一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置

摘要

本发明涉及一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置。目的是提供的装置能够满足较大直径管道尤其是弯头处的测厚要求，并具有在运动过程中稳定性好、检测精度高、检测效率高等特点。技术方案是：一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特征在于：包括球形壳体、球形外罩、若干超声波探头以及信号处理装置；所述若干超声波探头均布在球形壳体上，并通过导线与球形壳体内部的信号处理装置连接；所述球形外罩包附在球形壳体的外壁，并且开制有若干与超声波探头位置对应的通孔。

说明书

技术领域

本发明涉及压力管道内检测技术领域，尤其是压力管道内检测用的球形密布式探头超声测厚装置。

背景技术

管道作为五大运输方式之一，是输送石油、天然气等关键能源介质的主要手段，对国民经济的发展和稳定起着至关重要的作用，是国民经济的“生命线”。随着“西气东输”、“川气东送”等重大工程的实施和城市化的高速发展，管道运输以其高效率、低成本和安全可靠的优势，越来越显示出强劲的发展潜力。腐蚀是金属管道使用过程中最容易产生的缺陷，压力管道在使用过程中，随着时间的延长，在土壤或介质的腐蚀、冲刷等各种因素下，会出现腐蚀坑、壁厚变薄等现象。腐蚀不仅使管道承载截面减少，严重时还会发生破裂导致介质泄露，而压力管道输送的介质有些是具有爆炸危险性、毒性或对环境有破坏性，一旦泄漏将会造成职员伤亡、财产损失、环境污染和巨大的经济损失，有时还会影响人民的生活。据统计，我国每年因管道腐蚀而造成的事故约占事故总数的30％～40％，造成的经济损失占国民生产总值的4％左右。我国的大部分长输管道已经使用了20多年，管道因腐蚀破坏而造成的穿孔渗漏事故时有发生，开始进入后期事故多发阶段。但很多管道为埋地敷设，很多管道为管沟敷设，从管道外部检测腐蚀困难。因此怎样从管道内进行腐蚀检测，是量多面广的压力管道实行定期检验的关键。国外在管道内检测方面的研究开展较早，经过几十年的不断研究，一些国家研制出的管道检测器，在检测精度、定位精度、数据处理等方面都达到较高水平，并满足实际需求。目前，美国Tuboscope公司、西南研究院、德国Pipetron公司，英国PII公司，日本NKK公司已研制出各种智能检测器，其中超声法和漏磁法得到了较广泛的应用。漏磁式管道内检测技术其基本原理是利用永久磁铁磁化管道内壁，管道腐蚀处将有磁场泄露，传感器检测漏磁信号，并对信号进行处理得到管道腐蚀情况。然而漏磁检测存在着对被测管道的限制(壁厚不能太厚)，抗干扰能力差和空间分辨力低等缺点，且仅适用于材料近表面和表面的检测。超声波管道内检测主要利用超声探伤原理，通过输送介质从管道内向管道壁发射超声波，根据回波的时间、大小，检测出探头与管道内壁的距离、管道剩余壁厚、管道腐蚀缺陷情况等。超声波法具有检测精度高，可得到定量的检测结果，可直接分辨内外腐蚀；不同的管道材质对检测结果基本无影响。综合分析，漏磁法和超声法各有优缺点，但对于输送液体管道而言，超声波检测技术将有广阔的应用前景。

管道超声内检测采用超声波测厚技术判断管道的腐蚀情况，利用超声波脉冲反射原理，因此在检测过程中声束要垂直于内壁，稍有偏斜就可能无法得到足够强度的超声波信号。然而，超声测厚装置在运动过程中由于振动、转向等因素难以保证声束始终垂直于内壁，特别是超声测厚装置经过管道弯头部位时更难保证声束垂直或基本垂直于内壁，而弯头外侧往往是介质冲刷导致壁厚减薄部位，是管道腐蚀检测的重点部位，因此现有的超声内检测技术难以实现弯头的腐蚀检测，此问题尚待解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可实现压力管道内部超声测厚的装置，该装置能够满足较大直径管道尤其是弯头处的测厚要求，并具有在运动过程中稳定性好、检测精度高、检测效率高等特点。

本发明采用了以下技术方案：

一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特征在于：包括球形壳体、球形外罩、若干超声波探头以及信号处理装置；所述若干超声波探头均布在球形壳体上，并通过导线与球形壳体内部的信号处理装置连接；所述球形外罩包附在球形壳体的外壁，并且开制有若干与超声波探头位置对应的通孔。

作为优选，所述信号处理装置包括嵌入式PC平台及与其连接的多通道超声卡、U盘储存器、高效能电池，多通道超声卡与所述若干超声波探头连接。

作为优选，所述球形壳体开设有与U盘储存器位置对应的螺纹通孔，该螺纹通孔通过螺纹塞及密封圈实现密封，球形外罩上开设有利于螺纹塞通过的通孔。

作为优选，所述信号处理装置还包括加速度计和磁力计，该加速度计和磁力计与所述嵌入式PC平台连接。

作为优选，所述若干超声波探头均沿球形壳体的径向朝外布置，各超声波探头的外端相对球形外罩的外壁缩进一段距离。

作为优选，所述若干超声波探头均采用圆形晶片，圆形晶片的外侧设置有用于声波聚焦的凹透镜。

作为优选，所述球形壳体由两个半球壳通过螺纹对接而成，对接处通过密封圈密封。

作为优选，所述半球壳采用金属制作。

作为优选，所述球形外罩的外径大于待测管道的内径，从而与待测管道形成过盈配合。

作为优选，所述球形外罩由两个半球形皮碗通过粘结剂连接而成，每个半球形皮碗采用高弹性材料制作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于整个超声测厚装置呈球形，在球形壳体上均匀密布超声探头，因此在运行过程中不会发生颠覆，并且在沿管道圆周方向，总有一组探头声束垂直或基本垂直于内壁，使探头能够接收到超声信号，从而检测管壁腐蚀情况。特别是在弯管外侧最容易遭受冲蚀部位，沿径向发射的超声波指向弯管的凹面，使能够接收到超声信号的探头数量增加，更容易判别弯管外侧的腐蚀情况。

2、整个超声测厚装置体积小，外面包裹球形外罩，球形外罩直径稍大于管道内径，因此在运行过程中总能有一个截面能与管道形成过盈配合，使球形外罩在管内液体压差的驱动下向前移动。

3、整个超声测厚装置结构紧凑，球形金属壳内安装多通道超声卡、加速度计及磁力计、高效能电池等；并能完成超声波测厚、超声信号处理和储存、装置运动里程记录、腐蚀缺陷定位等功能。

4、超声测厚探头采用声透镜聚焦方式，通过曲率设计使之在特定位置聚焦，最大限度地克服水/钢界面声能损失的影响，另外，通过球形外罩的开孔使各探头发出的超声波相互不干扰，使超声测厚可靠性提高。

附图说明

图1-1为本发明工作状态的剖视结构示意图。

图1-2为图1-1的俯视结构示意图。

图2为球形壳体与超声波探头的安装结构示意图。

图3为球形壳体的结构示意图。

图4为球形外罩的结构示意图。

图5为探头与球形壳体、球形外罩的装配示意图。

图6为超声波探头声透镜聚焦原理图。

图7为超声波检测腐蚀的工作原理图。

图8为超声波检测与信号处理的工作原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1-1到图5所示，本发明提供的压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，包括球形壳体1、若干个超声波探头2、多通道超声卡3、球形外罩4、加速度计5及磁力计6、高效能电池7、嵌入式PC平台8、U盘储存器9、螺纹塞10等，以实现对压力管道11进行壁厚测定。

所述若干超声波探头均布在球形壳体上，并通过导线与球形壳体内部的信号处理装置连接；所述球形外罩包附在球形壳体的外壁，并且开制有若干与超声波探头位置对应的通孔。所述若干超声波探头均沿球形壳体的径向朝外布置，各超声波探头的外端相对球形外罩的外壁缩进一段距离。

下面以DN150管道测厚为例，说明球形密布式探头超声测厚装置的具体实施方式(以下单位均为mm)。

用金属(例如钢)制作1个Φ138×6球形壳体，球形壳体由2个半球壳1-1、1-2组合而成，Φ138×6球形壳体上共开有120个Φ8小孔，120个Φ8小孔在Φ138球面上均匀分布，即在[0，π]的仰角间均布10层布点，依次均匀分布1、7、14、18、20、20、18、14、7和1个探头，其中球顶和球底各分布1个探头。这些Φ8小孔通过螺纹与超声波探头连接。

在2个半球壳边缘分别加工内外螺纹，通过螺纹15和密封圈12实现球壳的对接和密封，其中1个半球壳上开有M12螺纹通孔14，用M12螺纹塞10和密封圈13实现密封，M12螺纹通孔对应U盘储存器9的位置，检测结束时不需打开整个Φ138×6球形壳体，只需打开M12螺纹塞，取出U盘储存器9进行数据分析即可。

Φ138×6球形壳体外面包裹Φ156×9球形外罩，球形外罩采用高弹性材料制作(例如橡胶)。球形外罩由2个半球形皮碗套4-1在Φ138×6球形壳体上，Φ156×9球形外罩同样开有120个Φ8小孔4-3，与Φ138球面上均匀分布的Φ8小孔相吻合，Φ156×9球形外罩通过粘接剂4-2与Φ138×6球形壳体粘接，使一一对应的孔的位置不会产生偏移，两个Φ156×9半球形皮碗同样通过粘接剂对接粘接，球形外罩在球形壳体M12螺纹孔对应位置也同样开有通孔4-4便于取出U盘储存器。

球形外罩直径稍大于管道内径，使球形外罩与管道形成过盈配合，在管内液体压差的驱动下向前移动。由于球形外罩形状为球形，因此在运行过程中总能有一个截面能与管道形成过盈配合。在检测时，整根压力管道注满液体，球形密布式探头超声测厚装置前端液体为常压，后端液体施加一定压力，在一定压差作用下球形密布式探头超声测厚装置克服摩擦阻力向前运动。如对气体压力管道进行检测，则需利用管道水压试验的时机进行，检测时机在压力管道压力试验前，如压力管道不进行压力试验，检测时也要将压力管道灌满水。

整个装置采用数量众多(120个)的超声波探头，超声波探头的直径规格为Φ8。超声波探头通过螺纹与Φ138×6球形壳体连接，均匀密布在球形壳体面上，探头采用圆形晶片，晶片沿球面方向分布，聚焦采用声透镜方式，采用比水声速大的声透镜材料制成的凹透镜，通过曲率设计使之在特定位置聚焦。单个探头的装配和聚焦原理图如图6所示，凹面声透镜曲率半径为R，透镜声速为c₃，水中声速为c₂，则水中焦距F为：

$>F=R/(1-\frac{c_2}{c_3})---\left(1\right)$>

当用超声波探头探测钢工件时，在水中和钢中各有一次聚焦作用，当超声波通过凹透镜在水中产生聚焦的入射超声波，入射超声波经水/钢界面进一步聚集，形成钢中的聚焦声束，如图6所示。设在没有钢时探头在水中的焦距为F，设探头至水/钢中的距离为H，钢中声速为c₁，则在钢中的二次聚焦后的焦距F’为：

$>F^{\prime }=H+\frac{c_2}{c_1}(F-H)---\left(2\right)$>

超声波检测腐蚀的工作原理如图7所示，探头激发超声脉冲从水中传播到达管壁，压力管道内外壁的脉冲回波经过水被探头接收，超声波T1通过水介质沿径向入射到压力管道内壁，此时出现水/钢异质界面，会产生一个强的反射波即R1，该反射波为探头接收，形成水/钢异质界面反射回波B1，其余透射能量形成透射波T2继续前行，到达压力管道外壁，同样会产生一个反射波即R2，此反射波又一次经钢/水界面透射至水中，为探头接收，形成B2外壁界面回波；由于钢中声速固定，压力管道的壁厚减少，B1和B2回波之间的距离也随之减少，从而达到壁厚测定的目的。如采用常规超声探头，由于管道的圆形结构，反射能量可能并不集中，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，而采用本发明的声透镜聚焦，通过精心设计声透镜的曲率，使钢中实际聚点靠近钢管外壁，可有效克服上述难题。

但是在管道内进行超声波测厚时，要求声束与管道内壁垂直，这对运动中超声探头的指向性要求很高，当管道内壁与声束中心线不相垂直时，其反射回波受探头发射的超声波的指向性影响，声波垂直管道内表面时缺陷回波最高，当管道内表面法线方向与声束中心线有夹角时，超声回波高度随此夹角的增大而减少。由于本发明采用球形超声测厚装置，在球面上均匀密布超声测厚探头，因此球形超声测厚装置滚动过程中，在沿管道圆周方向，总有一组探头声束垂直或基本垂直于内壁，使探头能够接收到超声信号，从而检测管壁腐蚀情况。特别是在弯管外侧最容易遭受冲蚀部位，沿径向发射的超声波指向弯管的凹面，使能够接收到超声信号的探头数量增加，更容易判别弯管外侧的腐蚀情况。

本发明采用数量众多的超声波探头进行测厚，真正能够采集到超声测厚信号的是声束垂直或基本垂直于内壁的沿圆周分布的一组超声波探头，其他超声波探头得不到超声测厚信号。由于球形超声测厚装置在运行过程中会发生滚动，因此能够得到超声测厚信号的一组超声波探头并不是固定的。能够接收到超声测厚信号的一组超声波探头基本处于管道圆周方向上，超声波信号从探头发出后，穿过球形外罩的Φ8小孔再到达管道内壁，如图7所示，因此球形外罩的Φ8小孔能够有效隔离其他超声波探头发生的超声波到达探头，从而避免了数量众多的超声波探头之间的相互干扰。

各超声波探头通过电缆线连接到多通道超声卡，由于内检测器空间有限，所以要求超声卡具有高集成度、低功耗、超大存储容量、快速信号处理、快速检测等特点，超声波的发射控制、接收控制、高速A/D采集、数字处理等所有测厚相关功能均能由超声卡单独完成，超声波检测、信号处理的工作原理图见图8。采用120个通道的超声卡控制120个超声探头的超声波发射和接收，超声卡采用并行检测、分散信号处理、分散数据存储，可提高多通道扩展性、实时性、数据存储量和可靠性。超声卡采集的120个探头的超声信号和加速度计5经数据处理得到的位置信息同时输入嵌入式PC平台8，超声波检测数据和定位数据要求严格同步，同步控制采用同步触发时序平均方法。数据存储采用U盘储存器，在检测结束时可以取出U盘储存器，通过离线分析处理实现测厚数据显示。在实施检测之前，针对管道规格材质，对超声卡进行参数设置，包括打开通道、设置采样延迟时间、采样增益、采样频率、波形类型、基线设置、采样深度等，获得缓冲区地址，实现超声板卡的初始化。壁厚检测时，则将门阀套住形管道内壁B1水/钢界面回波和管道外壁B2钢/空气界面回波；并以B1水/钢界面回波和B2钢/空气界面回波的时间差(或距离)作为分析信号，并赋以一系列的颜色编码，以色彩方式显示压力管道壁厚值，可以实时通过在C扫描图上颜色的变化，看到整根压力管道的壁厚情况。完成在线检测任务后，取出检测数据，利用离线的检测数据分析系统对存储的数据进行处理，完成管道测厚数据处理和显示。

球形密布式探头超声测厚装置内还包括加速度计及磁力计和高效能电池。通过内部搭载的三轴加速度计所记录的加速度信息，顺利得到检测球在管道中所经过的距离。超声波探头采集得到的腐蚀情况数据，结合加速度计数据计算出来的距离和位置信息，对管道的腐蚀点进行定位。磁力计可以从管道外用磁敏元件探测测厚装置的大概位置。高效能电池实现对多通道超声卡3、加速度计5嵌入式PC平台8的供电。

在整个球体检测过程完成之后，通过收球装置进行收尾工作，将球体中的U盘储存器取出后，将数据传入PC机，通过软件进行解析。在具体处理时，对120个探头中能够得到超声测厚信号的一组探头按相对位置生成探头平面展开图，并以色彩方式显示压力管道壁厚值，从而得到整根压力管道的壁厚情况。通过图像分析便可以检测到一些壁厚减薄类的缺陷，包括表面的腐蚀、介质冲刷造成的冲蚀、表面损伤等，从而判断整个压力管道系统的安全状况。

本发明所述超声卡、探头组件、加速度计及磁力计、高效能电池等均可直接外购获得。

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