（检测技术与自动化装置专业论文）海底超声检测装置标验与率定设备的开发.pdf

海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 摘要 本文依托于国家8 6 3 计划资助项目“油气输送管线检测装置标验及率定关键 技术研究”( 项目编号：2 0 0 6 a a 0 9 2 3 2 4 ) ，开发研制一套用于标验与率定海底管 道超声检测装置的设备。近年来我国海底管道铺设里程不断增加，由于腐蚀、形 变等原因造成的管道泄漏事故时有发生，胜利石油管理局为此研制完成了具有我 国独立知识产权的海底管道超声检测装置，实现了对在役长距离海底管道的检 测。但是海底管道超声装置在进入现役管道进行检测之前，要进行装置的标验和 率定工作。我国目前尚没有承接此类装置的大规模的标检和率定工作站。为此， 我设计了该套标验装置。它便于实现在原装置运行前对每个探头的性能指标进行 校准，以完成对探头的筛选工作，保证所选取的超声探头的一致性。此外它还可 以帮助我们定量的分析不同的介质、温度等环境影响因素对超声探头分辨率等性 能参数的影响，在此基础上还可以制定相关的标准，用来作为以后筛选和选用探 头的依据。 在整套标验设备的设计过程中，我们主要设计开发了超声波探头环以及率定 试验台、硬件电路和数据采集系统。探头环的设计主要是依据实际检测环境与要 求，来选择合适的超声波探头的性能参数和排列方式。率定试验台可以用来模拟 检测现场的环境，如介质温度、不同介质、管壁油垢厚度等。硬件电路主要是在 保证一定的信噪比的前提下设计了基于c p l d 的超声波探头的激励电路和回波信 号的放大电路。数据采集系统是利用p c i 5 1 0 5 数据采集卡实现对回波信号的采 集，并在采集后对数据进行压缩。 本文分析了当前国内外管道检测技术的发展现状，介绍了选取合适性能参数 超声波探头的过程，完成了探头环及率定台的设计，详细阐述了所设计的硬件电 路和数据采集系统的设计原则和结构构成。最后，本文总结了目前取得的成果， 并指出了未来研究的方向。 关键词：海底管道检测超声检测超声波探头c p l d 虚拟仪器数据压缩 t h ed e s i g no fs t a n d a r d i z a t i o n e q u i p m e n t f o rt h ed e v i c eo fs u b m a r i n e p i p l i n eu l t r a s o n i cd e t e c t i n g a bs t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to fn a t i o n a ls c h e m e8 6 3p r o j e c t ”r e s e a r c ho f s t a n d a r d i z a t i o nf o r t h ed e v i c eo f d e t e c t i n gp i p e l i n e s ”( c o n t r a c t n o 2 0 0 6 a a 0 9 2 3 2 4 ) as e to fe q u i p m e n tw a sd e s i g n e dt om a k et h ed e v i c eo f s u b m a r i n e u l t r a s o n i cd e t e c t i n gt ob es t a n d a r d i nr e c e n ty e a r s ，t h em i l e a g eo fl a y i n gf o r s u b m a r i n ep i p e l i n ei sc o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g ，t h ea c c i d e n t sb e c a u s eo fc o r r o s i o n a n dd e f o r m a t i o nf r e q u e n t l yo c c u r t h e r e f o r e ，s h e n g l ip e t r o l e u ma d m i n i s t r a t i o n b u r e a uh a dd e v e l o p e dt h ed e v i c eo fs u b m a r i n eu l t r a s o n i cd e t e c t i n gw h i c hh a s i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y b e f o r ei tg e t si n t ot h ea c t i v ep i p e l i n et od e t e c t ，t h i s d e v i c em u s tb es t a n d a r d b u tn o w , w ed o n th a v et h i sk i n do fs t a n d a r d i z a t i o n w o r k s t a t i o nt of i n i s ht h i st a s k s ow ed e s i g n e dt h es e to fs t a n d a r d i z a t i o ne q u i p m e n t t h ee q u i p m e n tc a nn o to n l ya d j u s tt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fp r o b e sw h i c hw i l lb e i n s t a l l e do nt h ed e v i c eo fs u b m a r i n eu l t r a s o n i cd e t e c t i n g ，b u ta l s oc a ne s t a b l i s h r e l e v a n ts t a n d a r d so nt h i sb a s i s ，u s i n gi ta st h eb a s i sf o rs e l e c t i n gp r o b e s t h es e to fe q u i p m e n ti n c l u d e su l t r a s o n i cp r o b er i n g ，t e s tr i g ，h a r d w a r ec i r c u i t a n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w ec h o s et h ea p p r o p r i a t ep e r f o r m a n c ei n d e xa n d a r r a n g e m e n tm o d eo fp r o b e sw h e nw ed e s i g nt h ep r o b er i n g b yt h ep r e m i s eo f g u a r a n t e es i g n a l - t o - n o i s er a t i o ，w ed e s i g n e de x c i t a t i o nc i r c u i ta n de c h os i g n a l a m p l i f y i n gc i r c u i tb a s e do nc p l d w eu s e dt h ep c i 一5 10 5d a t aa c q u i s i t i o nc a r dt o c a r r yo u tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w ec a r r i e do u td a t ac o m p r e s si m m e d i a t e l y a f t e rd a t aa c q u i s i t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n so fp i p e l i n e d e t e c t i o nt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a dp r e s e n t l y s e c o n d l yt h i sp a p e ra n a l y s e st h e p r i n c i p l eo fc h o o s i n gt h ep a r a m e t e ro fu l t r a s o n i cp r o b e s t h e n ，t h ep a p e rd e t a i l e d i i i i n t r o d u c e st h ee l e m e n t sa n ds t r u c t u r eo f h a r d w a r ec i r c u i ta n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m f i n a l l y , as u m m a r yo ft h ep a p e ri sm a d ei nt h ee n d i ts u m m a r i z e st h ei d e ao ft h e p a p e ra n dp o i n t so u tt h er e s e a r c hd i r e c t i o nf o rt h en e x ts t e p k e yw o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i n ed e t e c t i o nu l t r a s o n i cd e t e c t i o nu l t r a s o n i cp r o b e c p l dv i r t u a li n s t r u m e n td a t ac o m p r e s s i o n i v 海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 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中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。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做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：0 阗杰办日期：乞护c 年斗月侈日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将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、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名：吉忒兢 剔磁各i 飘w 日期：硼c 7 年午月l 歹日 日期：m 州7 年l f l 月少日 7 6 青岛科技人学研究生学位论文 第一章绪论弟一早三百v 匕 1 1 论文选题的目的和意义 石油和天然气仍是当今世界所依赖的最主要能源。到目前为止，已被开发的 或待开发的石油和天然气田大多处于远离能源消费地的地区。因此，当我们找到 了一定储量的油气田后，还必须同时解决原油和天然气向外运输的问题。目前的 输油方式有：铁路槽车、汽车槽车、油轮、驳船、管道等。而天然气的输送则几 乎都是采用管道运输【l j 。 现代管道运输兴起于1 9 世纪中叶，随着油气资源的开发以及能源需求量的 不断增长，管道运输在全世界范围内得到了飞速发展，并且已经成为国民经济的 命脉之一，管道运输业作为与铁路、公路、航空、水运并列的五大运输业之一， 在经济建设和国防工业中正在发挥着越来越重要的作用。比较这几种运输方式， 管道输送具有以下的特点：第一，大大减少了转运环节，实现了连续运输，运输 量大，运输效率高，还可避免空车返回所浪费的运力，并且由于管道及其增压装 置都处于静止不动的状态，易于实现全程自动化控制；第二，管道建设投资少、 见效快而且占地面积小，与建设相同长度的铁路相比，管道建设的时间和费用都 不到铁路的一半，而占地面积仅是铁路的1 0 ，并且在管道建成投产后，其占用 的土地9 0 还可以恢复使用；第三，管道运输实现了全程密闭化，运输过程损耗 小，燃料消耗是铁路的5 0 ，是公路的1 0 ，运输消耗是铁路的3 0 ，是公路的 5 0 ，运输成本低；第四，受外界环境影响小，安全性高。管道运输不受外界恶 劣环境气候的影响，可以保证长期安全的运输。由于管道运输在运送气体、液体、 浆体等散装物品方面所具有得天独厚的优势，所以管道运输在石油、化工、电力 及天然气等行业具有不可替代的作用【1 】【2 】【3 】。 当今管道系统正广泛应用于电力、石油、化工、天然气等工业部门中。随着 管道使用年限的增长，由于管道施工缺陷、腐蚀以及人为损坏等因素，运输管道 事故发生的频率越来越高，给人们的生命财产安全和生存环境造成了巨大的威 胁。因此，管道检测就成为了无损检测技术重要的应用领域。现在我国大多数石 油、天然气输送管道已进入事故多发期，如何做到防患于未然，进行管道检测工 作己成为当务之急。油气输送管道事故的发生，不仅在国内存在，在大多数西方 国家也同样存在。因此，国外对管道的检测也非常重视。美、英、德、法、日等 西方发达国家都在这方面开展了研究。西方发达国家对在役长距离油气输送管道 海底管道超声检0 装置标验与幸定殴备的开发 要进行强制性的检测，特别是对在建的和老龄管道更是特别关注，目自口我国很多 油气管道已经进入了中老年期。为防止管道腐蚀泄漏、爆炸等恶性事故的发生， 我国每年用在油气管道维修的费用都逐步的增长。由于检测手段的制约，管道的 腐蚀、破损状况多数不明，往往造成占日更换、盲目报废，并且维修缺少科学依 据，从而造成人力和物力的巨大浪费。可见，发展经济实用、高效的管道检测技 术成为当务之急1 4 删。 “十五”期问，在国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划的支持下胜利石油管 理局研制完成了具有我国独立知识产权的海底管道超声及漏磁检测装置，实现了 对在役长距离海底管道的检测，填补了国内空白。但是海底管道超声及漏磁椅测 装置在进入现役管道进行检测之前，要进行装置的标检和率定工作。而我国还没 有承接此类装置的大规模的标检和率定工作站。为了尽快解决此类问题，弥补我 国在标检与率定工作的空白，决定建立我国自己的标检和率定工作站。如此以来， 不仅可以完全适用于我国自我研发的管道超声及漏磁检测装置，在装置的性能、 指标、技术参数、分辨能力方面还可以自我设定标准。 图l 一1 海底管道超声噩漏磁检测装置 f i g1 1 l e a k a g ea n du l t r a s o u n dd e t e c t i o ns y s t e mo f s u b m a r i n ep i p e l i n e 本课题依托于囡家8 6 3 计划资助项目“油气输送管线检测装置标骑及牢定关 键技术研究”，丌发研制套海底管道超声检测装置标验与率定设备，形成一食 适州于我酗油气输送管线的检测系统，对检测系统进行系列化开发和产品推广， 促进我国的管线检测技术不断提高和创新有着重要的意义。而且从k 近来= f 亍，其 经济效益电是可观的。 12 管道缺陷无损检测方法 管道的缺陷大体町分为j 类：一、腐蚀。管道的内、外部由丁臼然、l n 化学 因素造成的金属损伤。所以义分为内腐蚀和外腐蚀两种情况。对丁有乜褴层的管 青岛科技大学研究生学位论文 道，外部腐蚀是由于包覆层的缺损造成的。内部腐蚀是由于管道存有腐蚀性的气 体、液体或浆体造成的。二、机械破坏，主要包括弯曲变形等。这是由对管道施 加外力作用而引起的，比如安装或填埋时失误操作等都有可能造成机械破坏。三、 制造缺陷。有几种不同的制造缺陷可以造成管道事故的发生。最为常见的一种是 管道的纵向焊缝，它就像轴向或径向生长的裂纹一样。所以为了确保管道运输安 全，必须对管道的安全性进行有效的评价。 无损检测是在不损坏产品的前提下，运用各种物理和化学方法，对各种、零 部件、管道等进行有效地检测，发现被测对象内外部的缺陷，从而评估它们的完 整性、可靠性及一些物理性能。迄今为止无损检测经历了三个发展阶段，即无损 探伤阶段、无损检测阶段和无损评价阶段。无损检测技术正被广泛应用于金属材 料、非金属材料、复合材料及其制品以及一些电子元器件的检测之中。 无损检测的方法有很多，最常用的有射线检测、磁粉检测、涡流检测、超声 波检测等。对于管道的缺陷与腐蚀的检测装置，研究开发比较成熟的主要有两种： 漏磁检测、超声波检测1 6 j 。 ( 1 ) 漏磁检测 漏磁检测是由磁粉检测的基础上发展而来的，它利用铁磁材料高磁导率这一 特性。由于钢管腐蚀缺陷处的磁导率远小于钢管的磁导率，所以如果钢管在外加 磁场作用下被磁化，当被测钢管中无缺陷时，磁力线绝大部分将通过钢管，此时 的磁力线是均匀分布；当被测钢管内部有缺陷时，磁力线就会发生弯曲，一部分 磁力线会泄漏出材料表面，在缺陷部位形成泄漏磁场。采用磁敏元件对缺陷漏磁 场进行检测，形成相应电信号，通过对这些电信号进行分析处理，可以得到钢管 内部缺陷的状况。漏磁检测法适用于检测中小型管线，并且可以对各种管壁缺陷 进行检测，并且检测时无需任何耦合剂，也不会发生漏检。漏磁检测装置结构简 单、信号处理方便，易于实现管道缺陷的内部检测。 但是，漏磁检测法也有其缺点和不足。它更适合于中小型管线的检测，检测 的管壁厚度不能过厚，而且周围环境干扰因素很多，空间分辨力较低。另外，漏 磁检测对小而深的缺陷比较敏感，但对平滑缺陷进行检测时其缺陷信号就较为微 弱，所以漏磁检测数据往往要经过校验后才可以使用。当被检测管道所采用的材 料中掺有杂质时，往往会出现错误信剧7 】【8 】【9 1 。 ( 2 ) 超声波检测 超声波检测主要是利用脉冲反射法来测量管线内外壁所存在的腐蚀缺陷。当 超声波通过液体耦合射入到被测管道壁后，超声波分别遇到管线的内壁和外壁时 产生反射回波。测定这二个回波返回的时间差即可直接测出实际管道的壁厚。根 据发射波与第一个回波之间的时间差，可以判断管线内壁腐蚀缺陷。 3 海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 超声波检测主要是利用超声波的传播能量大、方向性好并在不同介质的界面 上具有反射的特性。超声波检测的优点主要有：灵敏度高、穿透力强、检测灵活、 效率高、成本低、对人体无害。 超声波检测的检测测量厚度大、灵敏度高、速度快、数据简单准确且无需校 验、成本低、对人体无害，同时还能准确分辨管线的内外壁腐蚀、管线的变形、 腐蚀等缺陷，为检测后确定管线的使用期限和制定维修方案提供了极大方便【l 0 1 。 1 3 超声波检测的特点 我们把频率高于2 0 k h z 的机械波称为超声波。超声检测所用的频率通常在 0 5 1 0 m h z 之间，对钢等金属材料的检验常用的频率为1 - 5 m h z 。超声波波长很 短，由此决定了超声波具有一些特殊的性能，使其能广泛用于无损检测之中【】。 ( 1 ) 超声波方向性好 超声波是频率很高、波长很短的机械被，在超声波检测中使用的波长为毫米 数量级。超声波与光波一样具有良好的方向性，可以定向发射。 ( 2 ) 超声波可传递很强的能量 超声波检测频率远高于声波。而能量( 声强) 与频率平方成正比。因此超声波 的能量远大于声波的能量。例如1 0 m h z 的超声波的能量相当于1 0 k h z 的声波的 1 0 0 万倍。 ( 3 ) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象 在超声波检测中，特别是超声波脉冲反射法检测中，利用了超声波具有几何 声学的一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射和折射等。 ( 4 ) 超声波穿透能力强 超声波能在大多数介质中传播，传播能量损失小，传播距离远，穿透能力 强，在一些金属材料中其穿透能力可达数米。这是其它检测手段无法比拟的【1 2 】。 1 4 海底管道超声检测装置标验与率定设备的系统构成 海底管道超声检测装置标验与率定设备主要包括探头环、超声传感器、探头 的激励电路、旋转编码器、数据采集设备、率定试验台、以及接插件部分。 探头环外壳：是整个探头环的支撑保持部件，探头环需要保证在管道内的对 中运行。 超声波传感器：用于管道缺陷检测。 探头的激励电路：每1 0 毫秒向超声波传感器发出一个电压- 4 0 0 v 、脉宽2 0 0 n s 4 青岛科技大学研究生学位论文 的方波激励信号。 旋转编码器：用于完成探头环的定位功能。 数据采集设备：用于完成对超声波回波信号的采集，并输入电脑存储。 主要装置技术指标 超声探头的技术指标： 1 )探头的工作频率：5 m h z ； 2 )晶片尺寸：1 4 m m ； 3 ) 灵敏度一致性：+ 一3 d b ： 4 )6 d b 带宽：7 0 以上； 5 )脉冲宽度：小于2 m m ( - 2 0 d b ) ； 6 )主声束偏离小于1 度。 探头环：探头环最大外径2 7 4 m m ；材料采用0 c r l8 n i 9 t i 不锈钢。 数据采集设备：应用n i 公司生产的p c i 5 1 0 5 数据采集卡进行数据采集。采 集的数据经过压缩后存入电脑。 脉冲发射与电平转换装置工控机 超 吉 波 探 头 图1 2 海底管道超声检测装置标验与率定设备的构成 f i g 1 - 2t h ec o m p o s i n go fe x a m i n i n ge q u i p m e n t f o rs u b m a r i n ep i p l i n eu l t r a s o u n dd e t e c t i o n s y s t e m 1 5 本文的主要研究内容 本文依托国家8 6 3 计划资助项目“油气输送管线检测装置标验及率定关键技 术研究下开发研制一套用于标验与率定海底管道超声及漏磁检测装置的系统设 备，本课题是该项目的一个重要组成部分 本文结构安排如下： 第一章：绪论。介绍课题的目的与意义、管道缺陷无损检测的发展和海底管 5 海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 道超声检测装置标验与率定设备总体构成。 第二章：本章分析了超声波检测的原理，并设计完成了标验与率定装置的探 头环和率定试验台。 第三章：为了满足检测需要，而进行的超声探头性能参数和类型的选择。 第四章：海底管道超声检测装置标验与率定设备硬件电路的设计。主要包括 超声波探头的激励电路和超声波回波信号的放大电路。 第五章：为实现超声波回波信号的信号采集，我们通过分析研究采用了n i 公司的p c i 5 1 0 5 数据采集卡，并基于它设计了信号采集系统。本章详细阐述了虚 拟仪器的构成和采集程序的设计。 第六章：由于采集的信号量非常大，所以必须对所采集的超声波信号进行压 缩。本章说明了本系统所用的压缩方法和方法的实现。 总结和展望。 本课题为实现对海底管道超声及漏磁检测装置的标验与率定工作，设计了 一套海底管道超声检测装置标验与率定设备。整套设备分为超声波探头环以及 率定试验台、硬件电路、数据采集系统。探头环的设计主要是依据实际检测环 境与要求，来选择合适的超声波探头的性能参数和排列方式。硬件电路主要实 现对超声波探头的激励和保证将回波信号放大到数据采集卡允许的范围内，同 时保证一定的信噪比。数据采集系统是利用p c i 5 1 0 5 数据采集卡实现对回波信 号的采集，并在采集后对数据进行压缩。 从某种意义上来说，本课题所研制的海底管道超声检测装置标验与率定设 备就是简化版的海底管道超声波检测装置，所以它们的设计原理相似。但由于 它的结构简单，更换探头方便，制造成本与运行成本远远低于原装置，并且还 配套有标准缺陷管线和试验水槽来模拟原装置运行的现场环境，可以观察环境 因素对探头性能的影响，便于实现在原装置运行前对每个探头的性能指标进行 校准，以完成对探头的筛选工作，保证所选取的超声探头的一致性。此外它还 可以帮助我们定量的分析不同的介质、温度等环境影响因素对超声探头分辨率 等性能参数的影响，在此基础上还可以制定相关的标准，用来作为以后筛选和 选用探头的依据。 6 青岛科技大学研究生学位论文 第二章管道缺陷超声波检测技术 2 1 超声波的基本性质 超声波检测是利用超声波可以透射到金属材料的内部，并且当其由一种介质 射入到另一种介质时，能够在界面上发生反射的特点来检查管道缺陷的一种方 法。当超声波从垂直方向入射到两种不同介质的界面上时，声波会在传播时产生 一个与入射方向相反的反射波和一个与入射波方向相同的透射波，而超声检测就 是根据所接收到的这些反射波来判断缺陷位置和大小引。 超声波检测方法同其他无损检验方法相比主要有以下几个优点是： ( 1 ) 超声波穿透能力强，检测厚度可达数米； ( 2 ) 检测灵敏度高，可发现十分之几毫米的缺陷； ( 3 ) 在确定管道缺陷的位置、大小、形状及性质等方面较为准确； ( 4 ) 仅须在检测物体的一面进行检测； ( 5 ) 可实现在线检测。 2 1 1 描述超声波与超声场的参量 当物体振动时会发出声音，每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是 赫兹。人朵能听到的声波频率为2 0 - - - 2 0 ，0 0 0 赫兹。如果声波的振动频率大于2 0 0 0 0 赫兹或小于2 0 赫兹时，人耳便听不见了。因此，我们把频率高于2 0 0 0 0 赫兹的 声波称作超声波。超声波在介质中传播时，因为介质质点振动的频率很高，因而能 量很大【1 4 】。 描述超声波的基本物理量与普通机械波一样有声速、频率与波长： 声速( c ) ：超声波在介质中单位时间内传播的距离。 频率( f ) ：超声波在介质中任一给定点在单位时间内所通过完整波的个数。 波长( 彳) ：超声波传播过程中，相邻两个相同相位的质点之间的距离。 超声场是指介质中存在超声波的区域，它可以用声压、声强、阻抗来描述。 声压( p ) ：在有声波传播的介质中，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。 声强( i ) ：在垂直于声波传播方向上，单位时间内单位面积上所通过的声能 量。 ，：尘( 2 1 ) 2 p c 海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 式中，p 为介质密度，c 为介质中声速，p 为声压。 阻抗( z ) ：超声波在介质中传播时，任一点的声压p 与振幅v 的比值。 z = p = p c ( 2 2 ) v 由于声强或声压的数值变化范围很大，不便于表示和运算，所以我们通常采 用分贝( d b ) 来表示声强或声压之间的比值： l d b = 1 0l g ( 2 1 2 ) = 2 0l g ( p 2 p 2 ) ( 2 3 ) 2 1 2 超声波垂直入射到水平界面上透射和反射的规律 超声波如果在质地均匀的介质中传播，将按直线方向一直传播，传播方向不 会改变。但是，如果遇到不同介质的界面时，就会产生透射和反射现象，一部分 超声波在这个界面上将被反射回第一种介质，另一部分则透过这个界面进入到第 二种介质之中。透射波和反射波的声压会按照一定的比例分配。下面我们来分析 一下它们的分配规律【1 5 】【1 6 1 。 声强透射率( t ) ： 丁：三：兰墨! 互= ( 2 - 4 ) 厶( z 2 + z 1 ) 2 式中，为透射波的声强，厶入射波的声强。 声压反射率( r ) ： ，：盟：互量 ( 2 5 ) p oz 2 七z 。 式中，只为反射波的声压，p o 为入射波的声压， z 为第二种介质的声阻抗。 声强反射率( r ) r ：l ：f 生量1 厶lz 2 + z lj 式中，l 为反射波的声强，i o 为入射波的声强。 根据能量守恒定律： i o = i r + i t 8 z l 为第一种介质的声阻抗， ( 2 6 ) ( 2 7 ) 青岛科技大学研究生学位论文 2 1 3 超声波在传播过程中的衰减 与其它机械波一样，超声波在介质中传播的时候，随着传播距离的增加，其 能量会逐渐的衰减。造成超声波能量衰减的原因主要有以下三个因素【l - j j ： ( 1 ) 由于介质吸收能量而引起的超声波衰减：由于介质中质点在振动过程 中，不可避免的会出现各质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成内能。同 时，由于介质各个区域内质点的稠密程度不一致，导致各区域内产生的热量不相 等，从而形成热传导，造成了超声波能量的衰减。 ( 2 ) 由于超声波声束的扩散而引起的衰减：由于超声波的传播会存在一个 扩散角，因此随着声波传播距离的不断增大，声波的声束截面就会越来越大，而 声波的能量是一定的，由此导致单位面积上的声能随距离的增大而越来越小，这 种衰减被称为扩散衰减。由此看出扩散衰减仅与超声波传播的几何形状有关而与 介质无关。由此我们可以分析得出在远场区内任意一点：球面波的声压p 与至声 1厅 源中心距离成反比，即po c 二；而柱面波为：p 一二；对于平面波，声能不随距 ryr 离的变化而变化。 ( 3 ) 由于超声波的散射现象而引起的衰减：由于实际材料是不可能绝对均 匀的，从而会引起超声波的散射。被散射的超声波在介质中会在一条无法确定的 路线上传播，最终变成内能。超声波能量衰减的速度与其频率的4 次方成正比， 高频部分很容易衰减殆尽，这就导致了超声发射波的中心频率和带宽与超声反射 波的中心频率和带宽不相等。由于高频成分散射衰减得快，所以反射波的中心频 率就会更小。 2 2 超声波检测原理 2 2 1 超声波缺陷检测原理 超声波探头垂直于管道壁对管道壁发出一组超声波脉冲后，探头会首先接收 到由管道壁内表面反射的回波( 第一次回波) ，然后接收到由管道壁缺陷或者管道 壁外表面反射的回波( 第二次回波) 【1 7 】。超声波检测原理见图2 1 所示。 9 海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 探头距内壁距离壁厚 图2 1 超声波缺陷检测原理 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo f u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n 超声波探头到管道内壁的距离a 与管道壁厚度b ，可以通过第一次回波时间， 以及第一次回波和第二次回波的时间差来确定。即： a = v l t l 2 b ： 式中，f 。一第一次反射的回波时间 f ：一第二次反射的回波( 底波或缺陷波) 时间 q 一超声波在介质中的声速 1 0 ( 2 - 8 ) 青岛科技大学研究生学位论文 口，一超声波在管道中的声速 但是，仅仅根据管道壁厚度b 无法判别属管道内壁缺陷还是外壁缺陷，还必 须根据探头至管道壁内表面的距离a 长度来判别。当外壁腐蚀减薄时，距离a 的 长度不变，壁厚b 减少；而当内壁腐蚀减薄时，距离a 的长度减少，壁厚b 减 少。因此，根据距离a 和壁厚b ，即可确定管道缺陷，并判别管道是内壁缺陷还 是外壁缺陷。 测厚是缺陷判定的基础，其所利用的原理为根据超声波传播的时间及声波速 度来计算超声波传播的距离，进而确定所检测管道的剩余壁厚。对于一组超声波 回波数据来说，需要找出每个回波对应的峰值点，根据相应峰值点间的时间间隔， 即可计算出管道壁厚。在进行峰值处理f j ，一般需要对采集得到的原始超声信号 进行滤波处理，剔除掉噪声信号和一些无用信息，便于准确找到回波中对应的峰 值位置。如果壁厚缺陷为均匀腐蚀的情况，峰值将等间距出现，计算出测点壁厚。 如果壁厚缺陷为局部缺陷的情况，峰值出现的时刻就为非等间距的了，为了准确 确定缺陷的边缘，以判断缺陷的大小及面积，需要根据回波出现的时刻及峰值大 小进行判断。 缺陷识别与缺陷等级判断模块的功能是将壁厚判别模块的壁厚计算结果进 行缺陷识别，在缺陷识别基础上进行缺陷等级判断以确定是否对管道进行维修， 得到最终的检测结果。 2 2 2 超声波检测装置概述 1 仪器的作用 超声波检测装置是超声波检测的主体设备，它的作用是产生激励信号并加于 超声波探头激励探头发射超声波同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方 式显示出来，从而得到被测管道内外壁有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。 2 仪器的分类 超声仪器分为超声检测仪器和超声处理( 或加工) 仪器，超声波检测属于超声 检测仪器。超声波检测技术在现代工业中的应用日益广泛，由于检测对象、检测 目的、检测场合、检测速度等方面的要求不同，因而有各种不同设计的超声波检 测仪器，常见的有以下几种【1 8 1 。 ( 1 ) 按超声波的连续性分类 脉冲波检测装置 这种仪器通过探头向工件周期性地发射不连续且频率不变的超声波，根据超 声波的传播时间及幅度判断工件中缺陷位置和大小，这是目前使用最广泛的检测 海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 仪器。 连续波检测装置 这种仪器通过探头向工件中发射连续且频率不变( 或在小范围内周期性变化) 的超声波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。这 种仪器灵敏度低，且不能确定缺陷位置，因而己大多被脉冲波检测装置所代替， 但在超声显像及超声共振测厚等方面仍有应用。 调频波检测装置 这种仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波信号，根据 发射波与反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。以往的调频式路轨探伤仪 便采用这种原理，但由于只适宜检查与检测面平行的缺陷，所以这种仪器也大多 被脉冲波检测装置所代替。 ( 2 ) 按超声波的通道分类 单通道检测 这种仪器由一个或一对探头单独工作，是目前超声波检测中应用最广泛的 仪器。 。 多通道检测 这种仪器由多个或多对探头交替工作，每一通道相当于一台单通道检测装 置，适用于自动化检测。 2 3 超声探头环的设计 超声探头环是用来完成对标验管道进行超声扫查的工作，它需要保证将标验 管道内部所设置的缺陷完全、准确、快速的检测出来。探头环设计的好坏直接影 响到最终的检测结果。同时探头环需要在水中运行，就要考虑到装置防腐的的问 题，所以它的材料采用s u s 3 0 4 不锈钢。它是由探头环外壳、超声波探头、导轨、 轴座组成。探头环总体设计方案如下图所示： 1 2 图2 - 2 探岳环总体设计圉 f i g2 - 2 g e n e r a l d e s i g n d r a w l n go f p r o b e r i m g 标验管道的长度为1 米，所以我们设计的探头耶导轨长度为14 米，并将它 固定在标验管道两侧的半管之上。 1 探头环外壳 我们所使用的超声波探头就是安装在探头环外壳上的，通过拖动、旋转来实 现超声探头对标验管道的全方位扫查。 由于标验管道的内直径为3 0 0 r a m ，所以我们最计的探头环外壳为直径 1 8 6 r a m ，再加上安装在其上的超声探头的长度，整体的直径为2 9 5 m m 一2 8 5 m m ( 可 调) 。这种设计方式不仅可以保证探头与管壁之问有合理的距离，向且便于实现 这个间隔距离的调节，还可以用来验证这个n u 隔距离对超声榆测结果的影响。具 体设计方案如下图： 海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 图2 - 3 探头的安装固定 f i 9 2 3 t h ef i x a t i o no f p r o b e 由上图可以看出超声探头环是首先固定在一个特制的支架之上，随后将支架 的轴插到探头环外壳上预留的孔内，通过调整插入的深度，来实现间隔距离的调 节。 探头环外壳是套在导轴上的并通过一个平键( 如图2 - 3 中1 0 所示) 实现其 在导轴上的滑动。 国2 - 2 中l 为手柄轴，它可以用来将导轴旋转到指定的位置，并加以固定。 这样就实现了探头环的选转。 2 导轴 导轨用于支撑探头环完成在标验管道内的对中运行它保证了整个装置在管 道中的对中性，确保了超声探头与管壁的垂直并且距离保持不变。 图2 4 导轨设计侧视图 f i g2 4 t h e s i d e e l e v a l i o no f g u i d e w a v d e s i g n 导轴的直径为4 0 r a m ，在其上外一个宽度为1 2 m m 的缺叫，探头环外壳就是 通过平键在此缺口中沿直线滑动。 海底管道超声检测装置标验与率定设备的开发 由于整个系统的对中性直接影响到装置检测结果的真实性与准确性，所以对 中性的调节成为了导轴以及轴座设计所要解决的主要问题。 图2 5 中i 5 为两个六角螺栓，它的作用是将导轴固定在半管之上。除此之外， 通过它们两个固定位置的不同，实现了导轴前后和左右的调节。 图2 5 中1 4 为螺杆，1 2 为调节丝母，通过调整螺杆在丝母中的位置，实现 导轴的上下位置的调节。 这样导轴的上下、左右、前后位置都实现的可调节，便于将导轴调整到与标 验管道的中轴线重合的位置。 2 4 超声检测探头及探头阵列的设计 应用超声波检测，首先要解决的问题就是怎样发射与接收超声波信号，而对 于收发一体的探头来说，这些都是通过超声波探头自身来实现的。当某一频率的 一个电脉冲作用到探头上时，探头就发射相应频率的超声脉冲。反之，当一个超 声脉冲作用到探头上时，探头就产生一个电脉冲。有了探头，再配上电信号的产 生和接收等装置，就构成了整套检测系统。 为了提高超声检测装置对管道缺陷检测的灵敏度、精度以及扫查速度，我们 需要使用由多个超声探头组成的探头阵列，以满足越来越高的检测要求。由多个 超声探头按照一定规律组成的阵列，即为超声探头阵列。而组成这个阵列的每个 探头则被称作阵元。考虑到海底管道超声检测装置标验与率定设备的实际需要， 保证操作简单，降低成本，我们采用4 个超声波探头组成的阵列，再配上可旋转 的探头环即可实现对率定设备中标准缺陷管道的完整扫查。 在探头环设计过程中一定要保证超声探头的安装是垂直于被测管道壁的，这 主要是因为如果声束的发射方向不垂直于管道壁，那么所接受到的回波信号会变 得非常微弱，且会湮没在噪声之中。在探头阵列的设计过程中一定要保证不出现 漏检的情况。如图2 - 6 所示，图中4 支探头所检测到的管壁面积并没有完全覆盖 到它们负责检测的全部面积。因此我们在选择探头的排列方式时要确保探头发出 的声束在扩散后，能将整个管道壁完全覆盖，并同时保证一定的重复率，这样可 以大大降低漏检率。 1 6 青岛科技大学研究生学位论文 展开的管壁 - - h 扫 查 方 向 图2 6 几种漏检的情况 f i g 2 6s o m es i t u a t i o n so fm i s s i n gd e t e c t i o n 展开的管壁 - 卜 扫 查 方 向 扫 查 方 向 图2 7 不漏检的情况 f i g 2 - 7t h es i t u a t i o no f c o m p l e t ec o v e r a g e 超声探头阵列采用4 个探头，分为2 列，每列2 个，均匀垂直地安装在探头 环上。实际我们所设计的探头环可以安装探头的位置分为2 列，每列3 2 个，可 以在检测管壁不同位置时将探头安装在相应的位置。如下图所示： 1 7 海底管道超卢检删裴置怀验与率定设备的升发 图2 - 8 探头的安装 f i 9 2 8f 岫g o f p r o b e 每一列中两相邻的探头之间的夹角为1 l2 5 。，不同列之间的探头应该错开 5 5 。这样不但可以保证被测管道要求的内表面被声束完全覆盖，而且有一定的 重叠覆盖率。 青岛科技大学研究生学位论文 2 5 率定试验台的设计 2 5 1 率定试验台设计的原则 管线检测装置检测到的数据需要经过处理后才能判别管道的实际状态，但受 介质、温度及仪器本身等诸多因素的影响，装置需要经过率定校准才能保证所获 得数据的真实性和可靠性。要研究检测环境条件对检测结果的影响，必须研制一 套能够模拟实际工作环境条件的标验与率定试验台。 对检测装置可能产生影响的主要外界因素如下： 介质温度、介质不同、管壁油垢厚度、管道外壁接触物、场干扰、管径、材 质及壁厚不同、管道椭圆度、表面状况、气泡、沙砾、工艺因素( 焊接、变形等) 。 检测装置标定因素包括： 纵向分辨率、横向分辨率、探头一致性调整、对中性、提离值、灵敏度、频 率和带宽、脉冲宽度、探头的声束指向性、易损件更换与调整、密封性、饱和度、 速度、参数预设、动态范围、脉冲重复频率、激发电压、采集和存储速度、数据 丢失率等。 系统性能因素标定： 轴向分辨率，周向分辨率，测厚精度，覆盖率，最小检出缺陷尺寸等( 影响 缺陷的检测能力和测量精度) ，耐压性能、耐温性能，机械对中性能，各通道一 致性等。 针对上述影响因素，通过研究、试验，分析影响检测准确度和可靠度的各种 因素以及各种因素对检测结果的影响程度，并研究了如何将检测装置在率定试验 台上通过检测前后进行标定的形式来克服或减小这些因素的影响程度。同时，考 虑在试验台上设置相关设备和功能，满足检测装置的标验要求。对检测装置进行 标验和率定的试验台架所包含的器具及试块设置应具有多样性，既满足检测装置 整体标定试块，同时可实现对单个探头及内部相关部件的性能指标的测试，为检 测装置维护及部件更换提供依据和测试手段。 2 5 2 海底管道超声检测装置标验与率定设备的率定试验台设计 率定试验台在设计中，考虑了外界因素对检测结构的影响，可对介质、温度、 电磁波干扰等环境因素影响的模拟仿真，设置了标准缺陷试块、数字示波器、测 试夹具、加热保温设备、加油及清除回收装置，小型吊车，用于检测装置标检前 的设备吊装，环境参数设定等，检测结束后的设备标定和参数对比，借助于该试 1 9 海底管道超卢检测挑越杯验与率定殴备的开发 验台通过对各种影响冈素的数据分析，来提高枪删装胃及其检测数据的准确性和 l 靠性。 率定试验台如下图所示： 譬警誓孟釜。，。 固2 - 9 半定台正面构思圉 f i g2 - 9 c o