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超声波在长输管道结垢检测中的应用研究 杨丽( 控制理论与控制工程) 指导教师：郑金吾( 教授) 摘要 随着原油长输管道的长时间运行，都存在不同程度的结垢，从而降 低管道的输送能力，甚至造成阻塞。为了能够及时有效地除垢，必须在 管道外部对垢层进行不停产检测。本文研究了超声波在长输管道结垢检 测中的应用。 本文通过对超声波检测的相关知识的研究，提出了超声波测垢的总 体方案。首先，介绍了超声波测垢实验系统的组成及超声换能器的选择。 然后，提出了计算垢层厚度所需钢管厚度的测量方法。垂直入射到钢管 表面产生的超声反射波的频谱在钢管的厚度共振频率处产生钢管共振透 射峰，利用共振频率可以测量钢管的厚度。利用超声脉冲反射谱法对不 同厚度的钢管进行了测量，测得的厚度与样品的实际厚度的一致性很好。 另外，利用超声反射波频谱中钢管共振透射窗内的复合反射系数，提出 了垢层波阻抗的线性化最小二乘反演方法。将该方法应用到合成数据的 反演中，取得了良好的效果。最后，在垢层声速未知的情况下，采用反 射与透射相结合的方法测量垢层的厚度其中，超声反射波是各晃面信 号的叠加，应用自适应噪声抵消去除钢管内界面信号，可以将垢层内界 面信号提取出来，从而得到垢层内界面信号的到达时间，根据测量得到 的钢管厚度，对垢层的厚度进行评价。实验结果表明，采用反射与透射 相结合的方法，可以准确的测量模拟垢层的厚度。 关键词：管道结垢，超声波检测，波阻抗，厚度，自适应滤波 s t u d y o nt h ed i r td e t e c t i n gi np i p e l i n eb yu l t r o s o n i c y a n g l i ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h e n gj i n - w u a b s t r a c t w i t l lt h eu n l i m i t e dr u n n i n go f t h eo i lp i p e l i n e , t h ed i r th a si n f l u e n c e dt h e t r a n s p o r ta b i l i t yo f t h ep i p e l i n es e r i o a s l y s oi ti sn e c e s s a r y t od e t e c tt h ed i r t s c i e n t i f i c a l l y a 髓e rt h es t u d y0 1 1t h er e l e v a n tk n o w l e d g eo fu l t r a s o n i cd e t e c t i o n , t h e o v e r a l ls c h e m eo ft h ed i r td e t e c t i n gb yu l t r a s o n i ci sp u tf o r w a r d f i r s t l y , t h e c o m p o s i t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e ma n dt h e c h o i c eo ft h el i l n a s o n i c 舡a n s d u c c r 黼i n t r o d u c e d 。s e c o n d l y , t h e 翔e a s 嘲m e t h o do ft h en e e d e d t h i c k n e s so ft h ep i p ei sp r o p o s e d f o rn o r m a li n c i d e n c e ，t h e r e 躺d i s t i n c t n l i n i l l l ai nt h es p e c t r ao f u l t r a s o n i cp u l s er e f l e c t e df r o map i p eh n m c r s e di na l i q u i d t h e s em i n i m a c a nb eu s e dt oa c c u r a t e l yp r e d i c tt h et h i c k n e s so ft h e p i p e u s 吨u l t r a s o n i cp u l s ee c h o e s ，t h et h i c k n e s so f s e v e r a ld i f f e r e n ts a m p l e s h a v eb e e nm e a s u r e d , a n dt h er e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ea c t u a l t h i c k n e s s t h i r d l y , u t i l i z i n gt h ec o m p o u n dr e f l e c t e dc o e 程q c i e n t sw i t h i nt h e w i n d o wo f r e s o n a n tt r a n s m i s s i o nf r e q u e n c yo f t h ep i p ei nf i e q u e n e yd o m a i n ， t h el i n e a r i z e dl e a s ts q u a r em e t h o di sp r o p o s e dt oc a l c u l a t et h ew a v e i m p e d a n c eo ft h ed i r t w 糯p r o c e s s i n go fs y n t h e t i cd a t a , t h ev a l i d i t yo f t h e i n v e r s i o nm e t h o di sv e r i f i e d f 酬l y ，u l t r a s o n i cp u l s er e f l e c t i o nm e t h o da n d t r a n s m i s s i o nm e t h o da r eu s e dt om e a s u r et h et h i c k n e s st h el o n g i t u d i n a l m - v e l o c i t yo ft h ed i r t t h er e c e i v e du l t r a s o n i ce c h oo fm u l t i l a y e ri sc o m p o s e d o fa l lt h ei n t e r f a c es i g n a l s t h ei n t e r i o ri n t e r f a c es i g n a lo ft h ed i r tl a y e rc a n b ee 】( i n k e db yt h ea d a p t i v ec a n c e l i n go ft h ei n t e r i o ri n t e r f a c es i g n a lo ft h e p i p e f r o mt h ea r r i v a lt i m eo ft h ee c h or e f l e c t e df o r mi n t e r i e ri n t e r f a c eo f t h e d i r tl a y e ra n dt h et h i c k n e s so ft h ep i p e ，t h et h i c k n e s so ft h ed i r tl a y e rc a nb e e v a l u a t e d t h em e a s m e m e mr e s u l t sv e r i f i e dt h a tu t i l i z i n gt h eu l t r a s o n i cp u l s e r e f l e c t i o nm e t h o da n dt r a n s m i s s i o nm e t h o dc a nm e a s u r et h et h i c k n e s so ft h e d i r ta c c u r a t e l y k e yw o r d s ：p i p e l i n ed i 坨u l t r a s o n i cd e t e c t i o n , w a v ei m p e d a n c e ，t h i c k n e s s ， a d a p t i v ef i l t e r i n g - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 月7 日 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 如。6 年f 月，7 日 删g 年j 月，7 日 中国石油大学( 华求) 硕士论文第l 章前智 第1 章前言 根掇大量资糙分析袭明，在凰内终麓油长输管道中，由于杂质含量蹇 等原因，使用一段时间詹，管道内壁上就会结垢，使管邋有效输送口径变 企，降低警道鳇竣送戆秀。结鬓严重瓣，霹畿壤塞管道，造成警遴无法疆 常输送，甚至发生安全事故。原油从地下采出时，伴随赞许多杂质，如沉 沙。奁滚蛋并发避疆孛，随着注瘩采漓靛逶行，采演势食承量誉甄上舞， 特别是在进入中、高含水期后，采油过稷中压力和温度的急骤交化，地蕊 集输管道结构闯题目趋严重，给油田的安全生产和经济效益带来了严重影 嫡。原油的含蜡震一般较高，在原油输邀过程中，输油螯道会因结垢两蜷 塞。输油管道内结垢速度与原油成分、环境温度等多种阙素有关，无法预 溅彝对悔缝发生辍塞。这给我钓戆生产豢寒7 誉嶷影嚷，甚至挨失。必了 解决这螋问题，就需要及时有效的清除篱垢。 1 1 课颟的研究意义 目前除垢的方法和技术已经十分丰寓，一般情况下，当管道使用一段 辩露，兹层形袋一定浑发辩，使惩毡学清洗裁清洗管遂。男癸，j 丕骞管道 “机器人”除垢等。但不论何种除垢方式，在除垢前都需蒙对管道结垢的 浮度有一个初步鹃了解。在现阶毅一般怒入为遮通过经验翔断搿时采取除 垢及如何除垢，这样就会出现当垢层厚度不大，就盲目除垢，造成资源浪 费和对管道不必罄的磨损；而当垢层厚度很大时，不能及时做除垢处理时， 又会造成管道堵塞，甚至发生安全事故。嚣此，溽找一耱麓单、经济静捡 测方法，在管道外部对管道内垢艨厚度进行测量，以便及时采取措施除垢， 薅壹恶拣事敖熬发生，犬幄度降低譬遂缀护、受换费曩，兵有重大懿经济、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前宙 环境效蓣。 i 2 管道测垢的国内外研究现状1 粥 通常判断管道中绪琚情况豹方法是敲击醑酱，然蔼这种方法有着很大 的局限饿，对人的经验要求很藏，面且误差较火，经镪会导致除垢时化 学药品的大量浪费和高代价的擞产停工 晷翦，对慈孬中戆长输譬遂，在终瓤遘嚣壤确、定点、快速检测建部 结垢情况技术禚国内外成型的技术还仅局限于射线检测。 嚣蔫，由天津匿纯公霉掇槭磁究掰慧荔建羔簿公霹念终，磺囊l 藏臻了 在役管道c r 检测仪，采用y 射线c t 扫描技术，直接对猩役管道( 管道外 径3 0 汹) 进行腐镪络琚、堵塞捡灏。运过辩捡测数据进行在线分橱楚 理，以图像和数据两种方式显承出检测结果。 国矫部分，新伦贝谢公司谶期与挪威f r a m o 工程公闭研究歼发出双能 爨光谱￥射线移一耪文反里滚爨诗配合检测稿监控管道情况的凝技本。 但怒射线检测具有放射性，对仪器的使用局限很大。相比老下超声捡 溅装本舞有激下凭点；l 无浮染、无歉瓣缝、声源易黢褥；2 ) 繇境逶疲 能力强。 超声渡捡溯原理麓攀，设备轻便，肖实瑷魏场或在绫检测，对身俸笼 害。随豢计算机和信息处理技术的迅速发展，超声检测盼可靠悭和直观性 也大为提高。 为了解决喾遵安全生产的闯题，墩器上一魑先进灏家早在2 0 世纪6 0 年代就开始管内检测设备的研制。经过几十年的发展和完善。目前，这项 技零毫瓣溪或熟，警悫怒声波梭溅技术被国蠹势广泛采惩。霉终一些茨逡 国家已将管道越声波检测器用于实际梭测，我图也已研制出超声波检测 器。裣灏设备蜀戳在警遂输送分震熬驱动下，在线捡溺掰管道纛存在豹备 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 种缺陷，为管道事故的预防及管道的合理维护提供了科学的依据。管内超 声波检测器可以在不中断输送的情况下，通过采集管壁厚度来判断管壁的 腐蚀情况 1 3 课题主要研究内容 本课题的研究目标是采用超声波检测技术对需检测的管道在外部进 行不停产检测，以了解管道当前的使用情况。有以下几方面的研究内容： 1 3 1 测量方法 因为对管道结垢的检测，涉及无损检测技术。在课题中通过研究无损 检测的现状和比较多项具体的无损检测技术，确定了超声波检测方法，进 而在对超声波检测的相关物理知识的研究中，自行研究推导了大量有用的 理论公式，确定了利用超声反射谱测量钢管厚度与垢层波阻抗的线性化最 小二乘反演方法，以及采用反射与透射相结合测量垢层厚度与纵波速度的 方法。 1 3 2 超声反射波中界面信号的提取方法 超声反射波中不同界面的超声反射波相互叠加和干涉，无法直接读取 垢层内界面回波的到达时间，需要对信号做进一步分析和处理。通过对层 状介质的理论分析，在研究了一系列信号处理方法的效果之后，确定了利 用自适应噪声抵消提取水泥层内界面信号的方法。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性( 声速、衰减、反射、 声阻抗等) 来实现对非声学量( 如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、 温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等) 的测定。它的基本原理是基于 超声波在介质中传播时遇到不同的介面，将产生反射、折射、绕射、衰减 等现象，从而使传播的声时、振幅、波形、频率等发生相应变化，测定这 些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。与传统超声技 术完全不同，新的超声技术具有以下特点：在不破坏媒质特性的情况下实 现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测量。 因此本课题选择了超声波检测管道结垢的方法。 2 1 超声波检测的理论基础阴 2 1 1 超声波的基本概念 超声波是指频率超过2 0 k h z 的声波超声波检测中常用的工作频率 在0 2 5 - - 2 0 m h z 范围内。超声波的波型：纵波、横波、表面波、板波。 超声波的传播方向与质点的振动方向一致的波，称为纵波。纵波可在气、 液和固体中传播。超声波的传播方向垂直于与质点的振动方向的波，称为 横波。横波只能在固体中传播。 设有一波速为c 的平面余弦波在无吸收的无限均匀介质中沿x 轴的正 向传播，波长五，波速c ，频率和周期r 之间的关系为： c ：笔= 虿 ( 2 - 1 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 2 1 2 超声场的特征量 ( 1 ) 超声场：介质中有超声波存在的区域称为超声场。 ( 2 ) 声压：在超声场中，某一点在某一瞬间所具有的压强与没有声波存 在时该点的静压强之差称为声压。单位为帕斯卡( p a ) 。声压是个交变量， 可以表示成： p(r)=pcos(cot+伊)(2-2) 声压的大小反映超声波的强弱。 ( 3 ) 声阻抗：声场中某点的声压p 和该点的质点的振动速度v 之比为该 点的声阻抗率，表示成： z ，= 里 ( 2 3 ) y 在理想的连续介质中，对于平面波，可以证明： 乙= + p c ( 2 4 ) p 为介质密度，c 为介质声速，正号表示前进的平面波，负号表示反向的 平面波。 ( 4 ) 声强：在垂直于声波传播方向上，单位面积上在单位时间内所通过 的声能量称为声强度( 声的能流密度) ，简称声强( i ) 2 1 3 超声波在界面上的垂直入射的行为 2 1 3 1 反射和透射 当超声平面波垂直入射到声特性阻抗不同的两介质的大平界面时，如 图2 - 1 所示。入射波能量( 声强为厶) 的一部分进入介质i i 成为透射波 ( 声强为) ，另一部分能量被界面反射回来，仍在介质i 中传播，成为 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 发射波( 声强为i r ) ，根据能量守恒定律有： l q = i t + lr t 泺k l tz t = p t 图2 - l 对大平界面垂直入射时的反射和透射 ( 2 5 ) 在实际超声检测工作中，常用发射波声压( p ，) 与入射波声压( p o ) 的 比值表示生反射系数r ，且有 ，；盟：墨二鱼 风乞+ 毛 ( 2 - 6 ) 用透射波声压( p 。) 与入射声压( p 。) 的比值表示声压透射系数t ，有 f ：旦；! 1 2( 2 7 ) p oz 2 + 无 由于声强和声压的关系可以表示为，= p 2 2 z ，相应的有 声强反射系数r = 等= ，2 = l z 2 - - e l 2 ( 2 - 8 ) 声强透射系数r = 专- ( 茏) 2 ，皋：尚 c 2 一。， 其中厶为入射声能，为反射声能，为透射声能。 ( 1 ) 若毛* z 2 ，可以看出，* 0 而，* i 。这时几乎没有反射而全部从第1 介质透射入第1 i 介质； ( 2 ) 若z 1 z 2 ( 超声波从钢射入水中) ，则声波在界面上几乎全反射而透 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 射极少； ( 3 ) 若毛 z 2 ( 超声波从水射入钢中) ，* i ，t * 2 。 此处f l 并不与能量守恒定律矛盾。因为根据，= 芝= 尝可以看 三o cz z 出，p 增大的同时z 也较大，总效果仍然符合入射声能等于反射声能与透 射声能之和。 2 1 3 2 往返透射比 如图2 - 2 所示，入射声压为p o 的声波经毛z ：界面部分透射到第二介 质中并在底面由空气界面完全反射后又透射过z ：i z , 界面并得到声压p ， 返回声压a 与入射声压风之比即为往返透射比l 。 旦：旦 ( 2 1 0 ) p o毛+ z 2 丝：- 丝l ( 2 1 1 ) p tz 、+ z 1 可得砟= 告。鲁2 瓣4 z l z 2 1 p op | u t + z 2 r p p n1 只 毛l 、 z l b 只 a i r z 0 图2 2 声压往返透射比 2 1 3 3 多层平界面时的反射和透射 ( 2 - 1 2 ) 主晒油大学( 华东) 硕士论文第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 假设具有均匀厚度，的一层介质处于两种不同介质之间，三种介质的 声特性阻抗分别为z i ，z ：和z 3 ，而声波垂直入射到x = o 的界面上。如图 2 3 所示。 、 五 、弓 毛 ，0 、 a ( i ) 弋( i i ) 、 ( i i i ) r 辜 r p ， x = ， x = 0 、 图2 3 在介质层上垂直入射时的反射和透射 当介质i 中的入射波到达x = o 处的界面时，声能一部分被反射，一 部分透射到介质i i 中。这部分透射波入射到与介质i i i 之间的界面上时， 再次产生反射和透射，反射部分会返回介质i 和介质i i 之间的界面而又 重复上述过程。因此，如果入射声波的持续时间小于2 z c ，则在介质i 中可得到一系列反射信号，这些信号之间的时间间隔为2 i c ，且互不相干， 但是当入射声波的持续时间大于2 l c ：时，多次反射、透射波回重叠在一 起产生干涉现象，形成非常宽而杂乱的波。 2 1 4 超声波在传播过程中的衰减 如果不将超声波在介质中传播简化为理想无衰减模型，则超声波在实 际介质中传播时，其能量会发生衰减。超声波在介质中传播时，超声波能 量随声程的增大而逐渐减小，这种现象称为超声波的衰减。 2 1 4 1 超声波束衰减的原因 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 在声波传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声束不断扩 展增大，因此单位面积上的声能( 或声压) 随距离的增大而减弱，称为扩 散衰减。扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。在远 离声源的声场中，球面波的声压p 与声源的距离，成反比( po c l r ) ；而 柱面波则为po c 1 厂r ；对于平面波，声能不随传播距离的变化而变化，不 存在扩散衰减。 由于实际材料不可能绝对均匀，从而会引起声波的散射。被散射的超 声波在介质中沿着复杂的路径传播，最终变成热能，称为散射衰减。 超声波在介质中传播时，由于介质的粘质性而造成质点之间的内摩 擦，使一部分声能转化为热能；同时，介质的热传导、介质的稠密和稀疏 部分进行热交换造成声能的损耗；分子驰豫造成的声能吸收，这种衰减称 为吸收衰减。 2 1 4 2 超声波的衰减规律和衰减系数 对于平面余弦波，升压衰减规律可以表示为： p = p 护1 ( 2 1 3 ) 其中，p 。为入射到材料界面上时的声压；p 为超声波在材料中传播一段 距离8 后的声压；口为衰减系数。 对于大多数固体和金属介质，上述衰减系数口为仅包括散射衰减口。 和吸收衰减，而不包括扩散衰减。若考虑扩散衰减部分，则在晶片中 心轴线上某一距离处( 口 五时，吒f 吉 其中，c 2 、岛、c 4 为常数；f 为各项异性因子；d 为晶粒直径。 2 2 超声波测垢的总体方案 2 2 1 管垢的构成 要检测管垢，首先要了解管垢以石油行业运输管道为例，管道内垢 层通常由以下几部分构成： ( 1 ) 水垢 研究表明即使原油的含水量很低，甚至低至1 - 2 ，也会结垢，一般 为不溶性盐类，多位钙盐( c a c 0 a 、c a s 0 , 等) 。 ( 2 ) 晶体结垢 由管道传输物质结晶所致。 ( 3 ) 机械杂质或有机物的积垢 流体中的泥沙、尘埃及脱落的金属腐蚀产物等，有机物生长结垢与带 点胶体颗粒的作用包裹，会产生疏松、多孔或胶泥状污垢。 ( 4 ) 产品分解 管道传输的产品自身分解，如焦化物等形成的结垢。 ( 5 ) 腐蚀结垢 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 腐蚀性流体会腐蚀管道壁，而沉积结垢。 管垢的构成十分复杂，日积月累垢层会逐渐增厚，随着流速等因素改 变，在管道中的分布也不尽均匀。 2 2 2 超声测垢方法的选择 超声波测厚的方法有脉冲式、共振式和兰姆波式三种。共振式和兰姆 波式测厚精度较高，但对工件的表面光洁度也要求较高，一般只用于测量 飞机及导弹等表面光洁的材料。脉冲反射式测厚法虽精度不如前两者的精 度高，可是其方法简单易懂，对工件的表面光洁度要求不高，多用于测量 表面粗糙的材料。 超声波脉冲反射式测厚又可以分为直接接触法和液浸法。直接接触法 就是将探头通过耦合介质直接与探测面发生接触的检测方法。这种检测方 法具有灵活、方便、耦合层薄、声能损失少等优点。但同时也具有对工件 表面的平整度要求严格，耦合层厚度难以控制，以及探头容易磨损，探测 速度低等缺点。液浸法又称为非接触式测量法，在探头与工件之间填充一 定厚度的耦合剂，探头不直接接触工件而进行测量，这种方法克服了直接 接触法的缺点，使检测对象不受表面光洁度的影响，并消除了耦合层难以 控制的因素。超声波脉冲反射式测厚通常采用度越时间法，即利用，= v t 2 计算被测物体的厚度。式中$ 为被测物体的厚度，v 为超声波在物体中的 传播速度，t 为超声波的往返时间间隔。 由于结垢的组成是变化的，在这种情况下，结垢中声速是未知的，不 能直接应用传统的超声波脉冲反射法检测结垢的厚度。本文采取反射与透 射相结合的方法，测量结垢的厚度与结垢中的纵波速度【羽。 图2 - 4 ( a ) 给出了测量过程中两个超声波探头的放置位置和超声波 信号的传播路径。采用直接接触法测量，进行一次反射测量和一次透射测 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 量。首先，探头t l 发射脉冲p o ( t ) ，接收钢管外表面、内表面和结垢内 表面的反射波记为r t ( t ) ；然后，探头t i 发射超声脉冲，由探头t ：接收 穿过油管的透射波记为t 。( t ) 。 d i ( a ) 测垢方法( b ) 测垢原理图 图2 - 4 超声波测垢的方法与原理图 如图2 - 4 ( b ) 所示结垢内界面反射波的到达时间记为f i ，透射波的 到达时间记为岛，则有： a t i ：堕+ 丝( 2 - 1 5 ) qc 2 m 。堕+ 丝+ d o - 2 ( d , + d 2 ) ( 2 - 1 6 ) c tc 2f ” 其中吐为钢管厚度，以为结垢厚度，q 为钢管中纵波速度，c ：为结垢中 纵波速度，c ，为水中纵波速度，以为管道外径。 由式( 2 一1 5 ) 和( 2 - - 1 6 ) 相加得到： 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章超声波测垢的理论基础与总体方案 奶一a t l ：d o - 2 ( d , + d 2 )( 2 - 1 7 ) c ， 钢管中的纵波速度、水中的纵波速度以及管道的外径已知的情况下， 首先测量得到钢管厚度，然后，由( 2 - 1 5 ) 和( 2 - 1 7 ) 式即可计算得到结 垢厚度与结垢中的纵波速度。 对钢管厚度的测量采用液浸法，垂直入射到钢管表面产生的超声反射 波的频谱在钢管的厚度共振频率处产生钢管共振透射峰，利用钢管共振透 射频率可以评价钢管的厚度。同时，利用超声反射谱中钢管共振透射窗内 的复合反射系数，可以定量反演垢层的波阻抗。 超声反射波中垢层内界面信号与钢管内界面信号叠加在一起，被淹没 在强的钢管内界面信号中，无法直接从超声反射波波形中识别垢层内界面 信号的到达时间。应用自适应噪声抵消去除超声反射波中的钢管内界面信 号，将垢层内界面信号提取出来。 2 3 小结 本章首先介绍了超声波检测的物理基础。然后，从管垢的构成入手， 确定了超声波测垢的方案，并从整体上介绍了测量方法。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波测垢实验系统的设计 第3 章超声波测垢实验系统的设计 超声检测信号分析系统的原理是通过超声检测仪和信号采样装置及 计算机的相互协调，实现超声检测电信号的模数转换，并完成检测数据的 存储，计算机根据已量化的回波信号数据，利用有关理论及技术作相应处 理。 3 1 超声波测垢系统的组成及功能 超咽 c p u 控 宙 制 波 、 探 处 头 咂 罾 理 盥 兀 图3 - 1 超声检测系统方框图 超声波测垢系统的组成如图3 - 1 所示。发射电路产生出一个具有一定 功率，一定脉冲宽度和一定频率超声电脉冲去激励超声波发射探头，由超 声波探头转换为超声波向外发射。超声反射波或透射波经过接收探头内压 电晶片再变成电信号，经接收电路放大后，将接收到的超声模拟信号经 a d 采样变成数字信号存入计算机进行数据分析与处理。 3 2 超声波检测实验硬件系统的建立 超声波管道检测实验硬件系统如图3 2 所示。其中，超声波探头既是 超声波信号发生源，也是超声波信号检测传感器；美国泛美公司生产的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波测垢实验系统的设计 5 8 0 0 型超声波分析仪发射、接收和放大超声脉冲信号；h p v x i 测量系统用 以采集和显示超声波信号；自动定位系统用以移动定位超声波探头。超声 波分析仪、定位系统和v x i 测量系统均由计算机控制，形成一套声学测量 系统。 图3 2 超声波管道检测实验硬件系统 3 2 1 超声波探头的选择 3 2 1 1 探头的组成【刀 超声换能器又称超声波探头，是超声波检测系统中最基本的单元之 一。任何可以将其它形式的能量转换成超音频振动形式能量的元件均可以 用于产生超声波。压电换能器是超声检测中较为常用的换能器件之一。压 电超声换能器是利用压电效应及其逆压电效应，实现超声频声压与电压之 间的信号( 或能量) 转换的器件。当媒质有超声存在时，超声声压作用于压 电传感元件使之形变，由于压电效应在元件上敷设的金属电极上施加超声 频电压输出，这就完成了传感器的接收超声波过程。反之，若对金属电极 上施加超声频电压，由于逆压电效应，压电元件就会产生相应的交交振动， 向媒质发射超声波，这就是超声波发射探头的工作过程。 本课题采用的是纵波直探头。主要由压电晶片、保护膜和吸收块组成， 另外还有壳体及连接高频电缆的接插件 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波测垢实验系统的设计 ( 1 ) 压电晶片 超声波探头中的换能器常用压电晶片来制作，当压电晶片受发射电脉 冲激励后产生振动，可发射电脉冲，称为逆压电效应。当超声波作用于晶 片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成响应的电信号，称为压电效应。 利用前者可产生超声波的发射，利用后者可以产生超声波的接收。压电晶 片的振动频率就是探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶 片材料中的传播速度。为得到较高的频率，要求晶片在共振状态下工作， 此时晶片厚度为1 2 波长 ( 2 ) 保护膜 晶片较脆，为了保护其与工件等接触时不损坏，对于在表面平滑的试 件，常在晶片的前面粘附一层氧化铝等制成的硬保护膜；对于表面粗糙的 试件，则使用可更换塑料软保护膜，它可使工件粗糙表面有较好的声耦合， 但声能损失比硬保护膜大。 ( 3 ) 阻尼块 为提高探头发射超声波的频率，常使晶片在共振状态下使用，但是这 样振动不容易停止，难以形成窄脉冲。因此常在晶片背面装上阻尼块以增 大晶片的振动阻尼，并吸收晶片背面发出的超声波。 3 2 1 2 探头的选择标准 超声波探头在超声发射和接收系统中是实现电能和声能相互转换的 关键部分，它的质量直接影响检测的效果。必须根据检测对象，合理选择 探头。探头的选择主要是对探头形式、晶片尺寸、频率等方面选择 ( 1 ) 探头形式的选择纵波直探头。 ( 2 ) 探头晶片尺寸的大小，决定近场的覆盖范围探头晶片尺寸小则近场 的覆盖率小，即近场范围内声束窄。选择探头的原则是声束应尽可能地狭 窄，声束相对于钢管要垂直入射。管道直径一般都比较大，本课题选用晶 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波测垢实验系统的设计 片尺寸为2 c m 的探头。 ( 3 ) 超声波频率很大程度上决定了超声波的探测能力。频率高时，波长 短、声束窄、扩张角小、能量集中，分辨力好，但是被检测面粗糙时，高 频声波散射大，不易射入。待测钢管以及垢层表面粗糙，通过选用多种主 频的探头试测，最终确定选用主频为5 0 0 k h z 的探头。 实验中采用了泛美公司生产的主频为5 0 0 k h z 的a i o l s 和v 1 0 1 型探 头。两种类型的探头的时域和频域响应如图3 3 和图3 - 4 所示： 蜃 盖 图3 3a l o l s 型探头的时域和频域响应 图3 - 4v i 0 1 型探头的时域和频域响应 3 3 2 高精度自动定位测量系统 为了精确和方便的进行实验，减少由于实验仪器或探测装置所处的位 中国石油火学( 华东) 硕士论文第3 章超声波测垢实验系统的设计 鬻及距离的不精确而引越的铡量误差，设计和制作了高精度自动定位铡爨 系统。 3 3 2 i 系统简介 裹糕发自动定整溅羹系统主要氢括耀大邦分。一是褰耪度嵬袋系统。 ：是高精度数据采集系统，系统硬件连线图参见图3 - 5 所示。 图3 - 5 离精度自动定位溺星系统框图 ( 1 ) 高精度定位系统 定位系统的伺服控制部分惑转换器、主控器、驱动器和高精度步进甑 桃等构成。计算机与控制器之间的透信怒通过计算机串日实现的。定位系 统的控制指令及控制信弩通过r s 2 3 2 串行送入i o 主控器r c 2 3 3 ，由主接 器控耱步进驱动器r d - 0 2 3 骐s ，然惹由步遴驱动器e d - 0 2 3 m s 完成瓣步遘惫 机的驱动。 ( 2 ) 蔫糖度数攒采集系统 高精度数据采集系统主要包括计算机，高性能串行拨口总线 i e e e l 4 3 7 ，c 尺寸豹v x i 辊箱等。v x i 系统所采蠲的v x i 总线标准是在v 蹶 总线的基础上，增加仪器所需的傣号线巅形成的，具有优良的交嚣操作惶、 商性能韵背板、离数据传输率、模块化结构等种种优点，并且v x i 既可用 文本式鹣编程语富，磐c ，v i s u a le + + ，l a bw i n d o w s c v i 等谖京秀发， 叉可与另一类图形化编稷语言，代表性的有h pv e e ，l a bv i e w 等语言开 笈，在本系统孛采震嚣v e e 终为编程软锌平台。 中国石油太学( 华泶) 硕士论文第3 章超声波测垢实验系统的设计 3 3 。2 2 软件实现 ( 1 ) h pv e e 控制仪器简介 9 1 - 1 1 1 高精度自动定位测爨系统的运行过程是由h pv e e 软件编程控制实现 缝。珏pv e e 在仪器控剑努蟊提供了直双豹软 牛露扳( i n s t r u m e n tp a n e l ) 方式和灵活的直接输入输出( d i r e c ti o ) 方式，并支持e p - i b ( i e e e - 4 8 8 ) 、g p i o 、r s - 2 3 2 黟v x i 等多静接弱。h p ￥蘧整裁仪器害嚣 种对象方式，分别是面板驱动程序，v x i 即插即用驱动稔序，使用d i r e c t i o 对象来发送念令审，以及为踅插卡弓 入i o 库。h pv e e 在控制定位 系统时，通过串口传输指令，采用了直接输入和输出方式，它有三神功能， 直接向仪器写文本命令、从仪器中读取数据以及上载下箴仪器状态。对 予v x i 设备，综会利用了h pv 瓿提供的直接竣入羁输如方式秘v x i 即掭 即用驱动程序方式。 ( 2 ) 程窿实现 高精度自动定位测攮系统控制过程为首先初始化伺服控制系统和v x l 设备，然后调蘑予程痔，对子程侉功藏滋行选择并执行之。整个程寿的流 程图见圈3 - 6 ( a ) 所示。 其巾的程序功能包括系统参数输入、定位系统工作轴的任意曲线运动 以及在运动时实现数据采集等，具体实现过程参见图3 - 6 ( b 爱示。在 l i pv e e 环境中，程序功能里的每个小予功能都可以在用户定义函数中宪 残，傣瑗了h pv e e 豹摸涣诧特拣。 3 。4 蠢、结 零攀善走奔缪了捡溅系统熬缓戒及务部分黪臻缝；然蜃，美终诱鼹了 验证检测方案所用实验装置的设计。 中冒石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波测垢实验系统的设计 ( a ) 主程序流程图( b ) 功能选择子程序流程图 图3 6自动定位测量系统的程序流程图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章钢管厚度与垢层波阻抗的测馒 第4 章钢管厚度与垢层波阻抗的测量 4 。1 钠管厚度的测鐾 要利用反射积透射提结合的方法测霪垢层的厚度，嚣要首先测量钢篱 的厚度。垂直入射到固体钢管表面产生的超声反射波的频谱在钢管的厚度 荚攘鬏率处产生锈警共振透羹孛蜂，列蔫镶警共撅透懿鬏翠可敬评玲露体镶 管的厚度【1 2 】t 垌。 4 1 1 梭测原理 由于超声脉冲的频率高且篱道曲率半径较大，为近似处理，把管道检 溅闯憨筠化为数冲声波在水平多层奔墩中的反射和透射闽题。理论模型交 4 层平灏分层弹性介质组成，如图4 1 所示。 z l d l ， ，钢管 z 2d 2 结垢层 图4 - i 水乎多层分质的理论模型 4 层介质的密度为n 、纵波速度为c 。( f = o ，3 ) ；待测量钢管和垢层 的厚度分翱为d l 和d 2 撵隽楚纯移近似娥理，羧设镶管( 镊扳) 会子嗣一秘滚髂( 镤魏永) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章钢管厚度与垢层波阻抗的测量 之中，根据声波在多层介质中传播的理论可以计算出声波垂直入射于液浸 钢板时的反射系数和透射系数，计算时取钢的纵波波速为5 9 0 0 m s ，密度 为7 8 0 0 k g m ：水的波速和密度分别为1 5 0 0 m s 和1 0 0 0 k g m 3 。 d | 图4 2 声波自水中垂直入射于水浸钢板时的 反射系数和透射系数与频率之间的关系 图4 2 中画出了反射系数和透射系数分别与频率的关系。可见声波的 反射系数和透射系数随钢板厚度的变化呈周期性的变化。在某些频率点 上，声波的反射系数和透射系数分别取得极大值和极小值；而在另外一些 频率点上声波的反射系数和透射系数分别取得极小值和极大值。进一步的 分析可见，当满足 要2 或五副三2 d 肛( 1 2 ，3 ，) “- 1 ) 时，声波的反射系数取得极小值而透射系数取得极大值，这恰好是固体 板厚度的共振条件。 可以设想，当使用足够带宽的超声波探头发射出的脉冲波经液浸固 体板反射回来时，超声反射波的频谱会在满足式( 4 1 ) 条件时出现钢管 共振透射峰。反过来说，若在超声反射波的频谱中发现与厚度共振对应的 钢管共振透射峰，就可以利用式( 4 1 ) 来计算固体板的厚度。这就是超 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章钢管厚度与垢层波阻抗的测量 声稼狰爱射法溯薰钢警殍度静声学理论基础。 4 。 。2 赛验缝暴与分耩 剥嬲第三章中套缓瓣实验装置，采怒a i o l s 型探头瓣不嚣浮度豹镄管 进行检测。实验时将钢管和探头浸入水中，调带探头与钢管的位置，使脉 砖声波缝够鑫窳中垂意入袈手镶警。辩癌锈管爱麓霾来熬躲捧声波进符最 示、采榘和分析，得到了一些十分有意义的结果。 ( a ) 超声反射渡q ) 频谱 图4 - 3 厚度为6 m m 的钢管的趣声反射波与及其对应频谱 量 ( 8 ) 超声及射波( b ) 频灌 图4 - 4 厚度为7 m m 的钢管的超声反射波与及其对应频谱 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章钢管厚度与垢层波阻抗的测量 呈 c a ) 超声反射波c b ) 频谱 图4 5 厚度为8 m 的钢管的超声反射波与及其对应频谱 由不同厚度的钢管反射回来的超声反射波时域波形如图4 - 3c a ) 、4 - 4 ( a ) 、4 - 5c a ) 所示，相应的频谱如图4 _ 3 ( b ) 、4 - 4c b ) 、4 - 5c b ) 所 示。由图可见，钢管厚度不同，钢管的超声反射波的形态无明显差别，但 超声反射波的频谱却有显著的差别。 对应于厚度分别为6 咖、7 m 和8 m m 的钢管的超声反射波的频谱分别 在频率为4 6 8 2 5 1 k h z 、4 1 0 5 0 8k h z 和3 5 1 0 9 5 k h z 处出现极小值，我们 把这些频率点称为钢管共振透射频率( f ) 表4 _ l 不同厚度钢管的测量结果 根据式( 4 - 1 ) 计算出钢管的厚度( 屯) 如表4 _ 1 所示表p 1 中还 列出了用超声脉冲反射谱法测量钢管厚度与钢管实际厚度cd o ) 的相对 中国石油犬学( 华东) 硕士论文第4 章钢管厚度与垢层波阻抗的测墩 谬差值由测量缩果可觅，乖j 用怒声脉冲反射谱法可戬魄较准确雉溺量诵 镣的厚度，最大误差为5 左右。铜管比较粗糙时测量误麓较大。 4 1 3 管内结垢对钢管厚度测量的影响 为了研究钢管内结垢对钢管厚度测墩结果的影响，把管内胶结上水泥 来模羧兹篡。把瓣菠结永泥靛锈管溅量德爨豹绪栗与未黢结承嚣对静测囊 结果进行对比，见图4 - 6 所示。 夏 差 ( 8 ) 来胶络承滋豹锈管懿超声反射波及羧谱 ( b ) 胶缩水泥的钢管的超声反射波及频谱 蚕争8 未黢绻拳淀尚获维承浞钢管瓣测量终莱薅毙 从圈上可以看出，未胶结水泥和胶结水泥的钢管的熬振透射峰位置基 本保掩不交，逡貔是说羧结承瓣麓未胶绦求淀对译侨镶篱簿度豢本没煮影 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章钢管厚度与垢层波阻抗的测量 响；另外，从图4 - 6 可以看出，尽管未胶结水泥和胶结水泥的钢管的共振 透射峰位置保持不变，但谱线形态却发生了变化，管内结垢的存在使钢管 共振透射峰形态变得圆钝，不如管内是液体时尖锐，这是由于声阻抗差异 引起的。因此，在测量钢管厚度的同时，可以首先根据反射谱的形态初步 判断出管内是否结垢。 4 2 垢层波阻抗的反演 分层介质的超声检测已经得到广泛的研究，但对于这类具体的分层介 质，利用超声反射波信号对管内介质的物性和几何参数进行反演时，面临 以下困难：( 1 ) 由于管( 钢) 的强屏蔽作用，探头发射声能的9 0 都被钢 管内界面反射，而携带管内目的层( 垢层) 信息的弱反射波被钢管的多次 反射波掩盖，再加随机噪声的干扰，构成了定量反演的困难。( 2 ) 由于待 求厚度只出现在目的层相移的正切函数的宗量内，反演操作将遇到多值问 题哪l 啦。 从图4 6 所示的超声反射波波形及其幅度谱看出，水嘲管界面是高波 阻抗差界面，探头发射的超声能量9 0 以上被该界面反射，在回波序列中 形成的是o 2 5i ls 间幅度很大的钢管外界面的直接反射波；在2 5l ls 以后 是钢管的多次反射波和管内各介质层的反