小管道超聲波檢測方法的研究

1、超聲檢測技術(shù)姓名:學(xué) 號：學(xué) 院:機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)(方向):測試計(jì)量技術(shù)與儀器題目小管道超聲波檢測方法的研究小管道超聲波檢測方法的研究（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 南京 210094）摘 要：管道是輸送石油、天然氣等介質(zhì)的最經(jīng)濟(jì)手段,但管道也會因腐蝕等原因而發(fā)生故障。我國大量的中、小口徑油氣輸送管道分布在人口較稠密的地區(qū),一旦發(fā)生腐蝕泄漏事故,其后果將更為嚴(yán)重。開展小管道檢測技術(shù)的研究,采用單探頭反射鏡式的超聲波檢測方法。關(guān)鍵詞：超聲檢測，管道機(jī)器人，信號采集，定位精度The Development of Ultrasonic Thickness Measurement（School of Me

2、chanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China）Abstract: Pipelines provide the most efficient means of carrying oil and gas.But the failures areOften occurred by internal corrosion in pipeline.Most of them are in small-diameter andmiddle-diamter,which are l

3、ocated in densely populated areas.Once the leaks happened,the damages are more serious.Carry out the study of small pipeline inspection technology,adopt ultrasonic inspection method of single probe reflector.Key words: ultrasonic inspection;pipeline robot;signal acquisition;locating precision.1引言超聲檢

4、測技術(shù)是無損檢測領(lǐng)域中的一種非常重要的方法，已被廣泛地應(yīng)用于在線質(zhì) 量控制、在役設(shè)備和關(guān)鍵零部件的安全監(jiān)測之中1。超聲檢測的數(shù)字化已經(jīng)成為超聲檢測儀器發(fā)展的必然趨勢。超聲檢測技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)，通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的。超聲技術(shù)在醫(yī)學(xué),軍事,工業(yè),農(nóng)業(yè)上有廣泛的應(yīng)用，可用于測距、測厚、測速、清洗、焊接、碎石等。石油及天然氣開采后,往往需要異地輸送,其距離可達(dá)數(shù)千公里。輸送管道作為一種經(jīng)濟(jì)、高效而安全的物料輸送手段一直為人們所關(guān)注2。但管道經(jīng)過長期使用,金屬管壁因受流體沖刷、電化學(xué)腐蝕等作用會出現(xiàn)機(jī)械裂紋和腐蝕穿孔,最終導(dǎo)致輸送效率降低、輸送

5、介質(zhì)泄漏等惡性事故。由于多數(shù)管道都鋪設(shè)于地下或海底,所以一旦出現(xiàn)事故,管道的維修和搶修成本非常高。因此,做好管道在役檢測工作己成為各國所關(guān)注的重大課題。管道檢測機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械,在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動控制下,進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。管道檢測機(jī)器人按照驅(qū)動方式大致可以分為以下三種:利用流體推力;自驅(qū)動(自帶動力源);通過彈性桿外加推力。目前,用于管道檢測、探傷、維護(hù)等用途的機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)及商業(yè)化產(chǎn)品的種類和數(shù)量不斷增加。同時還出現(xiàn)了以進(jìn)入人體微細(xì)管道進(jìn)行診療和檢查為目的微小管道檢測機(jī)器人的研究熱潮。2 國內(nèi)外管

6、道檢測機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀學(xué)者福田敏男、細(xì)貝英夫在1986年研制了可以通過“L”無圓弧過渡的管內(nèi)移動機(jī)器人3。該機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)分別由頭部和本體兩部分組成,頭部和本體可相對回轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人在直管內(nèi)行走時,本體上的電動機(jī)Ml通過減速裝置帶動本體上的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動,使機(jī)器人沿直管行走。當(dāng)通過90度彎管時,電動機(jī)MZ驅(qū)動頭部做姿態(tài)調(diào)整,同時驅(qū)動頭部履帶,引導(dǎo)機(jī)器人通過彎管。西門子公司W(wǎng)erner Nuebuaer等人研制的微管道機(jī)器人4有4、6、8支腳三種類型,可在各種類型的管里移動,其基本原理是利用腿推壓管壁來支撐個體,多腿可以方便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動。國內(nèi)的太原理工大學(xué)研制成功管內(nèi)腳式行走機(jī)器人5,該

7、機(jī)器人可在管內(nèi)雙向行走,自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向。該機(jī)器人由撐腳機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)成。清華大學(xué)研制了一套小型蠕動機(jī)器人系統(tǒng)6。上海大學(xué)利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測機(jī)器人,該型機(jī)器人分成多節(jié),利用與管道密封的橡膠環(huán),相當(dāng)于活塞,在輸油管內(nèi)壓力油作用下,推動檢測機(jī)器人向前行走。國內(nèi)管道檢測機(jī)器人技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代,近年來取得了較快進(jìn)展。工程管道檢測機(jī)器人采用普通電機(jī)或利用介質(zhì)壓差作為驅(qū)動動力源,以油氣、城市輸水等大中小型口徑管道為應(yīng)用背景。開展大中口徑工程用管道檢測機(jī)器人技術(shù)研究的單位中,較具代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、大慶油建公司

8、、中國石油天然氣管道局等。2002年南京理工大學(xué)機(jī)器人研究所對管道檢測機(jī)器人進(jìn)行研制,所研制的機(jī)器人適用于直徑273mm的管道,經(jīng)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究,已取得很大的進(jìn)展。 3 管內(nèi)漏磁檢測原理管內(nèi)漏磁檢測的工作原理如圖1所示,當(dāng)對管道進(jìn)行內(nèi)部檢測時,線圈產(chǎn)生交變磁場進(jìn)入被測管壁。此時,若被測管壁沒有受損,即不存在缺陷,則磁力線將不外溢;若被測管壁已受損減薄或存在裂縫,部分磁力線將外溢,此時,利用磁敏探頭采集信號,通過對信號的分析,即可確定管道壁的受損情況。圖1 管內(nèi)漏磁檢測原理由于漏磁法不是直接測定管壁厚度,且漏磁信號和缺陷之間為非線性關(guān)系,檢測信號易受到管壁腐蝕缺陷的長度、深度和缺陷形狀等因素

9、的影響。因此,使用漏磁法檢測管壁厚度時要求被測管壁較薄,它不適合于厚壁管道的無損檢測。當(dāng)腐蝕缺陷的面積大于探頭的靈敏區(qū)時,壁厚的檢測精度高,而當(dāng)腐蝕缺陷的面積小于探頭的靈敏區(qū)時,壁厚的檢測精度難以得到保證。因此,漏磁檢測分為高分辨率檢測和低分辨率檢測兩種方法。高、低分辨率的劃分以所用探頭數(shù)的多少,或各探頭間的周向間距而定,一般為8一60mm。探頭數(shù)愈多,各探頭之間的周向間距愈小,分辨率愈高,則檢測精度.愈高。高分辨率漏磁檢測法對槽型缺陷具有良好的檢測效果,對長寬比大于2,寬度小于探頭周向間距的槽型缺陷而言,當(dāng)采用探頭周向間距為30-40mm的漏磁檢測法檢測時,壁厚的檢測值明顯偏小。而采用探頭周

10、向間距為8mm的漏磁檢測法再次對這種缺陷進(jìn)行檢測時,則能精確測量出壁厚。4 超聲檢測方法及影響因素4.1超聲檢測方法超聲波檢測法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測量管壁受蝕后的厚度,其檢測原理如圖2所示,檢測時垂直于管道壁的超聲探頭對管壁發(fā)出一個超聲脈沖后,探頭首先接收到由管壁內(nèi)表面反射的回波,隨后接收到由管壁外表面反射的回波。于是,探頭至內(nèi)壁的距離A與壁厚T,可以通過內(nèi)表面反射回波的時間,以及內(nèi)、外表面反射回波的時間差來確定。圖2 超聲波檢測原理圖管道存在內(nèi)、外壁受損時,僅僅根據(jù)壁厚T曲線尚無法判別管道屬內(nèi)壁受損還是外壁受損,還需要參照探頭至內(nèi)壁的距離A曲線。當(dāng)外壁受損減薄時,距離A曲線不變

11、;而當(dāng)內(nèi)壁受損減薄時,距離T曲線與壁厚A曲線呈反對稱。于是,根據(jù)距離A和壁厚T這兩條曲線,即可確定管壁厚度,以及管道是內(nèi)壁受損減薄還是外壁受損減薄。這種檢測方法是管道腐蝕缺陷深度和位置的直接檢測方法,檢測原理簡單,對管道材料的敏感性小,檢測時不受管道材料雜質(zhì)的影響。此外,超聲波法的檢測數(shù)據(jù)簡單準(zhǔn)確,且無需校驗(yàn),檢測數(shù)據(jù)非常適合作為管道最大允許輸送壓力的計(jì)算,為檢測后確定管道的使用期限和維修方案提供了極大的方便,并能夠檢測出管道的應(yīng)力腐蝕破裂和管壁內(nèi)的缺陷如夾雜等。這種方法的不足之處就是超聲波在空氣中衰減很快,檢測時一般要有聲波的傳播介質(zhì),如油或水等。4.2管內(nèi)超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管內(nèi)檢測機(jī)器人要克

12、服管道截面小、空間有限的困難,需要將整個系統(tǒng)分解成若干個具有獨(dú)立功能的載體,如圖3所示。圖3 管內(nèi)超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖由于空間有限,本系統(tǒng)采用單探頭旋轉(zhuǎn)反射鏡結(jié)構(gòu)形式對管道進(jìn)行檢測。超聲波探頭固定在艙體內(nèi),沿管道軸線發(fā)射和接收超聲波信號,由于反射鏡與管道軸線成45“,超聲波就可以垂直射向管壁。檢測艙內(nèi)還安裝有步進(jìn)電機(jī),可通過齒輪帶動反射鏡裝置以管道軸線為中心旋轉(zhuǎn),從而完成對管道的周向檢測。管道檢測機(jī)器人在管內(nèi)“行走”的同時,反射鏡裝置旋轉(zhuǎn),因此超聲波對管壁的掃描實(shí)際上是螺旋掃描。檢測艙內(nèi)部裝有步進(jìn)電機(jī),要驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須設(shè)計(jì)驅(qū)動電路;另外,里程信號通過單片機(jī)計(jì)數(shù),將信號通過串口傳向上位機(jī),

13、這部分硬件電路將密封在電路板艙內(nèi)。機(jī)器人行走的速度,反射鏡旋轉(zhuǎn)的速度,以及超聲波的重復(fù)頻率之間存在一定的關(guān)系,它們將會影響到超聲波探頭是否能對管道進(jìn)行全面檢測,因此在檢測時要嚴(yán)格控制它們。4.3 超聲檢測不漏檢條件分析 在進(jìn)行超聲檢測時,探頭與被檢工件的相對運(yùn)動稱為掃查。對管道智能檢測而言,掃查應(yīng)滿足兩個條件:其一是保證管道內(nèi)壁有足夠的聲束覆蓋,以避免漏檢;其二是掃查過程中聲束入射方向始終與管道壁垂直。掃查速度取決于探頭的有效輻射面積和脈沖重復(fù)頻率,探頭掃查速度或移動速度不能過高。管道檢測機(jī)器人在管道內(nèi)行走的同時,反射鏡旋轉(zhuǎn),因此探頭發(fā)射的超聲波將在管道內(nèi)表面作螺旋掃描,為了實(shí)現(xiàn)超聲波對管道的

14、不漏檢,應(yīng)該從軸向和周向兩方面作分析。4.4 誤差來源分析及實(shí)驗(yàn)中可能的影響因素 誤差主要來源有以下兩個方面: 1.聲波速度在很大程度受到管道內(nèi)液體溫度的影響,因此聲波速度大小要以實(shí)際液體中的聲速為準(zhǔn),它將會給被檢工件的厚度測量帶來誤差;2.缺陷直徑的測量是靠移動探頭,觀察探傷儀上的波形的變化來確定的,移動探頭的距離由游標(biāo)卡尺來讀取,因此人的因素將給缺陷直徑的測量帶來誤差。以下幾種可能對實(shí)驗(yàn)中檢測產(chǎn)生的影響因素。1.由于超聲波檢測壁厚的數(shù)據(jù)是以垂直反射波作為測量管壁厚度的依據(jù),因此,要保證超聲波探頭的軸線與管道軸線重合,并且反射鏡要與管道軸線成45度。當(dāng)不滿足該條件時,超聲波探頭可能無法接收到

15、管壁發(fā)射回來的超聲波,所以會出現(xiàn)沒有波形的情況,或者收到部分的反射波,造成少波的情況；2.焦距隨水溫的變化會產(chǎn)生變化；3.探頭與管壁間的距離發(fā)生改變時,聲束也會在理想位置的前面或后面聚焦。當(dāng)探頭與管壁的位置變小,這時雖然聲束沒有在管壁內(nèi)聚焦,但由于聲束傳播的距離短,能量損失少,因而管壁的表面波和底波能量不會太弱,對檢測精度影響不是太大;當(dāng)探頭與管壁的距離變大,聲束不僅沒有在管壁上聚焦,而且由于聲束傳播的路徑長,能量損失多,管壁反射波的能量會很弱,當(dāng)弱到一定程度時,反射波可能無法被探頭接收,從而出現(xiàn)只接收到一個表面反射波,未收到底波或者無波的情況。4.5 超聲探頭的選擇1.探頭結(jié)構(gòu)型式的選擇 超

16、聲探頭的結(jié)構(gòu)型式很多,按采用的超聲波波形的不同,超聲探頭可分為直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭等;按禍合方式的不同,超聲探頭可分為直接接觸式探頭和液浸式探頭;按超聲波聲束形狀的不同,超聲探頭又可分為聚焦探頭和非聚焦探頭。一般根據(jù)被檢工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭型式,使聲束軸線盡量與缺陷垂直。2)超聲探頭工作頻率的選擇 超聲探頭的工作頻率f在0.5-10MHz之間，選擇范圍大。工作頻率選擇需考慮以下因素:(1)由于波的繞射，使超聲檢測靈敏度約為。提高工作頻率f，有利于檢測到更小的缺陷；(2)工作頻率f高，脈沖寬度小，分辨力高,有利于區(qū)分相鄰缺陷;(3)工作頻率f高，波

17、長短，半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，聲能集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對缺陷定位;(4)工作頻率f高，波長短，近場區(qū)長度N大，對檢測不利;(5)工作頻率f增加，聲能衰減急劇增加。 如上所述,工作頻率f的高低對超聲檢測有較大的影響。工作頻率高,靈敏度和分辨力高,指向性好,對檢測有利;但工作頻率高時,近場區(qū)長度大,衰減大,又對檢測不利。因此在保證檢測靈敏度的前提下,應(yīng)盡可能選用較低的工作頻率。3)超聲探頭晶片直徑的選擇 探頭晶片直徑D一般為1020，晶片大小對超聲檢測具有一定的影響。晶片直徑的選擇需考慮以下因素：(1)晶片直徑D增加,半擴(kuò)散角凡減少,聲束指向性變好,聲能集中,對檢測有利;(2)晶片直徑D增加,

18、近場區(qū)長度N迅速增加,對檢測不利;(3)晶片直徑D大,輻射的聲能大,探頭未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍大,遠(yuǎn)距離掃查范圍相對變小,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力增強(qiáng)。如上所述,探頭晶片直徑對聲束指向性、近場區(qū)長度、近距離掃查范圍和遠(yuǎn)距離缺陷檢測能力有較大的影響。對于不同的檢測艙結(jié)構(gòu),需根據(jù)聚焦超聲場模型和不漏檢條件選擇液浸聚焦探頭型式和參數(shù)。4.6 超聲探傷儀 根據(jù)缺陷顯示方式及顯示內(nèi)容的不同,超聲探傷儀可分為A型顯示、B型顯示和C型顯示等三種類型。A型顯示是一種波形顯示,探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時間(或距離),縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由反射波的位置可以確定缺陷位置,由反射波的幅度可以估算缺陷的大小。 A型顯

19、示脈沖反射式超聲探傷儀7的使用最為廣泛,它主要由同步電路、掃描電路、發(fā)射電路、接收放大電路、顯示電路和電源電路等組成。各部分的作用如下:1. 同步電路:產(chǎn)生一系列同步脈沖信號,用以控制整臺儀器各電路按統(tǒng)一步調(diào)進(jìn)行工作。2. 掃描電路:在同步脈沖信號作用下產(chǎn)生鋸齒波,加于示波管水平偏轉(zhuǎn)板上,形成掃描線。3. 發(fā)射電路:在同步脈沖信號作用下產(chǎn)生高頻電脈沖,激勵探頭發(fā)射超聲波。4. 接收電路放大電路:將探頭接受到的信號放大加于示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上。5. 顯示電路:顯示掃描線和探傷波形。6. 電源電路:供給儀器各部分所需要的電壓。圖4 A型探傷儀原理方框圖 在實(shí)際探傷過程中,各電路按統(tǒng)一步調(diào)協(xié)調(diào)工作。當(dāng)

20、電源接通后,同步電路產(chǎn)生同步脈沖信號,同時觸發(fā)發(fā)射電路和掃描電路。發(fā)射電路被觸發(fā)以后產(chǎn)生高頻電脈沖作用于探頭,通過探頭中壓電晶片的逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換成為聲信號發(fā)射超聲波。超聲波進(jìn)入工作介質(zhì)后,在傳播過程中遇到缺陷或底面等異質(zhì)界面后發(fā)生反射,反射波被探頭接收,通過探頭壓電晶片的正壓電效應(yīng)將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號送至放大電路放大檢波,然后加到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上,形成重疊的缺陷波F和底波B等。 掃描電路被觸發(fā)后產(chǎn)生鋸齒波,加到示波管水平偏轉(zhuǎn)板上,形成一條掃描亮線,將陷波F和底波B按時間展開,從而得到波形。由于示波屏上波高與聲壓成正比,掃描光點(diǎn)位移與時間成正比,因此可以根據(jù)A型探傷儀示波屏上缺陷的幅度

21、和位置對缺陷進(jìn)行定量和定位。數(shù)字化超聲波探傷儀8是計(jì)算機(jī)技術(shù)和超聲技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它承襲了常規(guī)超聲波探傷儀的基本模式,具有常規(guī)超聲波探傷儀的基本性能,由于計(jì)算機(jī)的介入,數(shù)字化超聲波探傷儀就具有數(shù)據(jù)存儲和運(yùn)算功能。微處理器系統(tǒng)發(fā)出同步脈沖信號觸發(fā)發(fā)射電路,產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖加在超聲探頭上,探頭接收到的脈沖超聲轉(zhuǎn)換成微弱聲信號,由接收放大器放大,經(jīng)AD變換器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,進(jìn)入微處理器,運(yùn)算處理,最后顯示卡至顯象管的熒光屏上,實(shí)時或凍結(jié)顯示回波脈沖。5 管道檢測機(jī)器人的發(fā)展趨勢為使管道檢測機(jī)器人能夠在管內(nèi)安全可靠的工作，盡早使用化和商品化，管道檢測機(jī)器人還需要在以下幾個方面有所發(fā)展和突破。1.靈活可靠的行走機(jī)構(gòu)。目前管道檢測機(jī)器人在直管中的行走技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,但在彎管、支岔管以及管道接頭部分的通過性問題尚需進(jìn)一步完善。要解決這些問題,首先要在機(jī)構(gòu)上保證機(jī)器人能夠在以上特殊環(huán)境中順利行走。如何尋找一種融合各種機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn),既能夠提供較大的牽引力,又快速靈活、可靠性高的驅(qū)動方案是值得研究的問題。另外,還特別要在動力系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)的小型化方面下工夫。2.智能化的傳感器系統(tǒng)。經(jīng)過多年的實(shí)踐,人們意識到對于管道內(nèi)部這種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境,傳感器的集成是可靠完成檢測任務(wù)的有效手段。先進(jìn)的感知算法的研究也是必要的,只有將感知算法與傳感器的硬件結(jié)合起來,形成智能化的傳感器,才能為提高管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人