在役高壓儲氣瓶組自動化超聲檢測系統(tǒng)研制

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(1.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,烏魯木齊 830046；2.上海鼎聲電子科技有限公司,上 海 200433)

隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，近幾年全國壓縮天然氣(CNG)汽車保有量持續(xù)增加，由CNG汽車帶動的CNG加氣站也迅速發(fā)展了起來。作為CNG加氣站的儲氣設(shè)備，高壓儲氣瓶被廣泛使用，其工作壓力均高達(dá)25 MPa。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國的CNG加氣站已達(dá)到6 000多座，其中一半以上的加氣站采用儲氣瓶組。新疆自治區(qū)境內(nèi)有1 500余座CNG加氣站，已辦理登記注冊的高壓儲氣瓶組有800余座。

高壓儲氣瓶裝置在充氣和輸氣的過程中一直處于加壓和卸壓狀態(tài),如長期處于此狀態(tài)，裝置容易產(chǎn)生金屬疲勞，而且儲氣瓶組周圍并未設(shè)置防爆墻等相應(yīng)保護(hù)設(shè)施，危險(xiǎn)系數(shù)高。如果儲氣瓶內(nèi)部有小的裂紋或腐蝕，在加壓和卸壓過程中受疲勞載荷的作用，裂紋會進(jìn)一步擴(kuò)展并有可能發(fā)生事故。所以，對儲氣瓶的定期檢測就顯得尤為重要，可以使裂紋或腐蝕在發(fā)展的初期就被檢出，并采取措施防止其進(jìn)一步擴(kuò)展。目前，我國的儲氣井已有相關(guān)的檢測流程及法規(guī)，而在役儲氣瓶的檢驗(yàn)?zāi)壳斑€沒有針對性的檢測流程和手段。

目前，對儲氣瓶的檢測只能依照通用壓力容器的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，而且現(xiàn)在采用的是人工手動檢測的方法，但手動檢測方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：① 儲氣瓶的檢測總面積較大，手工檢測費(fèi)時(shí)費(fèi)力；② 手動檢測沒有可存入電腦的檢測結(jié)果，很難對儲氣瓶組的檢測進(jìn)行可靠的質(zhì)量跟蹤與管理；③ 手動檢測的覆蓋率及耦合質(zhì)量都難以控制，直接影響了檢測效果；④ 手動檢測模式單一，而真正可靠的站用儲氣瓶組檢測需要多種模式的檢測手段。

國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了鋼管的在役超聲波檢測，如針對大管徑的環(huán)焊縫檢測[1-2]，這一類掃描設(shè)備可以使探頭沿圓周方向移動，但不能使探頭沿軸向方向移動。唐銳等[3-5]開發(fā)的基于PC(計(jì)算機(jī))的多通道超聲波檢測系統(tǒng)，可以通過PC機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)采集。LI等[6-7]研發(fā)的針對鋼管檢測的導(dǎo)波技術(shù)，可用于在役鋼管的普查檢測。

針對高壓儲氣瓶超聲波檢測的實(shí)際需求，研發(fā)了針對高壓儲氣瓶的自動化、智能化超聲波檢測系統(tǒng)，該裝置由電子芯片自動控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動沿儲氣瓶表面進(jìn)行移動掃描，達(dá)到100%的全覆蓋檢測，檢測過程中共有5個(gè)探頭從不同角度同時(shí)進(jìn)行檢測，可同時(shí)進(jìn)行腐蝕與裂紋的檢測。檢測完畢后產(chǎn)生可存儲的C掃描圖像。設(shè)備的輪式探頭與系統(tǒng)的集成化開發(fā)充分考慮了在役高壓儲氣瓶組的狹窄間隙等特點(diǎn)。

1 檢測系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

圖1 典型的加氣站儲氣瓶組外觀

典型的加氣站儲氣瓶組外觀如圖1所示，加氣站儲氣瓶組由若干圓柱形儲氣瓶組合而成。設(shè)備采用沿氣瓶圓周方向的導(dǎo)軌式機(jī)械設(shè)計(jì)。圓周方向的導(dǎo)軌由合在一起的兩部分組成，以方便檢測人員從氣瓶的一側(cè)對導(dǎo)軌進(jìn)行安裝與拆卸。導(dǎo)軌可在電機(jī)驅(qū)動下沿氣瓶軸線方向移動，同時(shí)檢測小車沿導(dǎo)軌在氣瓶圓周方向移動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沿氣瓶表面的螺旋線掃描。安裝在儲氣瓶組上的檢測裝置的三維設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 安裝在儲氣瓶組上的檢測裝置的三維設(shè)計(jì)圖

檢測小車沿圓周方向上的移動采用的是電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條的方式，同時(shí)沿導(dǎo)軌方向上分布有滑環(huán)，滑環(huán)和檢測小車上的碳刷接觸以實(shí)現(xiàn)檢測時(shí)的供電?？紤]到加氣站氣瓶之間的狹窄縫隙，該檢測小車(包括導(dǎo)軌)的最高高度為85 mm，以保證檢測小車可穿過氣瓶之間的狹窄區(qū)域。因?yàn)槠矿w圓周上的厚度以及橢圓度是不均勻的,且導(dǎo)軌具有一定的自重,檢測小車也有一定的自重,所以小車運(yùn)轉(zhuǎn)起來時(shí)導(dǎo)軌會晃動而無法獲得良好耦合。為了保證導(dǎo)軌與瓶體間的間隙，以及探頭與瓶體外表面圓周方向各個(gè)位置的耦合度,導(dǎo)軌與瓶體間均勻地布置了一圈支承輪。根據(jù)實(shí)際工況,可通過調(diào)換不同高度的支承輪來滿足探頭在瓶體圓周不同位置上的耦合要求,圖3為檢測小車的三維設(shè)計(jì)圖。

圖3 檢測小車的三維設(shè)計(jì)圖

圖4 輪式探頭的結(jié)構(gòu)原理示意

設(shè)備采用多模式輪式探頭,輪式探頭的結(jié)構(gòu)原理示意如圖4所示。輪式探頭外殼(或者輪胎)由高透聲高分子材料制成，探頭內(nèi)部充水，超聲波傳感器位于探頭內(nèi)部，發(fā)射的超聲波經(jīng)過水再經(jīng)過輪式探頭表面進(jìn)入氣瓶管壁內(nèi)進(jìn)行測厚和探傷。輪式探頭內(nèi)的超聲波傳感器和輪式探頭之間采用軸承連接，可保證移動過程中探頭入射角度不變;檢測腔內(nèi)采用密封圈密封處理，在使用過程中輪式探頭內(nèi)的液體不會流出;采用多通道超聲波脈沖激勵(lì)與接收模塊與五芯屏蔽電纜相連，多通道超聲波脈沖激勵(lì)與接收模塊具有5個(gè)超聲檢測通道，其中1個(gè)為測厚通道，2個(gè)為縱向缺陷檢測通道，2個(gè)為橫向缺陷檢測通道。

輪式探頭內(nèi)嵌5個(gè)超聲波傳感器，包括一個(gè)腐蝕測厚傳感器和4個(gè)裂紋檢測傳感器。傳感器在輪式探頭內(nèi)部的分布如圖5所示。腐蝕測厚傳感器采用縱波直入射模式，裂紋檢測傳感器采用45°橫波檢測模式，分別從前后左右4個(gè)方向同時(shí)入射掃查，以實(shí)現(xiàn)一次性完成軸向兩方向裂紋缺陷和圓周兩個(gè)方向裂紋缺陷的全覆蓋掃查。所有傳感器采用復(fù)合材料壓電晶片制作，中心頻率為5 MHz，帶寬高于60%。

圖5 輪式探頭內(nèi)部傳感器分布外觀

2 超聲波激勵(lì)與數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

檢測小車除了攜帶輪式探頭外，還內(nèi)嵌有多通道超聲波電子模塊，該模塊的核心為多通道超聲波發(fā)射接收模塊與信號采集處理系統(tǒng)。模塊實(shí)現(xiàn)了高集成度小型化，可嵌入檢測小車的有限空間內(nèi)。檢測模塊的參數(shù)如表1所示。

該模塊通過滑環(huán)接收外界供電，供電電壓為24 V,工作電流為0.2 A,模塊通過碳刷接收供電。檢測電子模塊外接旋轉(zhuǎn)增量編碼器。旋轉(zhuǎn)增量編碼器把圓周方向的位置移動信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，脈沖信號輸入到超聲電子模塊中，由超聲電子模塊的計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢眯盘?。檢測模塊的功能流程如圖6所示。

表1 檢測模塊的參數(shù)

超聲電子的模塊分為多通道超聲波脈沖激勵(lì)與接收部分，以及信號采集與處理部分。信號采集得到的信號經(jīng)過放大濾波被數(shù)字模塊采集并處理。處理后的數(shù)據(jù)通過模塊上的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲僮髡叩氖痔犭娔X中。數(shù)據(jù)采集與處理單元的信號處理流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集與處理單元信號流程

檢測小車得到的信號經(jīng)處理后可通過無線實(shí)時(shí)傳輸給操作者的PC。操作者的PC和檢測小車之間通過無線網(wǎng)絡(luò)通信，所以任意一臺筆記本電腦安裝操作軟件后均可操作。該操作軟件可以通過軟件界面調(diào)整設(shè)備的參數(shù)，觀察各通道的波形，移動探頭的位置，執(zhí)行自動測量，產(chǎn)生與顯示C掃描結(jié)果等功能。操作者可用PC通過無線方式觀測每個(gè)晶片的實(shí)時(shí)超聲波原始信號，也可進(jìn)行自動檢測得到檢測小車的處理后的超聲波數(shù)據(jù)。圖8和圖9為開發(fā)的輪式探頭和檢測設(shè)備的實(shí)際樣機(jī)外觀。圖10為輪式探頭測厚晶片的超聲波信號。

圖8 輪式探頭外觀

圖9 超聲波自動檢測裝置實(shí)際樣機(jī)外觀

圖10 輪式探頭測厚晶片的超聲波信號

3 系統(tǒng)功能測試

專門制作了一個(gè)含人工缺陷的標(biāo)準(zhǔn)樣管，使用檢測小車對該標(biāo)準(zhǔn)樣管進(jìn)行了檢測，觀察檢測結(jié)果，對其檢測結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。人工缺陷采用V型刻槽，缺陷分布和具體尺寸如表2所示。為了確保瓶體圓周方向各個(gè)位置的耦合度和檢測靈敏度,在樣管的圓周方向均勻布置4個(gè)相同的缺陷。樣管為從真實(shí)的儲氣瓶上截取下的一段,該樣管直徑為550 mm，長為1 m，厚度為20 mm。

表2 缺陷分布和具體尺寸 mm

以上缺陷均為滿足國家鋼管檢測標(biāo)準(zhǔn)的人工缺陷,設(shè)備在樣管上的檢測現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 設(shè)備在樣管上的檢測現(xiàn)場

檢測過程中所有的裂紋缺陷均得以可靠檢出。以裂紋1為例，圖12中的箭頭所指信號為裂紋1的反射信號。

圖12 圓周方向內(nèi)側(cè)裂紋(裂紋1)的反射信號

測量得到的所有裂紋信號的信噪比分別為16.2，14.1，16.5，14.3 dB,可以看出所有缺陷信號的信噪比均高于14 dB。

圖13 樣管壁厚分布的C掃描結(jié)果

整個(gè)樣管的實(shí)際壁厚分布的C掃描結(jié)果如圖13所示，其中橫坐標(biāo)為軸向方向，縱坐標(biāo)為圓周方向，白線為圓周位置標(biāo)記。利用標(biāo)準(zhǔn)測厚儀對檢測設(shè)備得到的厚度進(jìn)行了驗(yàn)證檢測，兩者檢測結(jié)果誤差小于3%。

整個(gè)樣管人工缺陷分布的C掃描結(jié)果如圖14所示，縱坐標(biāo)為圓周方向的展開，橫坐標(biāo)為軸向移動的距離。從圖14可以看出，信噪比較好，檢測靈敏度較高。為了保證檢測效率，圓周方向上的掃查線速度遠(yuǎn)大于軸向方向上的平移速度，于是縱向方向的缺陷可被多次掃查而呈長條狀；而對于圓周方向的橫向缺陷，探頭軸向走過的路徑為缺陷的寬度，被掃查的次數(shù)少，在C掃描圖像上呈點(diǎn)狀，所以探頭的軸向移動不宜過快，應(yīng)至少保證10%的重疊率，以免橫向缺陷漏檢。軸向和周向都是由兩個(gè)相反方向的探頭進(jìn)行掃查，對于同一缺陷，兩個(gè)探頭從相反的兩個(gè)方向都能掃查到。由于兩個(gè)探頭掃查同一缺陷有先后順序，即存在時(shí)間差，所以縱向缺陷信號呈雙線狀，橫向缺陷信號呈雙點(diǎn)狀，這在后期數(shù)據(jù)處理軟件中可以解決。

圖14 樣管人工缺陷分布的C掃描結(jié)果

4 結(jié)語

研制了在役高壓儲氣瓶組在不拆卸狀態(tài)下的超聲波自動掃描檢測機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動化全覆蓋檢測，能檢測出氣瓶內(nèi)外壁腐蝕、夾雜、分層以及裂紋等。標(biāo)準(zhǔn)缺陷樣管試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備的檢測能力已經(jīng)達(dá)到了國家對高壓儲氣瓶的制造檢測標(biāo)準(zhǔn)。