（精密仪器及机械专业论文）海底管道超声检测信号的时频分析及缺陷评估研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 海底管道超声检测信号的时频分析及缺陷评估研究 摘要 海底输油管道作为大量输送石油、气体等能源的安全经济的运输手段在世界各 地得到了广泛应用。管道在运行过程中会受到各种环境因素的影响，必须对海底管 道进行定期检查和维修，以保障在役管道的安全运行，延长使用寿命。超声检测技 术因其所具有的检测精度高的优点一直受到管道检测专家和学者的高度重视。超声 检测信号的处理和缺陷评价技术是海底管道超声检测系统中的关键技术之一，它是 海底管道安全状况评估和维修的主要依据。本论文致力于海底管道超声无损检测中 的超声检测信号的消噪处理、时频分析和缺陷评估的研究。 用超声波对管道进行检测时，缺陷信息将通过接收到的超声回波信号的幅度、 频率或相位来表现，但由于实际材料的复杂性，以及超声波与材料微结构相互作用 的复杂性，导致了接收到的超声信号的非平稳性。因此，如何从这些信号中提取所 需信息是一项困难而又重要的课题，也是无损检测的必要手段。本文采用了一种全 新的非平稳、非线性信号分析方法h i l b e r t h u a n g 变换( h i l b e r t - h u a n gt m n s f o r i l l ，简 称h h t ) 对超声检测信号在时频域进行分析和处理，提取超声检测信号的时频域特 征，从而能更深入、更全面地识别超声检测信号中隐含的信息，为超声回波信号的 提取与处理提供一个更准确、更接近实际的分析方法。 本文首先对h h t 进行了全面、系统的论述与分析，以理论和分析的结果充分说 明了h h t 用于超声信号分解和时频分析的合理性和有效性。 用h h t 方法对超声信号进行时频分析的仿真结果表明，由经验模式分解 ( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，简称e m d ) 得到的一系列自适应的超声信号固有 模式函数( i n t r i n s i cm o d ef t m e t i o n ，简称i 枷f ) 能够很好地表征超声信号的非平稳特 性；与小波分析方法相比，时间频率幅值( 能量) 表示的三维h i l b e r t 时频 谱更能真实、准确地反映出超声信号蕴含的特征信息。 超声信号的预处理水平直接关系到管道超声检测中缺陷识别的精度。在海底管 道超声检测信号中含有大量的噪声，必须对其滤除。本文在对e m d 分解的滤波特性 深入分析的基础上，提出了一种基于e m d 的消噪算法。该算法充分保留了信号本身 摘要 的非线性和非平稳特征，具有自适应性强、多尺度、时频域滤波等特点，在信号的 滤波和消噪中具有很大的优势。在此基础上，本文还提出了改进的e m d 消噪算法： e m d 硬阈值消噪、e m d 软阈值消噪算法。仿真结果表明，基于e m d 分解的消噪算 法对超声信号的消噪是相当有效的，即使在强噪声的干扰下，也能对超声缺陷回波 信号突变位置进行准确定位，在有效降低噪声影响的同时，能够最大程度的保留缺 陷的特征信息，具有良好的时间( 位置) 分辨率。与小波消噪方法的比较结果表明 在不同的噪声水平下两种方法在提高信噪比方面效果接近。另外，同小波消噪相比， 本文提出的消噪方法不需要预知信号的特征信息，更适用于非平稳信号的滤波和消 噪，可望实现更好的消噪效果。 文中最后介绍了最新研制成功的“海底管道超声在线检测系统”模拟机。针对 海底管道壁厚减薄状况和腐蚀缺陷的检测，建立了管道腐蚀缺陷的量化分析模型： 提出了一种基于h h t 边缘谱的壁厚测量算法；同时，根据缺陷尺寸参数识别结果采 用管体腐蚀尺寸损伤、最大安全工作压力等方法对缺陷的安全评价进行了研究。在 海底管道缺陷识别和评估算法理论的基础上，编制了离线缺陷识别和评估软件包用 来对缺陷尺寸参数的识别，并对缺陷进行2 d 显示，对缺陷的等级进行了评价，为海 底管道运行安全评估和维修提供依据。 最后对论文的研究工作进行了总结和展望。 关键词：管道检测超声信号处理h i l b e r t - h u a n g 变换e m d + 本学位论文受国家“十五”8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a 6 0 2 0 2 1 ) 资助。 i i 圭塑至塑查兰堕圭兰堕堡窒 a s t u d y o i lt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sa n dd e f e c te v a l u a t i o nf o r o f f s h o r ep i p e l i n eu l t r a s o n i ci n s p e c t i o n a b s t r a c t 0 f f s h o r eo i lp i p e l i n e sa r e 谢d e l yu s e d 船ak i n do fs a f ea n de c o n o m i c a lm e a n so f t r a n s p o r t i n gam a s so fe n e r g ys o u r c e s s u c ha so i la n dg a sa l lo v e rt h ew o r l d v a r i o u s e n v i r o n m e n tf a c t o r sa f f e c tp i p e l i n e p e r f o r m a n c e ，s ot h ei n s e r v i c ep i p e l i n e m u s tb e i n s p e c t e da n dm a i n t a i n e dt i m e l yf o rt h es a k eo fg u a r a n t e e i n gi t ss a f e t ya n dp r o l o n g i n gi t s l i f e u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ni sg a i n i n gg r e a ta t t e n t i o nb yp i p e l i n ei n s p e c t i o ns p e c i a l i s t sa n d s c h o l a r sd u et oi t se x c e l l e n c eo fh i 【曲a c c u r a c y s i g n a lp r o c e s s i n ga n dd e f e c te v a l u a t i o n t e c h n i q u ei s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t t e c h n i q u e si no f f s h o r ep i p e l i n eu l t r a s o n i c i n s p e c t i o ns y s t e m , a n di ti st h em a i nb a s i so f o f f s h o r ep i p e l i n es a f e t yc o n d i t i o ne v a l u a t i o n a n dr e p a r a t i o n t h j sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e dt h eu l t r a s o n i cs i g n a ld e n o i s i n gt e c h n i q u e t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sa n dd e f e c te v a l u a t i o ni nt h en d ti n s p e c t i o no f o f f s h o r ep i p e l i n e s i nt h ei n s p e c t i o no fp i p e l i n eu s i n gu l t r a s o u n d ，i n f o r m a t i o no fd e f e c t si sp r e s e n t e db y t h ea m p l i t u d e ，f r e q u e n c y , o rp h a s eo ft h er e c e i v e du l t r a s o n i ce c h o e s ，b u td u et ot h e c o m p l e x i t yo fm a t e r i a la n dt h ei n t e r a c t i o no fm i c r os t r u c t u r ea n du l t r a s o u n dw a v e ，t h e r e c e i v e du l t r a s o n i cs i g n a li sn o n - s t a t i o n a r y t h e r e f o r e ，h o wt oe x t r a c tu s e f u li n f o r m a t i o n f r o mt h e s es i g n a l si sad i f f i c u l ta n di m p o r t a n tp r o b l e m ，a l s oan e c e s s a r ym e a n so f n dt _ i n t h i sd i s s e r t a t i o n , an o v e la p p r o a c hf o ra n a l y z i n gn o n l i n e a ra n dn o n s t a t i o n a r ys i g n a l s ， c a l l e dh i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ( h h t ) i su s e dt o a n a l y z eu l t r a s o n i cs i g n a l s i n t i m e f r e q u e n c yp l a n e ，f o rt h ep u r p o s et om o r ed e e p l y , f u l l yr e c o g n i z et h ei n f o r m a t i o n i m p l i e dw i t h i nu l t r a s o n i cs i g n a l sa n dp r o v i d eam o r ea c c u r a c y , a p p l i e dm e t h o df o r e x t r a c t i n ga n da n a l y z i n gu l t r a s o n i ce c h o e s f i r s t l y , h h ti sd i s c u s s e da n da n a l y z e dw h o l l ya n ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h er a t i o n a l i t y a n dv a l i d i t yo fa n a l y z i n ga n dd e c o m p o s i n gu l t r a s o n i cs i g n a l sb yh i - i ta r es u f f i c i e n t l y t e s t i f i e db yt h er e s u l t sf r o mb o mt h e o r e t i ca n da n a l y t i c a li n v e s t i g a t i o n s s e c o n d l y , h h tt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z i n gt h eu l t r a s o n i c s i g n a l s as e to fa d a p t i v ef u n c t i o n sn a m e di n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n s ( i m di sd e r i v e df r o m t h e u l t r a s o n i c s i g n a lb ye m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) ，w h i c hc a nw e l l d e m o n s t r a t et h en o n s t a t i o n a r yc h a r a c t e r i s t i co ft h eu l t r a s o n i cs i g n a l c o m p a r e dw i t ht h e w a v e l e ta n a l y s i sm e t h o d ，t h en e w t i m e f r e q u e n c y a m p l i t u d e ( e n e r g y ) d i s t r i b u t i o n , n a m e d h i l b e r ts p e c t r u m , p r e s e n t st h en a t u r a lf e a t u r e so fu l t r a s o n i cs i g n a l sm o r et r u l ya n dm o r e c o r r e c t l y i i i 摘要 1 r i l el e v e lo fs i g n a lp r e p r o c e s s i n gi s d i r e c t l yr e f e r r e dt ot h ea c c u r a c yo fd e f e c t r e c o g n i t i o ni nt h ep i p e l i n ei n s p e c t i o n i nt h eu l t r a s o n i cs i g n a l so fp i p e l i n ei n s p e c t i o nt h e r e a r ec o n s i d e r a b l en o i s e sw h i c hm u s tb ef i l t e r e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , o nt h eb a s i so fd e e p a n a l y s i so f t h ef i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i co f e m d an e wd e n o i s i n ga l g o r i t h mb a s e do ne m d i sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h mf u l l yr e s e r v e dt h en o n l i n e a ra n dn o n s t a t i o n a r yc h a r a c t e r i s t i c o fo r i g i n a ls i g n a l a l s oi ti sa d a p t i v e ，m u l t i - s c a l a r , t i m e f r e q u e n c yf i l t e r i n ga n dd o m i n a t e s i nt h ef i l t e r i n ga n dd e n o i s i n go fs i g n a l s o nt h i sb a s i s ，t w oa d v a n c e de m dd e n o i s i n g a l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d ：e m dh a r d - t h r e s h o l d i n ga n ds o f l - t h r e s h o l d i n g 1 1 1 er e s u l t so f s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ee m d b a s e dd e n o i s i n gi ss i g n i f i c a n t l yv a l i dt ot h ed e n o i s i n go f u l t r a s o n i cs i g n a l s e v e nf o rh i g hn o i s yi n t e r f e r e n c e s ，u l t r a s o n i cd e f e c te c h o e sc a nb e l o c a l i z e da c c u r a t e l ya n ds i m u l t a n e o u s l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e f e c t sa r er e s e r v e da n d h a v eg o o dt i m er l o c a t i o n ) r e s o l u t i o n n er e s u l t so fc o m p a r i n gw i t hw a v e l e td e n o i s i n g m e t h o ds h o wt h a to nt h ed i f f e r e n tl e v e l st h et w om e t h o d sa l es a m ea ti m p r o v i n g s i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) c o m p a r e dw i t hw a v e l e td e n o i s i n g t h ep r o p o s e da l g o r i t h m s d o n tn e e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i g n a l sp r e v i o u s l y , a n da r em o r es u i t a b l ef o rt h e d e - n o i s i n go f n o n - s t a t i o n a r ys i g n a l s ，a n da r ee x p e c t e dt oh a v eb e t t e rd e n o i s i n ge f f e c t s f i n a l l y , an e w l yd e s i g n e d “o f f s h o r ep i p e l i n eu l t r a s o n i co n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e m s i m u l a t i o nt o o li si n t r o d u c e db r i e f l y i no r d e rt od e t e c to f f s h o r ep i p e l i n ew a l l - l o s sa n d c o r r o s i o nd e f e c t s ，am o d e lo fq u a n t i f i c a t i o no fw a l l - l o s sd e f e c t si se s t a b l i s h e d an e w w a l l - w i d t hm e a s u r ea l g o r i t h mb a s e do nh h t m a r g i n a lh i l b e r ts p e c t r u mi sp r o p o s e d b y v i r t u eo fr e c o g n i t i o no fd e f e c tp a r a m e t e r s ，t h ep i p e l i n ec o r r o s i o ns i z ed a m a g em e t h o da n d t h em a x i m u ms a f ew o r k i n gp r e s s u r em e t h o dw e r ea d o p t e dt or a n kd e f e c t s ao f f - l i n e d e f e c tr e c o g n i t i o na n de v a l u a t i o ns o f t w a r ep a c k a g ei sd e s i g n e dt oi d e n t i f y , d i s p l a y , a n d e v a i u a p i p e l i n ed e f e c t s t h es o f t w a r ep a c k a g ew o u l do f f e rm a i nb a s i st oo f f s h o r e p i p e l i n ew o r k i n gs a f e t ye v a l u a t i o na n dr e p a r a t i o n f i n a l l yt h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e da n dp r o s p e c t e dt h eo f f s h o r ep i p e l i n eu l t r a s o n i c i n s p e c t i o ns i g n a lp r o c e s s i n ga n d d e f e c te v a l u a t i o nt e c h n i q u e k e yw o r d s ：p i p e l i n ei n s p e c t i o n , u l t r a s o n i cs i g n a l p r o c e s s i n g ，h i l b e r t - h u a n g t r a n s f o r n l ，e m d + t h i sd i s s e r t a t i o ni s s u p p o r t e db y “8 6 3 o ft h eh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo f c h i n a ( n o 2 0 0 3 a a 6 0 2 0 2 1 ) 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：缎为 嗍汐否”月多 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：欲韬 日期：名年，瑚乃日 指导教师签名：汤al 昂之 日期：汐倬。沙月；日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家“十五”8 6 3 课题“海底管道内爬行器及其检测技术”( 项 目编号：2 0 0 3 a a 6 0 2 0 2 1 ) ，是海洋资源开发技术主题下资源与环境技术领域中的 一项重大专项课题，其目的是针对现有海洋输油管道及其检测环境，研究同时采 用漏磁检测法和超声检测法的检测装置、智能定量检测技术及相应的信号处理方 法，为研制具有我国自主知识产权的海洋输油管道智能检测系统提供关键技术。 石油天然气的管道输送在国民经济中占有极为重要的战略地位。油气管道输 送的基本要求是安全、高效。管道一旦发生事故，不仅会造成巨大的经济损失， 而且对社会和环境产生严重的后果，其直接、间接经济损失巨大，修理费用也非 常之高f 1 卅。 随着海洋石油天然气的开发，海底油气管道越来越多，尤其是在沿海和浅海 地区，井组与井组、井组与中心平台、中心平台与陆岸间通过海底管线连成一体， 形成了纵横交错的海底管线输油网。这些海底输油管道在长期使用过程中，由于 受到管内、管外介质的腐蚀等原因，容易产生裂纹、腐蚀、漏孔等缺陷，从而可 能发生泄漏现象而导致安全事故。其中沿海和浅海管线大多都是深埋在海底的沙 土中，管线发生泄漏是很难从外部看出的，长时间的渗透式泄漏将对近海造成严 重污染，不仅会造成巨大的经济损失，而且对社会和生态环境也会产生严重的后 果，其直接、间接经济损失巨大。因此，海洋输油管道的定期检测与安全评估对 确保其安全运行、促进海洋石油持续高速地开发、防止海洋环境污染具有十分重 要的意义。世界各海洋石油天然气生产国对此项工作均十分重视，各国研究开发 部门投入了大量的人力、物力积极开展海洋输油管道安全检测系统的研究p ”j 。 我国在役长距离油气输送管道总长已超过2 万公里，在建和拟建的管道总里 程也有2 万公里，城市天然气管网更是以前所未有的速度发展。目前世界上5 0 以上的管网趋于老化，在我国的油气管道也有近一半已经运营了2 0 年以上，由 于腐蚀、磨损、意外损伤等原因导致的管线泄漏时有发生。为防止管道腐蚀穿孔、 爆管等造成的恶性事故的发生，我国每年用于油气管道维修费用达数亿元，且有 逐步增加的趋势【l l 】。为保证管道运输安全，2 0 0 0 年4 月，国家颁布了相关法令， 规定主干线油气输送管道3 到5 年必须进行管道在线检测。由此看来我国对于管 道检测的需求将会更加迫切，更加突出。但是，目前国内还没有完全掌握长输管 第一章绪论 线内检测技术，而由于利益的驱动，国外能够进行此项检测的公司都对我们进行 技术封锁并漫天要价，使得单纯的租购方案并不可行。因此，我们有必要研制出 具有自主知识产权的长输管道内检测系统，用于我国在役管道的检测，既能打破 国外对我们的技术封锁，又能在不影响正常生产的情况下，以最低的成本对在役 管道进行无损检测及维护，提高长输管道的运行安全性。 海底输油管道的缺陷检测工作是一项十分复杂的系统工程。管道的缺陷形态 表现为多样性及复杂性。海底管道发生腐蚀后，通常表现为管道的管壁变薄，出 现局部的凹坑和麻点，由于海浪、海底地层变化而形成裂纹等。管道内检测技术 就是针对管道的变化来进行测量分析的，通常可分为管道内电视摄像法、漏磁检 测法、超声波检测法以及远场涡流检测法等。管道内电视摄像法需和其他方法配 合才能得出有效准确的腐蚀数据，而远场涡流检测法虽然可适用于多种金属材 料，可探测蚀孔、裂纹、全面腐蚀和局部腐蚀，但是涡流对于铁磁材料的穿透力 很弱、只能用来检查表面腐蚀。而且，如果在金属表面的腐蚀产物中有磁性垢层 或存在磁性氧化物，就可能给测量结果带来难以避免的误差。另外，由于远场涡 流法的检测结果与被测金属的电导率有密切关系，为了提高测量精度还要求整个 检测环境最好保持恒温。所以，目前国内外使用较为广泛的管道内检测方法是漏 磁检测法和超声波检测法。 。国家十五“8 6 3 ”重大专项课题( 2 0 0 3 a a 6 0 2 0 2 1 ) “海底管道内爬行器及其 检测技术”正是在这样的应用背景下开展起来的，其目的是针对现有海底输油管 道及其检测环境，研究同时采用漏磁检测法和超声检测法的检测装置、智能定量 检测技术及相应的信号处理方法，为研制具有我国自主知识产权的海底输油管道 智能检测系统提供关键技术【”】。 本论文即来源于此课题。超声检测信号的处理和缺陷评价技术是海底管道超 声检测系统中的关键技术之一，它是海底管道安全状况评估和维修的主要依据。 本文致力于海底管道超声无损检测中超声信号的处理和时频分析的研究，为海底 管道超声检测工程样机的研制提供理论依据，以促进超声检测技术在工业检测领 域的进一步应用。研究成果与研究方法不仅适用于海底输油管道的在役检测，而 且对于其他类型的缺陷超声检测也具有较重大的参考意义。 1 1 2 课题的研究意义 现阶段开展对该课题的研究具有以下重要意义： ( 1 ) 海底输油管道检测技术是目前国际无损检测领域的研究热点，国内在此 方面的研究尚很薄弱，开展此项研究有利于跟踪学术前沿。同时，海底输油管道 智能检测系统的研制成功能形成产业，替代进口，为国家节省大量资金。 ( 2 ) 海底输油管道超声无损检测信号的处理、分析和管道缺陷识别评估技术 的研究，无论对海底管道检测技术，还是对超声无损检测技术的发展和应用都具 2 上海交通大学博士学位论文 有非常重要的实际意义。 ( 3 ) 超声波检测是一种先进的无损检测技术，它的显著优点和作用将在石化、 铁道、航空、机械、电力、核能等领域充分发挥出来，创造巨大的社会效益和经 济效益。对海底输油管道超声检测相关的研究理论成果也可以用于以上超声检测 领域，丰富无损检测理论的内容。 1 2 相关领域的国内外研究现状 1 2 1 管道的超声检测技术1 1 3 - 3 6 】 1 2 i 1 国内外管道无损检测现状 。 管道作为一种经济、高效而安全的输送手段一直为人们所关注，但是石油及 天然气开采之后，往往需异地输送，其距离可达数千公里。管道经长期使用后， 其金属管壁因受流体冲刷、电化学腐蚀等作用，会出现裂纹、管壁减薄和腐蚀穿 孔，最终导致输送效率降低，严重时会发生泄漏事故。由于输送管道一般铺设于 地下或海底，管道的维护和抢修成本非常高。因此，世界各国对在役管道无损检 测和安全评价都给予了高度重视。 从上世纪6 0 年代开始。美国、英国、德国、加拿大等国在政府支持下，大 学、科研机构和企业界合作，已投入数十亿美元开展了管道检测技术的研究。由 于输送管道深埋地下，且管道中充满油、气等介质，常规检测方法难以胜任。为 此，一些发达国家相继开发出自己的管道智能检测机，国内称之为管道智能检测 爬行机，进行管内在役检测。管内在役检测为连续检测，主要采用漏磁检测和超 声检测两种。其中，超声检测具有直接测量和定量化的特点，检测精度高。漏磁 检测则局限于材料表面和近表面的检测，被测管壁不能太厚，且检测干扰因索多， 精度较低。 管内智能检测爬行机利用携带的超声、漏磁等传感元件、电子仪器、动力装 置等，在管道内边行走边检测，是一个集机械、控制、检测于一体的光、机、电 综合集成的高技术系统。它被广泛地应用于埋地管道的检测，可在高温、高压条 件下，对数十公里甚至数百公里的各型管道完成在役自动检测。 在役管道智能检测爬机主要用于管壁腐蚀减薄状况和管壁应力腐蚀裂纹状 况的检测。其中，对管壁腐蚀减薄状况及管壁其它减薄状况的在役检测技术已日 臻成熟，且检测精度高。虽然管壁裂纹对管道的安全运行构成威胁，但由于管壁 存在多种裂纹形式，且管道的不同裂纹形式需要采用不同的检测方法，而许多无 损检测方法又存在灵敏度低和数据难以处理等困难，因此，管壁裂纹的检测技术 尚不成熟。近年来，管道检测的重点已转到对应力腐蚀裂纹( s c c ) 、氢致裂纹 ( h i c ) 、硫化物应力腐蚀裂纹( s s c c ) 和管壁涂层的在役检测上。 第一章绪论 我国铺设的地下管道已超过3 0 万公里。然而国内尚未研制出自己的地下管 道在役检测系统。由于无法对地下管道及时检测，难以预知管线内的受损部位及 受腐程度，一旦管道受腐泄漏，将造成重大损失。随着我国西部及近海油田的开 发，将铺设大量的地下及海底管道。做好地下管道在役检测工作，己成为当务之 急。目前，国内的地下管道检测技术处于起步、探索阶段，某些科研单位虽研制 出几种功能样机，但它们仅能对空管道进行检测，且检测距离不足3 0 0 m ，这显 然无法满足需要。 综上所述，国外的管道检测技术经过几十年的发展技术已相对成熟。而国内 的此方面的研究才开展1 0 多年，技术相对落后，特别是在海底管道缺陷检测装 置的设计、大容量数据压缩、缺陷定量识别方面，需要我们进行更加深入研究。 1 2 1 2 管道检测爬机的发展水平 国外对管道检测爬机的研究始于7 0 年代中期，经过2 0 多年的研究和发展， 已经取得了相当大的进展，无论检测精度、定位精度还是数据处理，均已达到较 高水平。 目前，国外在役超声管道检测爬行机的结构一般为一机多节，分别由探头部 分、控制部分、数据处理部分、电源部分及驱动部分组成，总长可达数米。机体 外径从1 5 9 m m 到1 5 0 4 m m 。整机可在管道内作水平或竖直行走，一些检测爬行 机还带有自我行走机构，在t 型管线内行走自如。这些检测爬机行程可达5 0 2 0 0 k m 。 国外主要采用超声波检测技术检测管壁破损程度。其基本原理为：超声探头 以垂直于管壁的方向向管壁发射超声波，经内、外管壁的反射，又由超声探头接 收。接收的数据经压缩后储存在机内，当检测爬机完成检测任务后，将这些数据 输入计算机，通过计算内、外管壁反射波的时间差，确定管壁厚度，得知管壁的 破损程度。管道检测爬机主要涉及以下技术： 1 探头 检测爬机所携超声探头有单探头、双探头、多探头之分。探头数少时，一般 采用反射镜装置。此时，超声探头发出的超声波平行于管道的轴线方向，经反射 镜的反射，光波垂直射向管壁，管壁对其反射后，反射波再经反射镜反射，为超 声探头接收。这种装置的优点是造价低，但检测精度不高。另一种结构是多探头 结构，探头数最多可达5 0 0 多个，这些探头沿检测爬机的径向有序地密布于爬机 探测部分的周围，各超声探头直接向管壁发射超声波，并直接接收反射波。这种 结构的检测爬机内部还设有摆锤及自动调节机构，以免爬机在行进过程中发生转 动，不仅可精确地测定管壁受损的轴向位置，还可确定管壁受损的径向位置。 2 检测定位 定位是确定管道的受损位置。管道的检测定位分外定位及内定位。外定位是 4 上海交通大学博士学位论文 在被测管线所经过的地面上按一定的间隔设置一定数量的y 射线发生仪，当管道 检测爬机通过此位置时，y 射线发生仪发出的y 射线被管道检测爬机的接收装置 所接收，并将此位置作为定位标记储存起来。这样，参照定位标记，便可确定管 道受损部位的大体位置。爬机内部定位标记越多，定位精度越高，但检测成本随 之升高。检测的内定位是指检测爬机自己设置定位标记，它是通过里程轮来实现 的。通用做法是在管道检测爬机的机体外部设置定位轮，此轮由弹簧支撑紧贴被 测管壁。当爬机行走时，里程轮随之旋转，每旋转一周，检测爬机在储存记录里 便设定一个里程标记。与此标记相对照，可容易地确定出管道受损位置。但由于 被测管道的管壁常常覆满垢层，里程轮旋转时会发生打滑，产生定位误差。 目前，管道检测定位一般采取内定位及外定位结合的方法，定位精度可达 o 2 o 3 m 。 3 数据储存 现今的管道在役检测爬机尚无法对管道进行实时检测，只能对各种数据简单 筛选、储存，储存数据有待于二次处理。爬机需储存的数据包括被测管道内各段 的温度及压力值，内、外定位数据以及有关管道受损检测数据，其中关键的且数 量庞大的是受损管壁检测数据。 对输送管道的检测，在役管道检测爬机的一次工作行程往往达数十公里甚至 数百公里，需储存大量的各种数据，例如，对管径1 2 2 c m 、长2 2 0k m 的管线进 行检测，检测爬机的行进速度为l m s ，采用多探头结构，最终的数据储存量可 达8 0 g 字节。由于检测爬机的工作环境及机内空间有限，对数据储存器件的要 求较高，国外一般采用电子硬盘存储。由于爬机的行进速度较快及超声探头数目 多而带来的数据通道数目多，爬机数据采集速度很高。对于管道检测爬机采集的 检测数据，首先由机内微处理器进行甄别，滤去非破损管壁的检测数据，然后， 将破损管壁的检测数据进行压缩，压缩后的数据送入数据缓冲器，最终输入电子 硬盘储存。 4 数据处理 目前的管道检测爬机对所检测的数据尚无实时处理功能，只能将数据储存于 电子硬盘上，待检测爬机检测完整段管线后，将电子硬盘上的数据输入微机，数 据的最终处理是由微机完成的。 使用专门的软件，可将检测到的数据转换成反映受损管壁实际状况的三维彩 色图形，它以不同颜色表示管壁各种程度的腐蚀状况，人们在屏幕上可直观而清 晰地看到管道的焊接情况、管壁的受损面积、管壁的受损程度、出现裂缝的大小 等反映管壁受损情形的彩色图形。 5 电源 5 第一章绪论 目前管道检测爬机供电形式有电缆供电及电池供电。电缆供电时检测爬机尾 部拖有电缆，电缆与地面或船上的发电机相连。这种形式的爬机还带有履带行走 装置，可在管道内前行或后退。它适用于检测内部情形复杂的管道，遇有阻塞， 爬机可靠行走装置退出管道。由于所携电缆之限，它不能做长距离检测，一般检 测距离仅数公里。 为了能长距离检测，管道检测爬机往往采用锂电池电源。 6 机体 检测爬机一般为一机多节，各节为密封筒状，分置仪器、电源、电机等部件。 机体各节相互之间以万向节相联，以利于爬机转弯。因为检测爬机的工作环境多 为油、水等介质，为了密封，机体外部常覆以聚氨脂或橡胶。由于检测爬机所处 的特定工作环境，机体还要设计成能承受高温、高压。有些爬机的外部还带有叶 片，当被测管道内的压力过小，检测爬机的爬行速度减慢时可张开叶片，增大爬 机的推力，使爬机按预定的速度行进。有自我行走功能的检测爬机，还带有机械 手、驱动轮等，它可在“t ”型管线内行走自如。 1 2 1 3 我国发展检测爬机要解决的问题 1 密封问题 管道在役检测爬机工作条件极其恶劣，它不仅工作在充满油、水等介质的环 境中，由于爬机速度很快，其自身振动也很剧烈，为使爬机内部的各种仪器安全 工作，做好机体的密封是十分必要的。 2 定位问题 现今最为可行的定位方法是采取内、外定位相结合的方式。 3 数据处理问题 由于检测爬机运行速度快，探头数目多，数据的快速采集是关键。数据处理 可采取先甄别后处理的方式，即对采集到的检测数据通过计算机先滤去管壁完好 部位的数据，而对那些管壁破损部位的检测数据经压缩后再储存，这样可大大减 少数据的储存量。 1 2 1 4 检测爬机的发展趋势 1 定位技术 将定位轮的纯机械传动与现有的光、电技术相组合，势必提高内定位的精度、 减少对外定位的依赖，这已成为提高管道检测技术的一个重要方面。 2 行走技术 目前，大部分的管道检测爬机在被测管道内都是被动行走，即由管道内的高 压气流或油液推动，当爬机在被管道内被阻或被卡时，难以顺利完成检测任务且 爬机自身处境也将相当被动。利用现今机器人的一些行走技术，增添检测爬机的 6 上海交通大学博士学位论文 自我行走机构，可大大提高机动性能。 3 电源 现在的管道检测爬机基本以锂电池作电源，他们可工作几十个小时。虽然有 些类型的爬机可自带电缆，但不能做长距离检测。以电池作电源的爬机，由于机 内各种仪器用电需要，往往携带数十节电池，并要为装载这些电池而特设一个机 仓。随着电池行业向着高能、高效方向的发展，以新型电池替代锂电池将是可能 的。采用可充电式的电池也已被采用。 1 2 2 超声无损检测信号处理相关理论的研究p “”】 超声无损检测( n d t ) 的核心问题是对超声回波信号的分析与解释，而超声 信号处理的任务是从接收的信号中提取针对研究目的的信息。用超声波对材料进 行探查时，待测信息将通过接收信号的幅度、频率或相位来表现，但由于实际材 料的复杂性，以及超声波与材料微结构相互作用的复杂性，导致了接收信号的非 平稳性。因此，如何从这些信号中提取所需信息是一项困难而又重要的课题，也 是无损检测的必要手段。 现代信号处理技术在超声无损检测与评价中的作用愈来愈重要。观察一、二 十年来信号处理技术在超声检测中的应用，主要可分为以下两个方面：背景噪声 下有效信号的提取和缺陷的定性定量分析。 实际应用中，某些材料中可能存在一些散射中心，形成背景噪声。利用信号 处理的方法来提取缺陷回波，并不是一个新的概念。多次平均法、匹配滤波器、 相关法、频谱分析等手段常常被用来降低噪声。但是，对于那些非随机的相关噪 声，这些处理方法往往达不到满意的结果。随着7 0 年代末，时频分析、人工神 经网络、小波变换等新概念的提出和推广，人们开始在超声检测的噪声抑制方面 进行新的尝试。 载有缺陷信息的信号除了与缺陷的形状、大小有关外，还和换能器特性、换 能器的相对位置、换能器与介质的耦合条件、激励信号等多种因素有关，在直接 从回波信号难以提取特征的情况下，经常采用各种解卷积的方法来获得系统的脉 冲响应，以获得缺陷的更明显特征。对缺陷参数的确定即是求解超声理论中的逆 问题，属于模式识别范畴，是当前研究的热点和难点。 管道超声无损检测信号处理的目的主要是：对信号进行预处理，抑制背景噪 声、增强有用信息、改善信号质量，使以前很难获取的信息被检测出来；然后对 信号进行特征提取与判别，定性定量地分析有关缺陷。 1 2 2 1 噪声抑制 管道超声无损检测信号中含有大量有关缺陷性质的信息( 包括材料内部的缺 陷、组织状态与性能、力学性能等) ，但同时也搀杂着各种干扰噪声。由超声检 7 第一章绪论 测仪器、被检测对象和耦合介质所组成的系统中，材料噪声和仪器噪声等混合在 一起，往往会使得到的超声信号的信噪比很差，严重时甚至会淹没回波信号。这 些干扰噪声会给信号的后续处理带来误差，因此要想获得