基于超聲檢測的管道內(nèi)腐蝕缺陷識別研究

1、54石油機(jī)械CHINAPETROLEUMMACHINERY2005年第33卷第11期!檢測診斷#基于超聲檢測的管道內(nèi)腐蝕缺陷識別研究湯楠穆向陽徐娟(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動化系)3摘要研究了石油天然氣長輸管道內(nèi)腐蝕超聲檢測中的表面缺陷識別問題。應(yīng)用求取檢測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號的相關(guān)函數(shù)和被測管壁的系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)的信號處理方法,使缺陷定性定量判斷的準(zhǔn)確性得到了提高,實驗結(jié)果表明,采用相關(guān)分析和計算系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的方法、原理和算法既不復(fù)雜,軟件實現(xiàn)也較容易,可以在實際工況下提高管道表面缺陷的定量和定性分析的可靠性,較好解決管道內(nèi)腐蝕缺陷的識別問題。關(guān)鍵詞超聲檢測管道內(nèi)腐蝕表面缺陷。因此,爬機(jī)引,已經(jīng)

2、在工。但是采用直探頭接觸法對薄壁鋼管表面缺陷進(jìn)行測量,其識別能力比較有限,檢測準(zhǔn)確性主要取決于檢測人員的技術(shù)水平及專業(yè)經(jīng)驗。特別是對于一些微小的淺形及非均勻的陸架型和階梯型腐蝕缺陷定性和定量分析,目前通用的識別方式主要是根據(jù)回波波形變化的動態(tài)和靜態(tài)特征來實現(xiàn)。由于其分析過程難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述,即使是人工檢測時比較容易解釋和識別的典型問題,也很難用計算機(jī)實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的識別。在石油天然氣長輸管道由于內(nèi)腐蝕而產(chǎn)生的管壁內(nèi)表面缺陷的檢測中,由于現(xiàn)有的一些分析方法在應(yīng)用上存在著的局限性,無法完全保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確程1度。特別是當(dāng)內(nèi)腐蝕為不規(guī)則缺陷時,有可能由于不規(guī)則的多次反射波而導(dǎo)致誤判率較高。目前

3、國內(nèi)外在役石油天然氣長輸管道的缺陷檢測,一般都是采用被稱為爬機(jī)的自動檢測系統(tǒng)來完3成。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦щy,爬機(jī)在檢測過程中需要將檢測信號存儲在系統(tǒng)中,待檢測結(jié)束再進(jìn)行回放處理。顯然如果在爬機(jī)的軟件系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)簡單可靠的識別和篩選過程,將會大大減少數(shù)據(jù)存儲量,從而也提高了檢測距離及檢測精度,同42量都具有十分重要的意義。另外,地面上的二次分析軟件也需要進(jìn)一步提高定型定量分析的準(zhǔn)確性及其智能化水平,不僅需要確定缺陷的存在,也需要確定缺陷的類型、大小及分布等要素。因此,在役管道內(nèi)腐蝕缺陷的識別技術(shù)一直是一個熱點問題。管壁腐蝕缺陷的識別和分析,原則上可以采用各次回波間隔時間及前2次反射回波的相對幅值

4、作為基本依據(jù)5。但是在應(yīng)用中常會遇到各次回波靠得很近相互干擾或受到其它干擾而不易清楚地區(qū)分的情況。這也是超聲爬機(jī)檢測可能出現(xiàn)誤判的一個重要原因2。而且此時對信號同步準(zhǔn)確程度的67要求也比較高。工程上已經(jīng)得到應(yīng)用的以無缺陷的表面回波為參考信號的反卷積法密度得到壁厚頻率數(shù)值的頻域法和利于功率譜,有時也會受到激勵信號類型及檢測過程中各種干擾信號的影響,而使結(jié)果中腐蝕缺陷特征并不明顯。特別是管道爬機(jī)檢測部分的多元蜂窩式結(jié)構(gòu)使各探頭間也存在相互干擾,使許多技術(shù)的應(yīng)用受到一定的限制。筆者在總結(jié)現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上針對鋼管內(nèi)腐蝕缺陷檢測中的識別問題進(jìn)行了一些研究探索,希望能對爬機(jī)檢測系統(tǒng)中的機(jī)載識別過程的更加簡

5、單化及識別結(jié)果準(zhǔn)確性的進(jìn)一步提高提供幫助。3基金項目:陜西省自然基金項目(2000C33)資助課題。© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005年第33卷第11期湯楠等:基于超聲檢測的管道內(nèi)腐蝕缺陷識別研究55實驗數(shù)據(jù)研究實驗中使用PT12超聲探頭。試塊為一段石油長輸管道用鋼材,2處表面缺陷均為錐狀淺凹坑,缺陷1直徑6mm,最大深度為3mm;缺陷2直徑4mm,最大深度為2mm。對檢測到的超聲回波信號做簡單的預(yù)處理,得到實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖1所示。其中圖(a

6、)和圖(b)中曲線d1和x1分別代表在兩不同缺陷處采集到的檢測信號,圖(c)和圖(d)中曲線w1和w2分別為在2處沒有缺陷區(qū)域檢測所得的結(jié)果。在w1和w2中第1個波峰為起始波,其它2個波峰為反射波。通過各波峰的間距可以計算出管壁的壁厚。號中信噪比較高或者信號同步不好時,在回波曲線上的缺陷判別難度將進(jìn)一步加大。相關(guān)分析識別法為了準(zhǔn)確地對缺陷特征進(jìn)行識別,可以采用波形的相似性來定性或定量比較分析。研究中選取了1組沒有缺陷時的檢測數(shù)據(jù)(如w2)作為標(biāo)準(zhǔn)參照信號。檢測中每采到1組檢測數(shù)據(jù),都與標(biāo)準(zhǔn)信號比較相似程度。在同樣工作條件下,相似程度差別越大的,可以認(rèn)為具有較大的缺陷。由于單獨的管道外壁腐蝕缺陷

7、的特征比較明顯容易辨別,所以在上述相似度比較前最好首先剔除外壁缺陷數(shù)據(jù),以便以后的識別結(jié)果完全區(qū)分開,。,xy()定義為)y(+,即)=Rxy(Ni=16N)x(i)y(i+(1)Rxy()全面地描述了信號的相似性,因此可以用來定量地衡量信號間的相似程度,為內(nèi)壁的腐蝕缺陷分析提供可靠的依據(jù)。圖2所示分別w1,x1和d1三組典型數(shù)據(jù)與w2互相關(guān)函數(shù)的圖形。由圖可以區(qū)分出3組數(shù)據(jù)與w2的相似程度。顯然通過求取檢測信號與w2歸一化的相關(guān)系數(shù)就可以定量地分析出缺陷的大小。在研究中則采用互相關(guān)函數(shù)的最大值作為簡單判斷依據(jù)。例如根據(jù)圖2中3組互相關(guān)函數(shù)的最大值分別為:5212127,4414201,351

8、5652。圖14組典型實驗檢測數(shù)據(jù)曲線缺陷回波的形態(tài)受到缺陷方向、位置、形狀、面積、深度和管壁光潔程度、檢測設(shè)備工作狀態(tài)及各回波間的相互作用等諸多因素的影響,給定性和定量分析識別準(zhǔn)確度的提高帶來了一定的困難。例如由于上述因素的存在,在有缺陷處得到的檢測數(shù)據(jù)缺陷本身及其類型的時域特征值特別是定量分析的特征并不是十分明顯,很容易產(chǎn)生誤判斷。同時也會造成缺陷處的厚度檢測誤差。應(yīng)用FFT對信號進(jìn)行簡單的頻域分析,誤判率接近30%,仍不能得到較為滿意的結(jié)果。研究中還通過簡單的技術(shù)手段模擬爬機(jī)實際工作時探頭抖動干擾、氣泡及蠟片等雜質(zhì)干擾、多探頭間相互干擾等實際工況,分別得到了相應(yīng)的檢測信號。研究結(jié)果表明,

9、在上述干擾情況下,引起信圖2實驗典型數(shù)據(jù)所得到的互相關(guān)函數(shù)圖由圖1可看到,實驗中數(shù)據(jù)采集時信號同步效果很好,所以圖2所示的相關(guān)函數(shù)最大值位于t=0處。尤其值得一提的是,由于互相關(guān)函數(shù)也描述了© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 56石油機(jī)械2005年第33卷第11期信號在不同時刻的相似性,所以采用相關(guān)分析法識別內(nèi)腐蝕缺陷,在信號同步效果較差時同樣可以得到滿意的效果。同樣是比較信號的相似性,還采用可以計算兩信號的方差和方法來分析檢測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號的差別大小

10、。研究中使用的計算公式為E=n=1中相應(yīng)y(t)曲線更加明顯的缺陷特征,適合在超聲反射信號的多次回波信號中分析表面結(jié)構(gòu)的特征。所以可以方便地用來作為進(jìn)一步定性定量分析和識別的依據(jù)。利用得到的系統(tǒng)脈沖相應(yīng)結(jié)果再用引言中所提到的時域和頻域的方法進(jìn)行表面缺陷的識別,其準(zhǔn)確程度明顯好于用原始檢測數(shù)據(jù)計算的結(jié)果。分析過程的抗干擾能力也有一定提高。6Nx(n)-y(n)2(2)使用1組沒有缺陷時的檢測數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)信號,將不同的回波信號數(shù)據(jù)代入式(2)中比較,也可以得到比較滿意的識別效果。例如用采集到的w2為參照,用式(2)分別計算圖1中的典型信號w1,x1和d1與w2的相似程度。得出的結(jié)果分別為41546

11、6,816963和1513754。由此即可得到腐蝕缺陷的分析初步定量結(jié)論。系統(tǒng)脈沖響應(yīng)識別法數(shù)h(t),。對于LTI系統(tǒng),x(t)的響應(yīng)y(t)應(yīng)該等于x(t)和h(t)的卷積。上述關(guān)系在頻域中表示為(3)Y()=H()X()缺陷本身可認(rèn)為是一個信號處理器,缺陷本身根據(jù)其位置、種類、大小的不同對超聲信號進(jìn)行相應(yīng)加工和處理。在時域中,信號x(t)經(jīng)過相應(yīng)的處理變成y(t)。在頻域中,系統(tǒng)對輸入信號的各個頻率成分進(jìn)行加工,變輸入信號頻譜X()為相應(yīng)的H()。所以系統(tǒng)脈沖函數(shù)h(t)及頻率響應(yīng)H()都可以作為表征缺陷特征的參量。一般的情況下,它應(yīng)該與缺陷位置、性質(zhì)、面積及填充物等參數(shù)有關(guān),可以用來對

12、缺陷的定性、定量分析。缺陷分析軟件中以FFT為主要數(shù)學(xué)工具,通過快速傅里葉變換實現(xiàn)時頻轉(zhuǎn)換和反卷積運算。得到的研究結(jié)果可以由圖3為例簡單說明。圖3所示為用超聲激勵信號作為系統(tǒng)輸入,以圖1中組回波信號作為系統(tǒng)輸出y(t)。采用上述方法得到的相應(yīng)的系統(tǒng)脈沖響應(yīng)即h(t)的圖形。其中(a)(b)為利用FFT通過反卷積得到的2個缺陷處的系統(tǒng)脈沖響應(yīng),圖(c)和圖(d)分別為2處沒有缺陷處的系統(tǒng)脈沖響應(yīng)。比較h(t)和y(t)兩信號,顯然圖3所示四組h(t)曲線具有比圖1圖3實驗典型數(shù)據(jù)的系統(tǒng)脈沖相應(yīng)函數(shù)由于表征缺陷的特征本身就不是一個清晰的概念,所以在管道爬機(jī)采集數(shù)據(jù)的二次處理中采用模式識別技術(shù)對檢測

13、到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、判別和歸類處理時,就十分適合利用模糊集合來描述,這也是研究小組下一步的工作方向。研究結(jié)果表明,使用相關(guān)累計平均法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,可以較好地抑制爬機(jī)工作時常見的干擾。結(jié)論:研究結(jié)果說明采用相關(guān)分析和計算系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的方法、原理和算法都不復(fù)雜,軟件實現(xiàn)也比較容易,可以在實際工況下提高管道內(nèi)表面缺陷的定性和定量分析的可靠性,較好地解決管道內(nèi)腐蝕缺陷的識別問題。目前的研究工作為管道超聲爬機(jī)檢測系統(tǒng)內(nèi)部在線處理部分提供了簡單實用甄別算法。進(jìn)一步的研究將是模式識別、模糊理論及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)在管道內(nèi)腐蝕缺陷類型識別及腐蝕度評價上的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1WilliamsonGCIII,B

14、ohonWM1Evaluationofultrasonicin2telligentpigperformance:Inherenttechnicalproblemsasa(下轉(zhuǎn)第71頁)© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005年第33卷第11期朱繼紅等:連續(xù)重整加熱爐吹灰與監(jiān)控的PCBCS設(shè)計71在PCBCS中Modbus通訊可用CommControl控件實現(xiàn)。PCBCS在本系統(tǒng)中作為從機(jī)的通訊流程如圖4所示。TPS3000DCS作為主機(jī),可在Mod

15、busAddressMap中的地址5000159999中通過DCS組態(tài)實現(xiàn)與PCBCS的通訊。中將CRC校驗編成子程序,每次校驗時進(jìn)行調(diào)用即可。具體CRC16碼校驗的實現(xiàn)算法可根據(jù)CRC校驗的定義公式進(jìn)行編程計算。結(jié)束語基于以太網(wǎng)的PCBCS系統(tǒng)于2005年1月在金陵石化公司煉油廠的連續(xù)催化重整加熱爐的吹灰與監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。實際運行表明,該系統(tǒng)完全滿足自動吹灰的要求,同時還能對吹灰效果進(jìn)行監(jiān)控,為優(yōu)化吹灰提供了條件,大大降低了勞動強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效益。由于PCBCS系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性好,開放性高,維護(hù)性強(qiáng)等特點,對鍋爐和管價值。參11山東省東營:石油,19982韓秋野1計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展方向

16、的探討1山西冶金,2002,(3):4749通訊程序流程圖3Think&DoUsersGuideVersion515Entivity,Inc120034何衍慶,俞金壽1集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用1北京:化在PCBCS上實現(xiàn)ModbusRTU協(xié)議的關(guān)鍵是循環(huán)冗余校驗,即CRC校驗的實現(xiàn)。國際標(biāo)準(zhǔn)中有4種CRC碼,即CRC12、CRC16、CRCCCITT、CRC32,ModbusRTU中使用CRC16碼,包括2個字節(jié)即16為二進(jìn)制數(shù)。DCS將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗,得到的數(shù)據(jù)即為CRC碼,將該碼放置于發(fā)送信息幀的尾部,PCBCS收到數(shù)據(jù)后重新計算CRC碼,比較計算的結(jié)果與接收到的CRC

17、碼是否相同。如果二者不同,則表明出錯,PCBCS發(fā)送出錯功能碼+80H給DCS,DCS將根據(jù)實際情況選擇重發(fā)或忽略,二者如果相學(xué)工業(yè)出版社,20025李志剛,汪小澄,方強(qiáng)1PLC與支持MODBUS協(xié)議的DCS系統(tǒng)的綜合1工業(yè)控制計算機(jī),2001,14(11):6365作者簡介:朱繼紅,工程師,生于1972年,現(xiàn)攻讀碩士學(xué)位。地址:(214122)江蘇省無錫市江南大學(xué)。電話:(0510)5911430。E-mail:jihongfulyahoo1com1cn。收稿日期:2005-05-25(本文編輯王志權(quán))同,PCBCS將把CRC碼發(fā)回DCS。本PCBCS程序(上接第56頁)pipelinein

18、spectiontool1CorrosionPrevention&Control,1995,42(2):8122GoedeckeH1Corrosionsurveyswiththeultrascanpig1CorrosionPrevention&Control,1990,37(2):33析研究1儀器儀表學(xué)報,2003,23(2):1311346周光平,李堅1超聲信號處理法檢測表面缺陷1無損檢測,1996,18(12):3313347盛沙,戴波1超聲波智能清管器信號處理技術(shù)研究1北京石油化工學(xué)院學(xué)報,2004,12(1):3841作者簡介:湯楠,教授,生于1956年,現(xiàn)從事教學(xué)和科研工作。地址:(710065)陜西省西安市。電話:(029)88382649。E-mail:ntangxsyu1edu1cn。363何宏,李琳1管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)進(jìn)展,西安