（测试计量技术及仪器专业论文）小管道超声波检测方法的研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 摘要 管道是输送石油、天然气等介质的最经济手段，但管道也会因腐蚀等原因而发 生故障。我国大量的中、小口径油气输送管道分布在人口较稠密的地区，一旦发生 腐蚀泄漏事故，其后果将更为严重。 开展小管道检测技术的研究，采用单探头反射镜式的超声波检测方法，分析了 平面反射镜对聚焦声束的影响，对采用平面反射镜检测柱面工件时，工件中的焦点 位置及焦柱参数的确定方法进行了探讨。根据这种检测方法，设计了基于实验室条 件下的小管道检测机器人的结构，包括检测舱体的结构和里程定位系统的结构。 根据1 5 9 m m 的小管道的使用要求和工作环境，提出检测方案，组建了测试系 统，并分别设计了其两个分系统：管内超声波检测系统和管外数据采集、显示系 统。进行了相关硬件选型、电路设计和软件设计。硬件电路设计包括里程信号采集 电路、电机驱动电路和通讯接口电路。 在实验室条件下，进行了实验，实验结果表明检测方案是完全可行的。为了模 拟实际工作环境，还做了干扰试验，分析了各种干扰对检测精度的影响。实验及对 实验结果的分析，虽然是基于实验室条件下的，但仍然具有普遍意义，因此不仅为 客观评价检测方案的可行性和可靠性提供了可信的依据，同时也对小管道检测机器 人的后期研制具有至关重要的意义。 关键词：超声波检测 管道机器人信号采集定位精度 南京理工大学硕士学位论文小管道超声波检测方法的研究 a b s t r a c t p i p e l i n e sp r o v i d et h em o s te f f i c i e n tm e a n so fc a r r y i n go i la n dg a s b u tt h ef a i l u r e sa r e o f t e no c c u r r e db yi n t e r n a lc o r r o s i o ni np i p e l i n e m o s to ft h e ma r ei ns m a l l d i a m e t e ra n d m i d d l e d i a m e t e r ，w h i c ha r el o c a t e di nd e n s e l yp o p u l a t e da r e a s o n c et h el e a k sh a p p e n e d ， t h ed a m a g e sa r em o r es e r i o u s c a r r yo u tt h es t u d y o fs m a l lp i p e l i n e i n s p e c t i o nt e c h n o l o g y ，a d o p tu l t r a s o n i c i n s p e c t i o n m e t h o do fs i n g l ep r o b er e f l e c t o r ，a n da n a l y z ep l a n er e f l e c t o ri n f l u e n c eo n f o c u s i n gu l t r a s o n i cb e a m f o rp l a n er e f l e c t o ri n s p e c t i n gc y l i n d e rw o r k p i e c e ，c o n f i r m i n g m e t h o d so ff o c u sp o s i t i o na n dp a r a m e t e ro fw o r k p i e c ew e r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h e i n s p e c t i o nw a y ，d e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo f s m a l lp i p e l i n er o b o t ，i n c l u d i n gs t r u c t u r eo fc a b i n a n do n eo f m i l e a g el o c a t i n gd e v i c e o nt h eb a s i so fu s i n gn e e da n dw o r kc i r c u m s t a n c eo ft y p e0 15 9i n l t is m a l lp i p e l i n e ， b r i n gf o r w a r di n s p e c t i n gp r o j e c t ，b u i l du pt e s t i n gs y s t e ma n dd e s i g nt w os e p a r a t e l y s u b s y s t e m ：u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mi n t h ep i p e l i n ea n dd a t ac o l l e c t i o n 、d i s p l a y s y s t e m c a r r yt h o u g hr e l a t i o n a l h a r d w a r es e l e c t i o n 、c i r c u i t r ya n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r ec i r c u i td e v i c ei n c l u d e sa c q u i r e dc i r c u i to fm i l e a g es i g n a l 、d r i v ec i r c u i to f e l e c t r o m o t o ra n di n t e r f a c ec i r c u i to fc o m m u n i c a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o j e c ti s f e a s i b l ea b s o l u t e l y i no r d e rt o s i m u l a t ep r a c t i c a lw o r kc i r c u m s t a n c e ，s o m ei n t e r f e r e n t i a le x p e r i m e n t a t i o n sw e r ed o n e ， a n a l y z e d i n t e r f e r e u ti n f l u e n c eo ni n s p e c t i o np r e c i s i o n a c c o r d i n g t o a n a l y z i n g e x p e r i m e n t a ld a t u m , w h i c h i sf a r f l u n gs i g n i f i c a n c e s oi tn o to n l yo f f e r e da u t h e n t i cg i s ti n o r d e rt oe s t i m a t ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fi n s p e c t i o nw a y so b j e c t i v e l y ，b u ta l s oh a d i m p o r t a n tm e a n i n gf o ru p p e r r e s e a r c ho f s m a l lp i p e l i n er o b o t k e y w o r d s ： u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n p i p e l i n er o b o ts i g n a la c q u i s i t i o nl o c a t i n g t ) r e c i s i o n i i 7 6 2 9 8 0 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：塞立銎i 查河年占月j 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：丁年c ；月万日 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 1 1 选题背景 1 绪论 石油及天然气开采后，往往需要异地输送，其距离可达数千公里。输送管道作 为一种经济、高效而安全的物料输送手段一直为人们所关注【”。但管道经过长期使 用，金属管壁因受流体冲刷、电化学腐蚀等作用会出现机械裂纹和腐蚀穿孔，最终 导致输送效率降低、输送介质泄漏等恶性事故。由于多数管道都铺设于地下或海 底，所以一旦出现事故，管道的维修和抢修成本非常高。因此，做好管道在役检测 工作已成为各国所关注的重大课题。 我国大量的输油管道为中、小口径管道，与主干管道一样需进行各种安全检 测，铺设的油气输送管道已达3 0 1 0 4 k m ，且正以每年1 0 0 0 2 0 0 0 k m 的速度铺设新 管道。由于建成投入使用的年限长，大部分达到或接近2 0 年的使用年限，且由于原 设计、施工标准不高，管道年久腐蚀，又缺乏正常的检测维修，已进入事故多发 期，或接近事故多发期。这一点在南方油田尤为突出。在南方油田管径中2 7 3 m m 以 下的管道约2 x1 0 4 k m ，这些管道往往分布在人口较稠密的地区，一旦发生事故，其 后果将更为严重，而中、小口径管道智能检测技术在国外尚无成熟技术可以引进。 我国的地下管道检测技术仍处于起步探索阶段，各种检测管道腐蚀的技术也大都停 留在管外检测，方法传统落后。如果用管道机器人技术替代传统方法，就能节省大 量人力物力，节约大量资金。目前，管道的各种智能管道检测机器人仍在研究中， 成熟的产品尚未开发出来。尽管某些科研单位己研制出了几种功能样机，但它们只 能对空管道进行检测，很难满足实际要求。由于国外的智能管道检测机器人设计复 杂，价格昂贵，通常是几百万元一套仪器。现在我国的大部分油田都没有引进这种 设备，而只是采用传统的管道外检测方法，这就无法对埋地管道腐蚀受损情况进行 及时准确的检测，从而造成了一些重大损失【2 “j 。 开展小管道超声检测技术的研究，并在此基础上开展管道检测工作，通过对管 道的安全性评价和风险分析，可以制定科学的维修计划，改变过去的“事后维 修”、“不足维修”、“过剩维修”为“视情维修”，保证管道的安全高效运行。 本论文是结合南京市科技局科研项目“小管道智能检测技术研究”而进行的。项目 的总目标是：根据中1 5 9 m m 的小管道的使用要求和工作环境，在实验室建立模拟试 验系统，研究小管道智能检测技术，探讨适合我国国情、可供现场应用的小管道在 役检测技术和方法，以满足国内石油行业，特别是中小油田的管道在役检测需求。 南京理工大学硕士学位论文小管道超声波检测方法的研究 1 2 国内外管道检测机器人技术 管道检测机器入是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传 感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作 业的机、电、仪一体化系统。管道检测机器人按照驱动方式大致可以分为以下三 种：利用流体推力；自驱动( 自带动力源) ；通过弹性杆外加推力。 目前，用于管道检测、探伤、维护等用途的机器人试验样机及商业化产品的种 类和数量不断增加。同时还出现了阱进入人体微细管道进行诊疗和检查为目的微小 管道检测机器人的研究热潮。美国、英国、日本等国家的管道检测机器人技术处于 世界领先地位。其中又以日本的管道检测机器人总体技术研究水平和研究成果格外 引人瞩目【5 t 4 。 1 - 2 1 具有自主行走能力的管道检测机器人 具有自主行走能力的管道检测机器人按驱动形式可分为如图1 2 1 1 所示的轮 式、脚式、蠕动式等类型【1 5 。 轮式 厂厂r h i l 。n n k ju 少 r 蠕动式 脚式 图1 2 1 1 具有自主行走能力的管道检测机器人的基本形式 1 ) 轮式 图1 2 1 2 学者福田敏男、细贝英夫在1 9 8 6 年研制了可以通过“l ”无圆弧过渡的 管内移动机器人1 1 6 1 。该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成，头部和本体 可相对回转。当机器人在直管内行走时，本体上的电动机m 1 通过减速装置带动本体 上的驱动轮转动，使机器人沿直管行走。当通过9 0 度弯管时，电动机m 2 驱动头部做 姿态调整，同时驱动头部履带，引导机器人通过弯管。该机器人的技术指标为：适 应管径：中5 0 m m ：行走速度：8 1r a i n s ；转弯性能：可以通过9 0 度直角弯管：机 器人重量为：2 4 0 9 ：机器人长度：7 6 m m 。 2 南京理工大学碗士学位论文小管道超声波检测方法的研究 图1 2 1 2 可通过“l ”犁弯管的管内机器人 图1 2 1 3 管内脚式行走机器人 2 ) 脚式 1 7 1 8 】 西门子公司w e r n e rn e u b a u e r 等人研制的微管道机器人有4 、6 、8 支脚三种类 型，可在各种类型的管里移动，其基本原理是利用腿推压管壁来支撑个体，多腿可 以方便地在各种形状的弯管内移动。 国内的太原理工大学研制成功管内脚式行走机器人如图1 2 1 3 。该机器人可在 管内双向行走，自动随管道弯度转向。该机器人由撑脚机构、牵引机构和转向机构 构成。 3 ) 蠕动式 基于爬行生物的运动原理，以各种驱动器为动力，专家们设计并研制出多种形 式的蠕动式管道检测机器人。 清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统，其机构如图1 2 1 4 ，由1 蠕动体和 2 、3 、4 电致伸缩微位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电 阻应变实时感应，机器人的外形尺寸为1 5 0 x 6 1 x 4 6 m m ，重2 k g ，最大步距1 0 ，瓶，行 程4 0 r a m ，运动精度o 2 z 蛆。 图1 2 1 4 蠕动式机器人 1 2 2 利用介质压差驱动的管道检测机器人 利用管道流体压力对管道进行直接检测和清理技术的研究始于上世纪5 0 年代， 最具代表性的是美国研制的一种介质压差驱动的管内清理及检测设备口0 1 ，由于该检 测机器人是靠管道内部流体在其前后所形成的压力差作用下在管道内运行的，因此 被称为介质压差驱动的管道检测机器人。 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 上海大学利用石油管道的石油高压研制成在役石油管道检测机器人如图 1 2 2 1 ，该型机器人分成多节，利用与管道密封的橡胶环( 皮碗) ，相当于活塞， 在输油管内压力油作用下，推动检测机器人向前行走 2 ”。 图1 2 2 1 介质压差式管道检测机器人 1 2 3 通过弹性杆外加推力的管道检测机器人 日本东京科技学院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型机器人2 2 1 ，如图 1 2 3 1 。利用在管外的电机推动带有弹性的线推动驱动部件前进，该驱动部件可以 越过小的台 图1 2 3 】通过弹性杆外加推力的管道检期机器人 国外小管道智能检测爬机主要采用漏磁原理和涡流( e d d yc u r r e n t ) 原理i l ”j 。 其中，3 p ( p i p e l i n e ，p e t r o l e u ma n dp r e c i s i o ns e r v i c e sg m b h & c ok g ) 服务公司的 p i c o l o ( p i p e l i n ec o r r o s i o nl o g g e r ) 采用漏磁原理，设计直径为中1 0 0 3 0 0 r a m 。 s y m i n e x 公司的c o r r o l 0 9 3 4 采用涡流原理，设计直径中7 5 1 0 0 m m ，总长度1 5 m ， 质量6 k g ，工作行程2 4 k i n ，可检测最大壁厚8 5 m m 。对于直径小于中1 5 9 m m 的小管 道超声智能检测爬机而言，为了实现管壁状态的1 0 0 检测，需采用旋转式检测头或 旋转反射镜式检测头结构。此时，最小检测壁厚可达3 m m 。不过，尚未见到直径小 于中1 5 9 m m 的小管道超声智能检测爬机的报道。 国内管道检测机器人技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代，近年来取得了较快进 展。工程管道检测机器人采用普通电机或利用介质压差作为驱动动力源，以油气、 城市输水等大中小型口径管道为应用背景。开展大中口径工程用管道检测机器人技 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 术研究的单位中，较具代表性的有哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、吉 林工业大学、大庆油建公司、中国石油天然气管道局等够2 8 1 。 2 0 0 2 年南京理工大学机器人研究所对管道检测机器人进行研制，所研制的机器 a 适用于# 2 7 3 m m 的管道，经理论分析及实验研究，已取得很大的进展。 1 3 管道腐蚀检测技术的现状 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。管道 内腐蚀检测技术就是主要针对管壁的变化来进行测量分析的。在没有开挖管道的情 况下进行的管道内腐蚀检测技术一般有漏磁通法、超声波法、涡流法、激光法、电 视法等。其中激光检测法和电视测量法需和其他方法配合才能得出有效准确的腐蚀 数据，而涡流检测法虽然可适用于多种黑色和有色金属，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被测体系最好保持恒温。所以，现在使用较为广泛 的管道腐蚀检测方法是超声波检测法和漏磁检测法 2 9 - 3 “。 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，且检测干扰因素多，精度较低。 管内漏磁检测的工作原理如图1 3 1 所示，当对管道进行内部检测时，线圈产生 交变磁场进入被测管壁。此时，若被测管壁没有受损，即不存在缺陷，则磁力线将 不外溢；若被测管壁己受损减薄或存在裂缝，部分磁力线将外溢，此时，利用磁敏 探头采集信号，通过对信号的分析，即可确定管道壁的受损情况。 = 7：么一 耍茴 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 和低分辨率检测两种方法。高、低分辨率的划分以所用探头数的多少，或各探头间 的周向间距而定，一般为8 6 0 m m 。探头数愈多，各探头之间的周向间距愈小，分 辨率愈高，则检测精度愈高。高分辨率漏磁检测法对槽型缺陷具有良好的检测效 果，对长宽比大于2 ，宽度小于探头周向间距的槽型缺陷( 约3 0 1 0 m m ) 而言，当 采用探头周向间距为3 0 4 0 m m 的漏磁检测法检测时，壁厚的检测值明显偏小。而采 用探头周向间距为8 m m 的漏磁检测法再次对这种缺陷进行检测时，则能精确测量出 壁厚【3 2 。33 1 。 超声波检测法主要是利用超声波的脉冲反射原理来测量管壁受蚀后的厚度，其 检测原理如图1 3 2 所示，检测时垂直于管道壁的超声探头对管壁发出一个超声脉冲 后，探头首先接收到由管壁内表面反射的回波，随后接收到由管壁外表面反射的回 波。于是，探头至内壁的距离a 与壁厚r ，可以通过内表面反射回波的时间，以及 内、外表面反射回波的时间差来确定。管道存在内、外壁受损时，仅仅根据壁厚丁曲 线尚无法判别管道属内壁受损还是外壁受损，还需要参照探头至内壁的距离a 曲线。 当外壁受损减薄时，距剐曲线不变；而当内壁受损减薄时，距离丁曲线与壁黝曲 线呈反对称。于是，根据距离4 和壁厚腿两条盐线，即可确定管壁厚度，以及管道 是内壁受损减薄还是外壁受损减薄。这种检测方法是管道腐蚀缺陷深度和位置的直 接检测方法，检测原理简单，对管道材料的敏感性小，检测时不受管道材料杂质的 影响。此外，超声波法的检测数据简单准确，且无需校验，检测数据非常适合作为 管道最大允许输送压力的计算，为检测后确定管道的使用期限和维修方案提供了极 大的方便，并能够检测出管道的应力腐蚀破裂和管壁内的缺陷如夹杂等。这种方法 的不足之处就是超声波在空气中衰减很快，检测时一般要有声波的传播介质，如油 或水等 3 2 _ 3 4 1 。 外壁减薄 管壁 峪撇 1 = 二二耳= 可一时间 图1 3 2 超声波检测原理图 目前，南京理工大学机器人研究所正在对超声波检测管道缺陷技术进行研究， 研制的管道超声波检测机器人适用于庐1 5 9 m m 的管道。详细情况以下各章节进行分 析。 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 1 4 本人主要工作 本论文以项目“小管道智能检测技术研究? 的前期研制即在实验室建立模拟现 场的试验检测系统为背景，完成前期研制的一部分工作，主要包括以下内容： 完成基于实验室条件下检测系统的总体设计，建立一个既适应实验室条件，又可 以模拟现场工作环境的实验室检测系统； 管内检测机器人的设计，完成检测机器人的结构设计，以及里程定位系统的结构 设计，使它在管内行走的同时完成对管道的检测； 对液浸聚焦超声场进行研究，建立聚焦声束经平面反射镜反射后的液浸聚焦超声 场模型；对单焦距探头用于液浸法检测柱面工件时的聚焦超声场进行分析； 缺陷的定位即管道机器人的行程定位，通过研究提供套里程记录测量系统，完 成相关硬件电路及其软件设计； 建立小管道液浸超声检测的实验室测试系统。在室内模拟条件下，进行液浸聚焦 探头的标定实验和单探头反射镜式检测实验，对采集到的数据进行分析。 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 2 1 概述 2 系统总体设计 现在我国的大部分油田都没有引进国外智能检测设备，而只是采用传统的管道 外检测方法，这就无法对埋地管道腐蚀受损情况进行及时准确的检测，从而造成了 一些重大损失。我国的地下管道检测技术仍处于起步探索阶段，各种检测管道腐蚀 的技术也大都停留在管外检测，方法传统落后。如果用管道机器人技术替代传统方 法，就能节省大量人力、物力，节约大量资金。 美国t u b o s c o p e 公司采用漏磁检测机器人进行了管道智能检测p ”，其结构如图 2 1 1 所示。该系统是利用漏磁检测原理，对在役管道进行管内检测，由检测、控 制、驱动、数据处理和电源等部分组成，其结构为一机多舱，即驱动舱( d r i v e m o d u l e ) 、仪器舱( i n s t r u m e n tm o d u l e ) 和数据处理舱( d a t ar e d u c t i o nm o d u l e ) 等。检 测部分由两组检测头组成，一组检测头用于检测管壁内表面的受损状况，另组检 测头则用于检测管壁外表面的受损状况，两组探头均环列于检测头外，且垂直于被 测管道壁。 驱动、电源部分数据存储部分检测、控制部分 图2 1 1 管道漏磁智能检测爬机 该系统结构比较复杂，价格昂贵。管道漏磁智能检测法与超声智能检测法的原 理己在绪论中叙述了，它们之间的性能参数比较如表2 1 1 所列3 6 l 。 表2 。l 。1 管道漏磁智能检测法与超声智能检测法的性能参数比较 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 从表2 1 1 中可以看到超声智能检测法与漏磁智能检测法的性能参数比较，超声 波法所检测的范围从5 i o o r a m ，而漏磁法检测壁厚的范围为o 2 0 m m ，范围较 小；漏磁法所采用的探头最小直径为5 0 m m ，满足检测精度所选用的探头直径大于 c s o m m ，而本课题所研究的被测对象是内径们5 0 m m 小管道，从结构设计来看，漏 磁法不适合对小管道的检测。超声波法对材料、流体、金属层的敏感性小于漏磁 法；数据处理方面超声波法较漏磁法简单，易实现。 基于以上种种分析，本系统采用超声波法对管道进行检测。 2 2 实验室管道检测系统总体设计 本论文结合南京市科技局的科研项目“小管道智能检测技术研究”而进行，项 目的总目标是：根据, 1 5 9 m m 的小管道的使用要求和工作环境，在实验室建立模拟 试验系统，研究小管道超声检测技术。 采用超声波检测技术从内部对管道进行检测，首先要考虑检测探头如何固定， 即要完成对检测装置的设计：其次要确定所检测到缺陷的位置，这就要设计一个里 程机构；最后还要建立一个数据采集和显示系统。因此，将实验室管道检测系统分 为管内和管外两部分，各部分的功能见图2 2 1 。 管道超声波 检测系统 餐由 管韩 超声波检测系统 功能? 实理探头旋转检颡4 及 管道机器a 的行程定位 数据采集、显示系统 功能：完成对罄壁信s 秘里 程信号的采集及后葫分析 图2 2 1 实验室管道检测系统总体设计 由上图可以看到，整个系统主要分为两个部分： 管内超声波检测系统 这个系统分为检测舱和里程机构两个部分。实现超声波对管道的检测及管道机 器人的行程定位。 检测舱 检测舱内装有超声波搽头、反射镜、镜面旋转机构、齿轮、步进电机等。根据 所用探头的个数有单探头、双探头和多探头之分，本系统采用单探头，并利用镜面 反射装置实现对管壁的全面扫描。工作时，探头发射超声波经镜面反射，垂直射向 管壁，管道内、外壁反射又经过反射镜后被探头接收。微型电机经齿轮带动反射镜 旋转，从而检测整个管道。步进电机的转动由上位机控制。 里程机构 完成管道检测机器人在管道内的轴向定位。该机构将定位信号通过串口传向上 位机。 管外计算机数据采集、分析系统 完成对管壁信号和里程信号的采集及后期分析。里程信号通过串口实时传向上 位机。在管内检测系统完成检测任务后，将采集到的缺陷数据信息作进一步的后期 处理、分析。该系统主要由计算机硬件系统和数据分析处理软件系统组成。 超声波探伤仪 超声波探伤仪为超声波探头提供发射脉冲，并将探头接收到的反射脉冲信号进 行显示及存储。超声波探伤仪采集并记录管壁信息，通过串行接口传入上位机。 上位机 上位机一方面接收里程机构传来的定位信号确定检测机器人的位置，另一方面 控制步进电机的运转。上位机通过串口接收超声波探伤仪采集并存储的管道缺陷信 息，根据该缺陷信息，运用相关软件可以在屏幕上得到缺陷的腐蚀情况。 基于以上分析，组建测试系统，如图2 2 2 所示： ii i 竺翌竺h 兰登竺望l l 譬竺卜 一。一。一一一一一一。一一一一一一。一 。一一一一 | 管道内部 图2 2 2 测试系统框图 管道外部 1 0 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 2 3 管内超声检测系统结构 管内检测机器人要克服管道截面小、空间有限的困难，需要将整个系统分解成 若干个具有独立功能的载体，如图2 3 1 所示。 一舱 反射镜装置 检测舱里程轮 图2 3 1 管内超声检测系统结构示意图 如前所述，由于空间有限，本系统采用单探头旋转反射镜结构形式对管道进行 检测。超声波探头固定在舱体内，沿管道轴线发射和接收超声波信号，由于反射镜 与管道轴线成4 5 。，超声波就可以垂直射向管壁。检测舱内还安装有步进电机，可 通过齿轮带动反射镜装置以管道轴线为中心旋转，从而完成对管道的周向检测。管 道检测机器人在管内“行走”的同时，反射镜装置旋转，因此超声波对管壁的扫描 实际上是螺旋扫描。 检测舱内部装有步进电机，要驱动电机运转，必须设计驱动电路；另外，里程 信号通过单片机计数，将信号通过串口传向上位机，这部分硬件电路将密封在电路 板舱内，见图2 3 ，1 。 机器人行走的速度，反射镜旋转的速度，以及超声波的重复频率之间存在一定 的关系，它们将会影响到超声波探头是否能对管道进行全面检测，因此在检测时要 严格控制它们。这部分的内容将在第四章作详细介绍。 2 4 管外计算机数据采集分析系统 管道检测机器人在管内行走的同时，采集并记录机器人行走的位置。在管内检 测系统完成检测任务后，将采集到的缺陷数据信息作进一步的后期处理、分析。 采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 语言完成上位机软件设计。通过对v b 的 m s c o m m 控件编程完成了命令通讯、里程信号采集及电机运行控制等功能。 2 5 系统的硬件选型 超声波的发射、接收主要通过超声换能器，即超声探头来实现。超声探伤仪发 射电路产生的高频电脉冲加于探头时，激励压电晶片产生高频振动，从而产生超声 南京理工大学硕士学位论文小管道超声波检测方法的研究 波。与此相反，当超声波传至探头而使晶片发生高频振动时，压电晶片便产生高频 电振荡，送至探伤仪放大电路，经放大和检波，在示波管上显示出波形。这就是超 声披的产生和接收过程。由此可见，探头利用压电晶片的逆压电效应产生超声波， 同时利用压电晶片的正压电效应接收超声波。 管道的超声在役检测则是通过数字化超声探伤仪与探头的组合来实现的。因此 对超声波探头和超声探伤仪的选择十分重要，它将直接影响检测结果。 2 5 1 超声波探头的选择 1 ) 探头结构型式的选择 超声探头的结构型式很多，按采用的超声波波形的不同，超声探头可分为直探 头、斜探头、表面波探头、双晶探头等；按耦台方式的不同，超声探头可分为直接 接触式探头和液浸式探头；按超声波声束形状的不同，超声探头又可分为聚焦探头 和非聚焦探头刚。一般根据被检工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来 选择探头型式，使声柬轴线尽量与缺陷垂直。 本次设计的被检对象是在役管道，在模拟条件下，管道内部充满液体，因此选 用液浸式探头，对液浸法而言，超声探头与被检工件不直接接触，探头晶片损坏的 可能性小，超声波的发射与接收较接触法稳定，易于实现自动化超声检测，以提高 扫查速度，缩短检测时间。由于液浸法中的声束指向性差，对超声检测不利，为使 入射角恒定和不致出现许多其它干扰波型，多采用聚焦法来改善其指向性。在声束 会聚区，即焦柱区内声能集中，声束尺寸小，检测灵敏度和分辨率较高。从结构形 式来看，本系统选择液浸式聚焦探头。 2 ) 超声探头工作频率的选择3 7 。3 8 】 超声探头的工作频率厂在0 5 1 0 m h , z 之间，选择范围大。工作频率的选择需 考虑以下因素： 0 ( 1 ) 由于波的绕射，使超声检测灵敏度约为：2 l - 。提高工作频率，有利于检测到 z 更小的缺陷； ( 2 ) 工作频率厂高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷： ( 3 ) 工作频率厂高，波长五短，半扩散角岛小，声束指向性好，声能集中，有利 于发现缺陷并对缺陷定位； ( 4 ) 工作频率厂高，波长五短，近场区长度大，对检测不利； ( 5 ) 工作频率厂增加，声能衰减急剧增加。 南京理工大学硕士学位论文小管道超声波检测方法的研究 如上所述，工作频率厂的高低对超声检测有较大的影响。工作频率高，灵敏度 和分辨力高，指向性好，对检测有利：但工作频率高时，近场区长度大，衰减大， 又对检测不利。因此在保证检测灵敏度的前提下，应尽可能选用较低的工作频率。 3 ) 超声探头晶片直径的选择 探头晶片直径d 一般为# 1 0 庐2 0 ，晶片大小对超声检测具有一定的影响。晶 片直径的选择需考虑以下因素【3 7 0 8 】： ( 1 ) 晶片直径d 增加，半扩散角岛减少，声束指向性变好，声能集中，对检测 有利； ( 2 ) 晶片直径d 增加，近场区长度迅速增加，对检测不利； ( 3 ) 晶片直径d 大，辐射的声能大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围 相对变小，发现远距离缺陷能力增强。 如上所述，探头晶片直径对声束指向性、近场区长度、近距离扫查范围和远距 离缺陷检测能力有较大的影响。 对于不同的检测舱结构，需根据聚焦超声场模型和不漏检条件选择液浸聚焦探 头型式和参数。这部分将在第四章作详细讨论。 根据聚焦声场理论计算的聚焦探头参数与是否采用平面发射镜有密切关系。对 于小管道在役检测而言，由于壁厚较小，采用多探头旋转结构时的聚焦探头直径d 较小，仅为痧2 5 m m ，探头加工制造十分困难。采用旋转反射镜结构时，聚焦探头 直径为1 0 2 0 m m ，易于加工制造。因此，检测舱体的结构与探头型式和参数密切 相关。超声智能检测而言，需要设计不同型式的检测舱体，选用相应的聚焦探头并 进行超声检测试验。 4 ) 探头各参数的确定 根据探头选择的一般原则，选择聚焦探头的 晶片直径为d = 2 0 m m ，探头发射声波的频率 厂= 5 m h z ，焦柱直径= 2 m m ，则可确定聚焦 探头的其它参数。 已知：氖= o 2 9 6 ，b 5 1 1 8 m m 则根据公式( 4 2 1 ) 和( 4 2 2 ) 可得 三p = 4 2 五 从而计算出超声波在钢中的焦柱长度 n 板 y ：p 图2 5 1 1 超声波束在钢板中的聚焦 l 钢= 1 3 6 m m 。当聚焦超声波束的焦点在钢板中时，检测的效果达最好。钢板的厚 度m = 4 5 m m ，硒应小于钢板的厚度，取s p l = 2 m m ，则s p = 4 一s p = 8 m m 。 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 由= # s p a b ，可得a b = 如件s 一妒，从而计算出a b = 1 1 8 ； 由图2 , 5 1 1 所示的几何关系知，4 曰，d = s p ( s p + s o ) ， 一s o ： 2 7 r a m ，所以焦距只k ：丽+ 一s p ：1 2 7 + 8 = 1 3 5 m m 由聚焦声场理论可知，探头在水中的焦距r = s o + 即不应大于三分之二的水 中近场长度。 取n k = 1 4 8 1 0 3 m s ，由式( 4 2 6 ) 可得近场长度n = 3 3 8 m m ，故探头在水中 的焦距不能超过2 2 5 3 m m 。所以所确定的，1 7 k = 1 3 5 r a m 满足要求。 经过各项参数的确定，最终购买的探头为常州南洋超声波换能器厂生产的水浸 式点聚焦探头，型号为5 p 2 0 f 1 3 5 d j ，如图2 5 1 2 所示。其各项参数指标为：晶片 直径为d ：2 0 m m ，探头发射声波的频率厂= 5m h z ，探头在水中的焦距 e k = 1 3 5 m m ，焦柱直径庐= 2 r a m 。 2 5 2 超声波探伤仪 图2 5 1 2 液浸式聚焦探头 根据缺陷显示方式及显示内容的不同，超声探伤仪可分为a 型显示、b 型显示 和c 型显示等三种类型。a 型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声 波的传播时间( 或距离) ，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺 陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷的大小。 a 型显示脉冲反射式超声探伤仪的使用最为广泛1 3 9 圳】，它主要由同步电路、扫 描电路、发射电路、接收放大电路、显示电路和电源电路等组成。各部分的作用如 下： 同步电路：产生一系列同步脉冲信号，用以控制整台仪器各电路按统一步调进 行工作。 扫描电路： 成扫描线。 发射电路： 在同步脉冲信号作用下产生锯齿波，加于示波管水平偏转板上，形 在同步脉冲信号作用下产生高频电脉冲，激励探头发射超声波。 1 4 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 接收电路放大电路：将探头接受到的信号放大加于示波管垂直偏转板上。 显示电路：显示扫描线和探伤波形。 电源电路：供给仪器各部分所需要的电压。 图2 5 2 1a 型探伤仪原理方框图 在实际探伤过程中，各电路按统一步调协调工作。当电源接通后，同步电路产 生同步脉冲信号，同时触发发射电路和扫描电路。 发射电路被触发以后产生高频电脉冲作用于探头，通过探头中压电晶片的逆压 电效应将电信号转换成为声信号发射超声波。超声波进入工作介质后，在传播过程 中遇到缺陷或底面等异质界面后发生反射，反射波被探头接收，通过探头征电晶片 的正压电效应将声信号转换为电信号送至放大电路放大检波，然后加到示波管垂直 偏转板上，形成重叠的缺陷波f 和底波b 等。 扫描电路被触发后产生锯齿波，加到示波管水平偏转板上，形成一条扫描亮 线，将陷波f 和底波b 按时间展开，从面得到图2 5 。2 。1 所示的波形。由于示波屏上 波高与声压成正比，扫描光点位移与时间成正比，因此可以根据a 型探伤仪示波屏 上缺陷的幅度和位置对缺陷进行定量和定位。 数字化超声波探伤仪是计算机技术和超声技术相结合的产物【4 ”。它承袭了常规 超声波探伤仪的基本模式，具有常规超声波探伤仪的基本性能，由于计算机的介 入，数字化超声波探伤仪就具有数据存储和运算功能。 数字化超声波探伤仪整机由微处理器系统同步和控制，其基本结构框图如图 2 5 2 2 所示。 图2 5 2 2 数字化超声波探伤仪框图 南京理工大学硕士学位论文 小管道超声波检测方法的研究 微处理器系统发出同步脉冲信号触发发射电路，产生高压负脉冲加在超声探头 上，探头接收到的脉冲超声转换成微弱声信号，由接收放大器放大，经a d 变换器将 信号转换成数字信号，进入微处理器，运算处理，最后显示卡至显象管的荧光屏 上，实时或冻结显示回波脉冲。 本课题所选用的数字式超声波探伤仪为南京新七星超声技术有限公司生产的 d u t - 2 1 8 8 c 型数字式超声波探伤仪，见图2 5 2 3 。 其主要技术指标如下： 检测范围：0 - - 6 0 0 0 m m ： 增益范围：o l o o d b ； 频带范围：o - - 1 5 m h z ； 灵敏度余量：5 5 d b ； 声速：调整范围为：o - - 9 9 9 9 m s ，步长为：l m g , s 图2 5 2 3 数字式超声波探伤仪 2 6 本章小结 本章以小口径管道的检测为基础，考虑到小口径管道的特点，进行了小口径管 道检测实验系统的总体设计。介绍了该检测系统的各个组成部分，组建测试系统。 系统采用单探头旋转反射镜式的结构，实现对管道的超声波检测，最后对管内超声 检测系统的结构，系统相关的硬件选型进行了详细的介绍。 3 小管道超声检测机器人的结构设计 3 1 引言 根据组建的测试系统，其关键组成部分之一是管道检测机器人的结构设计。采 用超声波检测技术从内部对管道进行检测，首先要考虑检测探头如何固定，即要完 成对检测装置的设计：其次要确定所检测到缺陷的位置，这就要设计一个里程机 构。因此本章将对检测机器人的结构设计进行详细讨论。 3 2 管道检测机器人总体结构的设计 管道检测机器人的结构设计必须根据超声波的检测方法来确定，因此在设计管 道检测机器人前需要先了解一下系统所采用的检测方法。这样才能设计出满足检测 要求的管道检测机器人。另外，目前大多数的管道检测机器人在被测管道内都是被 动行走，即由管道内的高压气流或液流驱动。为了保证管道检测机器人在管内顺利 地行走，同时完成各种数据的采集、传递，以及对检测到的缺陷进行定位，这就对 管道机器人的结构设计提出了很高的要求。 3 2 1 管道检测机器人结构设计中的几个关键问题 本课题所研究的问题是对小口径在役石油管道的无损检测，因此在管道检测机 器人的结构设计中要注意解决以下几个关键问题： 检测系统的小型化 此次被检管道的参数为：外径妒1 5 9 r a m ，内径庐1 5 0 m m ，属于小口径管道的无 损检测。被检管道的空间非常小，在设计时应将构成系统的各功能部件尽可能地小 型化，最大限度地减少所需的几何空间。 管内系统简单化 系统构成允许的情况下，尽可能的将能在管外完成的功能从系统中分离出来， 使其留在管外；可以从管外提供能量的结构尽可能从系统中分离出来，在管外进行 能量供给。管内系统组成中只保留必不可少的结构，以减少功能部件，提高系统的 总体可靠性和维护性。 能源外置 为系统提供驱动力的能源应尽可能地利用外部能量，尽可能地减少自身所带的 能源，以使系统负载最小。 检测系统工作可靠性 要克服温度对整个检测系统的影响 质对检测精度的影响。 防振动、抗冲击 检测系统在被测管道内转弯时防振 较大阻力时的防振动、抗冲击技术。 3 2 2 检测原理及方法 以及耦合介质的流动和介质中所含有的杂 特剐是管道检测机器人在被检管道内受到 声波是弹性介质的机械波。一般人耳所能听到的声波频率范围是1 6 千赫至2 0 千赫。当声波频率超过2 0 千赫时，人耳就听不到了，这类声波被称作超声波”1 。超 声波具有良好的指向性，其波长很短( 毫米数量级) ，在弹性介质中能象光波一样沿 直线传播，并符合光学规律，它在介质中传播时，在不同的介质界面上具有反射特 性。长时间埋于地下的油气管道经过腐蚀后，最明显的特征是管壁会呈现出不同程 度的减薄，超声波检测机器人就是利用超声波测量腐蚀管道壁厚的。 超声波检测机器人选用脉冲反射式测厚法测量管道。这种方法从原理上来说是 对被测管道发射超声波，利用超声波在不同介质界面的反射特性，通过测量超声波 在工件中的往返传播时间t ，即： d ：一1c f( 3 2 1 ) 2 如果声速c 己知，那么，测得超声波在工件中的往返传播时间f ，就可以求乖导工 件的厚度d 。 在实际测量过程中，管道检测机器人使用超声波脉冲反射法不但能准确测得腐 蚀管道的壁厚，而且还能分