基于超聲檢測的管道壁厚在線監測系統

賀健烽,賈曉麗,姚 寧

[中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院,北京 102249]

近年來,世界各國對石油和天然氣的使用需求不斷增長,管道輸送作為主要的石油天然氣輸送方式,可以用較低的建設成本、運輸成本和時間成本實現對石油天然氣的不間斷、大流量輸送。對于管道輸送技術而言,油氣管道能否長期安全穩定運行是制約其發展的重要問題。油氣管道的失效,不僅會引發油氣泄漏,造成經濟損失和環境污染,還可能引發安全事故,嚴重威脅人們的生命財產安全。因此,對油氣管道進行安全性設計,在管道失效前予以提前預警和維護,以及在管道失效后及時進行更換,現已成為學者和技術人員的研究重點。

筆者對油氣管道全周期失效形式進行總結歸納,利用超聲對油氣管道的壁厚變化進行檢測來分析其在腐蝕、第三方破壞和自然災害等條件下的失效情況,該方法具有原理簡單、靈敏度高、便于操作、對管道無損傷等優點,對于壓縮人力監測成本,提高油氣管道減薄的早期預警能力及管道失效的警報能力有較大的助力作用。

1 超聲測厚原理

基于超聲波的測厚方法主要包括脈沖透射法、共振干涉法、蘭姆波法和脈沖反射法等,其中脈沖反射法的原理簡單,實現測厚無需復雜設備支撐,對于不同規格和形狀的管道均可設計相應的結構進行檢測,對于不同的實際工況均有較好的適用性,具有廣闊的應用前景。

脈沖反射法測厚的原理為:將超聲波探頭與被測表面耦合,探頭激發的超聲波經被測件下表面反射再被探頭接收[1-3],對材料內部缺陷和底面的反射波形進行分析,從而計算出管壁厚度,其主要利用回波之間的時間差和材料內部超聲傳播速度的關系計算得到厚度的信息[4-5],脈沖反射法測厚流程如圖1所示。

圖1 脈沖反射法測厚流程

國內外許多專家學者對脈沖反射法測厚進行了研究,TITTMANN等[6]研究發現鈦酸鉍和鈮酸鋰兩種單晶材料會隨溫度升高而發生分散現象,降低超聲傳感器靈敏度。TITOV等[7]提出了一種利用超聲換能器陣列對脈沖回波信號進行測量和分析,來確定縱波和橫波的聲速和樣品厚度的方法。DIXON等[8]設計了一種無需波速校準、利用超聲剪切水平導波實現合金板厚度測量的結構。BAZULIN等[9]采用基于衍射時差法的線性掃描相控陣天線,對管道母材和焊接處進行超聲測厚。SHRISHA等[10]利用MATLAB軟件開發測控軟件及圖形用戶界面,并基于現場可編程門陣列研制了在線超聲測厚儀。

文章通過對超聲發射及回波信號的軸向位移-時間曲線進行測量及繪制,判斷發射波峰與回波波峰的信號時間差和波形差,即可進行超聲測厚。縱波及橫波波速計算公式為

(1)

式中:E為楊氏模量;σ為泊松比;ρ為質量密度;vL為縱波聲速;vS為橫波聲速。

設超聲波在被測試件中傳播的速度為v,探頭接收到的兩次相鄰回波信號時差為t,則被測件厚度h可表示為[11-12]

(2)

對于管道用鋼材,取其E為2.1×105MPa,σ為0.3,ρ為7.85 g·cm-3,可得鋼材中縱波聲速vL約為6 001 m·s-1,橫波波速vS約為3 208 m·s-1,由式(2)可計算求得管道壁厚值h。

2 超聲管道壁厚在線監測系統設計

2.1 監測系統總體設計

超聲壁厚在線監測系統主要由超聲脈沖發射電路、超聲脈沖處理電路、控制電路、供電模組、定位授時模組、數據遠傳模組及測厚固定裝置等部分組成,其監測系統電路設計框圖如圖2所示。

圖2 超聲壁厚在線監測系統電路設計框圖

監測系統的電路工作流程為:① 由供電電路為單片機控制電路、超聲脈沖發射電路、時差測量電路及無線遠傳電路等測量系統中需要外部供電的部分電路提供適合的供電電平,同時單片機控制電路也對供電電路的工作狀態進行控制;② 通過對單片機控制電路進行程序的編寫和錄入,使其具有對超聲脈沖發射電路、時差測量電路和無線遠傳電路的控制能力;③ 超聲脈沖發射電路通過驅動電路對其內部的場效應晶體管的柵極電壓進行控制,進而控制其漏極電流,使電容在充、放電的循環狀態下激發高壓窄脈沖,并將這一高壓窄脈沖加載在超聲脈沖發射探頭內的壓電晶片上,使探頭發射出具有壓電晶片固有頻率的超聲波信號,聲波從被測管道外壁入射,并在被測管道內壁發生反射,從外壁射出;④ 射出被測管道的超聲波加載在超聲脈沖接收探頭的壓電晶片上,經由壓電效應形成一個超聲回波信號進入限幅穩壓電路并被穩壓處理,然后經信號增益電路對因傳輸而衰減的超聲回波信號能量進行補償,使回波信號能夠以較適宜的幅值向后級電路傳輸;⑤ 超聲回波信號在基于發射頻率的帶通濾波電路中過濾掉絕大部分噪聲頻率,僅保留有效頻率,然后經包絡檢波電路進行回波信號的波形調制,在保留檢測特征的前提下降低波形頻率,在時差測量電路中由模擬信號轉換為脈沖數字信號,并進行時差測量;⑥ 將測得的時差數據轉換為壁厚測量數據,并送入無線遠傳電路發送至網絡云平臺,實現管道壁厚測量數據的在線監測。

對測厚電路的各功能進行檢驗,其檢驗結果(示波器顯示圖像)如圖3所示,可見所提超聲測厚電路能夠有效實現對超聲波信號的限幅穩壓、信號增益、帶通濾波、包絡檢波、模數轉換,且具有較好的穩定性和重復性,可以滿足管道測厚需求。

圖3 超聲測厚電路功能檢驗結果

2.2 測厚控制程序設計

超聲測厚系統通電后,系統各組件進行初始化,由STC12C5A60S2型單片機P1.4引腳輸出控制超聲波發射的脈沖信號,經由TC4429型場效應晶體管驅動芯片進行驅動,由場效應晶體管的柵極控制其自身的通斷,實現電容對超聲探頭壓電晶片的充放電操作,并向管道內部發射超聲波。在初始化的同時,單片機由P2.3引腳對TDC-GP21芯片發送開始信號,啟動計時。發出的脈沖信號經管道內壁反射后,再經由超聲探頭壓電晶片進入接收電路。經由二極管限幅穩壓、放大器信號增益、RC帶通濾波、二極管包絡檢波、比較器模數轉換等一系列信號處理流程,進入時差測量電路,由TDC-GP21芯片對超聲波發射及返回的信號時間差進行計量,并轉換為厚度值存儲。同時,初始化結束后,定位模塊將開啟與衛星的通信,接收衛星發送的定位及時間信號。系統在獲得厚度值及時間定位信息后,由單片機信號控制數據遠傳模組將數據經4G網絡發送至云平臺,實現測厚數據的遠程接收、存儲。測厚控制程序運行流程圖如圖4所示。

圖4 測厚控制程序運行流程圖

3 壁厚在線監測試驗

采用實際管道壁厚測量和管道厚度梯度試塊相結合的方式對超聲波管道壁厚在線監測系統進行試驗驗證。試驗平臺由恒溫箱、在線監測軟件和測厚硬件組成(見圖5)。 恒溫箱作為管道厚度梯度試塊的控溫設備,能夠使試塊整體保持設定的溫度;在線監測軟件用于數據的云端接收和儲存,為數據的處理提供支撐;測厚硬件用于對管道及試塊進行壁厚監測,并將數據通過遠傳模組傳輸至在線監測軟件所在的云平臺。

壁厚小于14 mm管道的測厚試驗采用實際管道制作試樣。采用0.91,1.94,2.69,3.61,4.68,6.05,7.74,9.89,11.78 mm共9種不同壁厚的管道試樣,具體管道壁厚通過千分尺進行測量,并將壁厚誤差控制在0.01 mm內。試驗時,將緊固裝置通過螺栓緊固在管道外壁,同時在緊固裝置上預留探頭安裝位置,然后向緊固裝置預留孔位注入適量耦合劑,并將超聲波探頭插入預留孔位,在其上方放置壓板,使用壓力彈簧和上方的固定支座蓋調節對壓板及超聲探頭的壓緊力至適宜,使超聲探頭與管道外壁既能緊密接觸又不會發生損壞。

壁厚大于14 mm管道的測厚試驗采用管道厚度梯度試塊進行,采用的試塊為自制試塊[見圖5(d)]。試塊厚度共有8種,分別為14.17,16.14,18.14,20.16,22.08,25.06,28.07,30.98 mm,具體厚度值通過千分尺進行測量,并將厚度誤差控制在0.01 mm內。試驗時,將緊固裝置置于試塊上方,通過螺栓與恒溫箱底板固定,并進行后續操作。后續操作與實際管道試樣測厚試驗一致。

圖5 超聲管道壁厚在線監測試驗平臺組成

在不同的試驗溫度下進行壁厚在線監測,對第一批試驗人工測量值(真實值)ha1與系統測量值hs1進行比較,計算測厚的絕對誤差eh1和相對誤差δh1。得到的變溫情況下人工測量值ha與溫度T的誤差曲線如圖6所示。

圖6 變溫情況下人工測量值ha與溫度T的誤差曲線

溫度T和試樣厚度h是影響變溫系統測量值hst的變量,因此考慮建立溫度T和變溫系統測量值hst對第二批試驗人工測量值ha2影響的二元擬合方程,即

(3)

式中:ha2*為根據公式擬合校正后的系統測量值;k1,k2,k3,k4,k5,k6為未知數,在式(4)中得出。

將數據代入式(3)計算,得到系統校準值ha2*關于溫度T和變溫系統測量值hst的擬合效果如圖7所示。

圖7 變溫系統測量值擬合效果

擬合關系式可表示為

ha2*=-0.443 5+2.559 4×10-7T2-1.2×

-9.5617×10-5Thst

(4)

重新進行試驗,將結果代入式(4)進行校正,可得到圖8所示的變溫情況下人工測量值ha2*與溫度T的誤差擬合曲線。

圖8 變溫情況下人工測量值ha2*與溫度T的誤差擬合曲線

經式(4)的校正,在系統工作溫度區間及常用測厚區間下,壁厚絕對誤差eh2*在±0.04 mm內,相對誤差δh2*在1%內,相對于直接獲取的測厚數據的絕對誤差和相對誤差測厚精度得到了進一步提高。對T0=24.5 ℃、h=6.12 mm的管道模型的測厚值(6.205 mm)進行校準,可得系統校準值為6.166 mm,絕對誤差為0.046 mm,相對誤差為0.752%。對于實際油氣管道的壁厚監測,在-20 ℃～70 ℃的溫度范圍內,絕對誤差應在0.1 mm內,且相對誤差應在5%內。可見試驗測厚數據均符合要求,變溫測厚誤差擬合校正對照曲線如圖9所示。

圖9 變溫測厚誤差擬合校正對照曲線

在室溫24.5 ℃環境下進行重復性試驗,將不同壁厚試樣增設至17組,重新進行試驗,得到的第三批試驗的室溫下人工測量值ha3與系統測量值hs3的誤差曲線如圖10所示。

圖10 室溫下人工測量值ha3與系統測量值hs3的誤差曲線

對數據進行二元擬合校正,可得到關于第三批試驗系統測量值hs3的系統校準值ha4*的擬合關系式,即

ha4*=0.967 3ha3+0.216 76

(5)

重新進行試驗,將結果代入式(5)進行校正,得到的室溫情況下第四批試驗的人工測量值ha4與系統測量值hs4的誤差擬合曲線如圖11所示。

圖11 室溫情況下人工測量值ha4與系統測量值hs4的誤差擬合曲線

可見,各厚度梯度試樣的人工測量值ha4與系統校準值ha4*的絕對誤差eh4*均在±0.1 mm內,且除厚度小于2 mm管道試樣的相對誤差值δh4*小于5%外,其余各厚度梯度試樣的相對誤差值均小于2%,滿足測厚精度的要求。

筆者采用管道厚度梯度試塊與管道試樣結合的方式對監測系統的測厚能力進行檢驗,獲取了測厚數據及誤差,并基于測厚數據求解系統測厚數據、溫度、人工測厚數據的擬合方程,實現了在所設置溫度監測范圍內的高精度管道壁厚監測功能,同時進行了室溫測厚重復性試驗,為實際油氣管道的壁厚監測提供了修正補償方案。

4 結語

基于超聲波脈沖反射法針對油氣管道的壁厚監測需求,設計并試制了一套壁厚在線監測系統樣機。該系統樣機能夠進行多通道壁厚數據的實時檢測和云端讀取,在精簡設備體積和耗能的前提下,提高了測厚功能的覆蓋范圍。對樣機進行了變溫多壁厚測厚試驗,基于不同壁厚和不同溫度條件下的超聲壁厚監測工況,提出了一種使用變溫度測厚擬合模型進行變溫數據校準的管道壁厚監測數據擬合修正方法,試驗結果表明,采用所提擬合修正方法得到的管道壁厚超聲測厚絕對誤差eh2*在±0.04 mm內,相對誤差δh2*在1%內,所設計的超聲管道壁厚在線監測系統具有良好的準確性和穩定性,具有一定的工程推廣價值。