二压电陶瓷阵列和第三压电陶瓷阵列与同轴连接器的三个端口之间的印刷电路为独立的单层电极结构。

进一步地，所述印刷电路的线宽为1mm。

进一步地，所述电极表面镀有镍和金层。

进一步地，所述第一压电陶瓷阵列、第二压电陶瓷阵列和第三压电陶瓷阵列中的若干块单位压电陶瓷的正负极与电极焊接连接。

有益效果

1. 本实用新型通过同时考虑导波的透射波和反射波，可有效避免裂纹的漏检、误检，提高焊缝裂纹检测的精度与可靠度，解决了传统超声导波仅仅依靠反射波难以精准监测焊缝裂纹的问题。

2. 本实用新型所述压电陶瓷阵列采用环状布设的阵列方式，消除了接收到的反射波和透射波中弯曲模态的干扰，简化了传感信号的分析难度，便于进一步提高监测结果的精度。

3. 本实用新型中的导波柔性压电阵列，通过把所有的单位压电陶瓷集成在聚酰亚胺薄膜上，使得压电陶瓷阵列易于与管道焊缝结构集成。所有的导线都被以柔性印刷电路的方式设计于薄膜中，降低了系统的复杂度，便于以超声导波技术检测焊缝结构的状态。

附图说明

图1为本实用新型所述基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置的结构示意图。

图2为图1中A-A处的剖面图。

图3为本实用新型所述基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置的工作状态图。

其中，1-印刷电路；2-第二压电陶瓷阵列；3-第一压电陶瓷阵列；4-第三压电陶瓷阵列；5-聚酰亚胺薄膜；6-同轴连接器；7-焊料；8-电极；9-环氧粘合剂；10-管道；11-环焊缝。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

图1为本实用新型所述基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置的结构示意图，包括聚酰亚胺薄膜5、依次并列分布在聚酰亚胺薄膜5上的第一压电陶瓷阵列3、第二压电陶瓷阵列2和第三压电陶瓷阵列4，第一压电陶瓷阵列3与第二压电陶瓷阵列2的间距为10cm，确保工作时环焊缝11能够完全落入该装置的检测范围内。每组压电陶瓷阵列均由8块长度伸缩型的的矩形单位压电陶瓷组成，便于采集环焊缝11裂纹导致的轴向透射波和反射波信号。单位压电陶瓷呈纵向均匀分布，每组中的8块单位压电陶瓷的长度方向与阵列方向垂直，电场方向与长度方向一致，每组压电陶瓷阵列中的若干块单位压电陶瓷的电场方向相同，且第一压电陶瓷阵列3与第二压电陶瓷阵列2的电场方向为垂直指向第三压电陶瓷阵列4，第三压电陶瓷阵列4的电场方向为垂直指向第一压电陶瓷阵列3和第二压电陶瓷阵列2。

图2为图1中A-A处的剖面图，可以看出，聚酰亚胺薄膜5上表贴若干电极8，二者通过焊料7固定连接，电极8表面镀有镍和金层，每块单位压电陶瓷的正负极分处在对应的电极8之上。第一压电陶瓷阵列3、第二压电陶瓷阵列2和第三压电陶瓷阵列4通过印刷电路1分别与同轴连接器6的三个端口电路连接，每组压电陶瓷阵列下的8块电极8之间的电路连接方式均为并联，且印刷电路1为独立的单层电极8结构，提高了信噪比，线宽设为1mm，提高了压电陶瓷阵列在主动导波激励时的可承受载荷。

图3为本实用新型所述基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置的工作状态图, 在具体应用时，首先根据管道10中超声导波的传播特性确定激励及传感的非频散纵向模态的频率范围和相应的波速，以及所选用的压电陶瓷的中心频率。接着将监测装置通过环氧粘合剂9与管道10集成安装，并且环焊缝11需完全落入接收透射波的第一压电陶瓷阵列3和接收反射波的第二压电陶瓷阵列2之间。固定后第一压电陶瓷阵列3、第二压电陶瓷阵列2和第三压电陶瓷阵列4呈环状围绕在环焊缝11附近的管壁上，能够在接收反射波和透射波时消除传感信号中的弯曲模态成分，简化了传感信号的分析难度。每个单位压电陶瓷的排布方向与管道10环焊缝11方向垂直，便于激励导波纵波信号。检测时负责接受反射波和透射波的两组压电陶瓷阵列需同步采集，然后通过分析两组传感器的信号，确定透射波和反射波的信号飞行时间。再者，基于透射波和反射波的飞行时间和波速，分别确定基于透射波和反射波所确定的裂纹位置。最后，取两次裂纹位置计算结果的均值，确定裂纹的最终位置。

所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，包括聚酰亚胺薄膜（5）、贴附于聚酰亚胺薄膜（5）上的若干电极（8）、以及置于电极（8）之上的压电陶瓷组；

所述压电陶瓷组为依次并列分布在聚酰亚胺薄膜（5）上的第一压电陶瓷阵列（3）、第二压电陶瓷阵列（2）和第三压电陶瓷阵列（4）；所述第一压电陶瓷阵列（3）、第二压电陶瓷阵列（2）和第三压电陶瓷阵列（4）均由若干块纵向均匀分布的单位压电陶瓷组成；每块单位压电陶瓷的正负极分处在对应的电极（8）之上；第一压电陶瓷阵列（3）、第二压电陶瓷阵列（2）和第三压电陶瓷阵列（4）通过印刷电路（1）分别与同轴连接器（6）的三个端口电路连接，且每组压电陶瓷阵列下的若干块单位压电陶瓷之间的电路连接方式均为并联。

2.根据权利要求1所述的基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，所述第一压电陶瓷阵列（3）、第二压电陶瓷阵列（2）和第三压电陶瓷阵列（4）均由若干块长度方向与阵列方向垂直的矩形单位压电陶瓷组成。

3.根据权利要求2所述的基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，所述单位压电陶瓷的电场方向与长度方向一致，每组压电陶瓷阵列中的若干块单位压电陶瓷的电场方向相同，且第一压电陶瓷阵列（3）与第二压电陶瓷阵列（2）的电场方向指向第三压电陶瓷阵列（4），第三压电陶瓷阵列（4）的电场方向指向第一压电陶瓷阵列（3）和第二压电陶瓷阵列（2）。

4.根据权利要求2所述的基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，所述第一压电陶瓷阵列（3）、第二压电陶瓷阵列（2）和第三压电陶瓷阵列（4）中的单位压电陶瓷数量为4~8个。

5.根据权利要求1所述的基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，所述第一压电陶瓷阵列（3）与第二压电陶瓷阵列（2）的间距为5~10cm。

6.根据权利要求1所述的基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，所述第一压电陶瓷阵列（3）、第二压电陶瓷阵列（2）和第三压电陶瓷阵列（4）与同轴连接器（6）的三个端口之间的印刷电路（1）为独立的单层电极（8）结构。

7.根据权利要求1所述的基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，所述印刷电路（1）的线宽为1mm。

8.根据权利要求1所述的基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，所述电极（8）表面镀有镍和金层。

9.根据权利要求8所述的基于导波柔性压电阵列的油气管道环焊缝裂纹监测装置，其特征在于，所述第一压电陶瓷阵列（3）、第二压电陶瓷阵列（2）和第三压电陶瓷阵列（4）中的若干块单位压电陶瓷的正负极与电极（8）焊接连接。