海底油气管线超声波检测系统设计与应用.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第4期 石 油机械 CHI NA P ET ROLE UM MACHI NERY 一57 一 ●检测诊断 海底油气管线超 声波检 测 系统 设计 与应 用 孙 永 泰 胜利石 油管理局钻 井工艺研 究院 摘要超声波检测具有可测量绝对壁厚 、适应材料多样性等特 点，因此超声波检测是海底油 气输送管道检测的重点研 究方 向。介绍 了超声波检测原理及超声波检测 系统的总体构成 ，确定 了 超声波通道 数的选择方法及探头工作频率的计算和选择方法。试验及应用表明，海底 油气管线超 声波检测系统各项指标基本达到技术要求，能够准确检测 出正常回波下的壁厚信息及管道 的螺旋 焊缝 、直焊缝等特征轮廓 ；该检测系统会受到气泡 的影响，因此应在投放装置上研 究介质 中气体 排放 措施 。 关键词 海底 油气管线 超声波检测 信号采集 信号处理 0 引 言 我国输油管道长期受介质腐蚀及意外事故等的 影响，容易产生缺陷和损伤，严重时会发生爆管或 油气 泄漏 ，因此 需 定 期 对在 用 管 道 进 行无 损 检 测 、 诊断 ，对危险管段进行维修或更换 ，避免油气泄漏 爆管 事故 的发生 。 目前世界上已有的管线检测方法和检测系统主 要包括漏磁检测 、超声波检测 、射线检测 、远场涡 流检测 、声发射检测 、电子 内窥和视频 检测等技 术 。还 有 流 量 差 法、压 力 分 布 法 、压 力 波 法 、 S C A D A S u p e r v i s o r y C o n t r o l A n d D a t a A c q u i s t i o n 法 等。 现在在用的无损检测方法 中，用于油气输送管 道内检测的主要是超声波检测和漏磁检测 。超声波 检测具有可测量绝对壁 厚、适应材料 多样性等特 点 ，因此超声波检测是海底油气输送管道检测的重 l 2 4 点研究方向。笔者 的研究设计以管径 3 2 5 mlT I 、壁 厚 1 4 m l n的海 底管线 为对象 展开 ，超声波检测器 达到的指标为检测速度 1 5 0～3 0 0 m m ／ s 、壁厚测 量误差小于 0 ． 5 m F f l 、检测最小腐蚀面积 1 0 mm 1 0 mm 。 1 超声波检测 系统研 究与设计 1 ． 1 超声波检测 系统原理与构成 借助于管内原油或水的压差驱动 ，通过超声波 检测器检测管线壁厚及腐蚀等缺陷，测距仪测 出行 走距离 ，旋转编码器连续检测周 向转动的极坐标信 号 ，信息采集与处理系统对管道壁厚 、腐蚀 、探头 坐标等信号进行采集 、处理和存储 。检测完毕后 ， 通过管线缺陷评价系统进行信息处理 ，完成安全评 价 ，对缺陷信息进行图形和列表显示 ，从而确定管 线是否需要维修 ，并确定缺陷点的初步位置 。超声 波检测 系统总体构成如图 1 所示。 6 7 R 图 l 超声 波检 测 系统总体 构成 1 一引导装置 ；2 一万向联轴 器 ；3 一 支撑机构 ；4 一检测电源 ；5 一电源监控／ 里 程 { 十 ／ I N S； 6 一 超 声 采 集 及 处 理 单 元 ； 7 超 声 检 测 单 元 ； 8 一 抢 救 对 接 机 构 。 基金项 目同家高技 术研 究发展计划 资助课题 “ 海底管道内爬行器及其检测技术 ” 2 0 0 5 A A 6 0 2 2 1 0 。 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第4期 1 ． 2 超声波检测系统 超声波是指频率大于 2 0 k H z在连续介质 中传 播的机械波。超声波无损检测是利用超声波在工件 中传播时 ，在 遇到 界面 如 裂纹 、气 孑 L 等缺 陷 时产生的反射 、透射和散射波 ，实现对工件的宏观 缺陷、几何特性 、组织结构和力学性能变化等的检 测和表征 ，进而对其特定使用性能进行评价。管线 超声波检测的基本原理如图 2所示。 l 产生 用 于 检测I l 与 介质 包括 介质I l 超声 波信 号的 接 l l 检出 介 质特 l l 的 超声 波 信号I- 1 中 缺陷 相互 作用I - 1 收 、 处理 和 显示 广 l 性和 缺陷 l 发射 传 播 接收 判 别 电 一声】 匕 声 电 已 知 一 一 ， 专介 辱 煞陷＼ 茎 ／ 测 得 且 作 片 j 图 2 超声波检测的基本原理 根据该原理和管线检测 的特点 ，管线超声波检 测系统宜采用纵波直探头阵列形式。探测系统主要 包括探头环壳体 、密封舱 、超声探头、编码器 、支 撑轮组以及接插件部分。旋转编码器完成系统旋转 角度识别 ，密封舱用于线缆接 口以及电气部分密封 ， 超声探头用于管道缺陷检测 ，探头环外壳是整个探 头环部分的支撑保持部件 ，支撑轮用于支撑探头环 、 实现探头环在石油管道内的平稳对中运行。 1 ． 2 ． 1 超声通道数选择 管线内径 2 9 7 IT l m，周长 9 3 3 m m，通过大量试 验 ，选用 型号 为 5 C 1 4 N 其 晶片 名 义 频 率 为 5 MH z 宽带窄脉冲超声探头 ，该探头的半扩散角为 6 。 钢中 、1 ． 5 。 水中 ；同时 ，考虑技术指标 、 数据处理和排布 的对称性 ，系统设置 6 4通道 ，相 邻探头声束覆盖率 包括扩散声束 约为 1 0 ． 7 ％。 为提高纵向分辨率 ，采用高阻尼陪衬 。 设计计算的主要参数包括脉冲中心频率 、脉冲 重复频率 、探头提离距离 、探头晶片直径及分辨率。 脉冲中心频率即换能器的工作频率 是超声波 检测系统中的一个重要参数 ，应根据实 际的探伤需 要 如探测材料、探测深度 、要求的分辨率 、晶片 加工条件以及指向性指标等来设计其工作频率。 对于同一材料而言 ，频率越高，超声波衰减越 大 ，穿透力越差 ；同一频率的超声波在晶粒较粗的 材料中衰减较大 ，同时易产生 晶粒反射波。因此 ， 对于粗晶粒和其他组织 不致密 的材料 如多孔材 料 ，应选用频率较低 的超声波；对 于组织细密的 材料 ，应选用 高频率 的超声波 。声波传播距离越 大 ，声波衰减越大。因此 ，对于不 同厚度的工件应 采用不同频率 ，探测远距离缺陷宜采用低频率。频 率越高 ，波长越短 ，分辨率越好 ，发现小缺陷的能 力较强。因此，探测小缺陷时，宜选用高频率。频 率越高 ，声束越 狭窄 扩 散角小 ，方向性越好 ， 能准确判定缺陷的位置；频率低 ，扩散角大 ，可发 现特殊位置 的缺陷 ，但能量不集中。表面粗糙时 ， 宜选用低频率。裂缝一类缺陷宜采用低频率 ，非金 属夹杂物宜采用高频率。 不同类型的工件应选用的工作频率见表 1 ⋯ 。 表 1 各种材料 工件 的探 测频 率MH z 材料 工件 探测频率 材料 工件 探测频率 大型锻钢件 1 ～3 钢管 水浸聚焦法 51 5 小型锻钢件 2～5 焊缝 1～ 4 大型铸钢件0 ． 4～3 ． 0 铝及其合金 3一l O 小型铸钢件0 ． 5～5 ． 0 钛合金 1～ 3 铸铁件0 ． 4～1 ． 0 铜合金 1～3 钢板 2 5 非金属材料0 ． 2～1 ． 0 钢管 水浸斜探头法 2～5 1 ． 2 ． 2 探 头工作频率计算与选择 超声探头主要实现电能和声能的转换 ，通过超 声探头采集管道外壁回波信号 ，实现管道壁厚 的测 量 。在油气 管线 中多采用 X 5 6或 X 5 2无 缝钢管 ， 通常是 陆上 管 线 壁厚 薄 ，海 底 管 线 壁 厚 厚 ，如 3 2 5 m m管线陆上管线厚度为 7 m m，海底 管线厚 度为 1 2～1 4 m m。对于厚度为 1 4 mm的管壁检测 ， 超声波在其 中的传播时间为 4 ． 7 4 6 s 其 中超声 波在 钢 中 传 播 速 度 为 5 9 0 0 m ／ s ，要 求 达 到 3 ． 5 7 1 ％ 的检测精度 ，必须能分辨 4 ． 7 4 6 3 ． 5 7 1 ％ 0 ． 1 7的信号周期 ，才不 至于使信号 重叠 而无法 分辨 ，即信号的频率为 5 ． 9 MHz 。另外 ，超声波探 伤能够发现的最小缺陷 ，一般在波长的 左右。5 MHz 的纵波在钢 中的波长为 1 ． 1 8 mm。综合考虑 ， 选用 5 MH z 作为激励频率。 提离值计算 超声波检测提离值见图 3 。要保 证换能器和被检测物之间的距离足够长 ，以便在时 间范围内将被检物表面的反射波与换能器激励信号 外壁 管 ， 壁 』 厚 卜 内 壁 1 I l 超 声波传 感器 图 3 超 声波检测提 离值 区分开。此外 ，也应将被检物 内部反射和耦合液体 声程中重复反射相区分开 。要求有如下关系式 s 。 1 wt 式中．s 提离值 ，m m； 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 4期 孙 永泰海底 油气管线超 声波检测 系统设计与应用 一 5 9一 耦合剂的声速 ，m ／ s ； 被检 材料 的声 速 ，n l ／ s ； d 被检 材料 的厚 度 ，i l l l n ； Ⅳ 一被检材料重复反射的合乎要求的次数。 取 1 4 0 0 r r ds ，％ 5 9 0 0 m ／ s ，d 1 4 m m，N 2 ，可求得 S ，， 6 ． 7 n q m。 纵向分辨率为 A ，s ／ f , 2 纵向分辨率 △ 与检测速度 s和重复频率． 有 关，该装置采用重复频率为 1 5 0 Hz ，当行走速度为 1 5 0 i r d s ，其纵向分辨率为 1 m m；行走速度为 3 0 0 n Js ，纵向分辨率为 2 n q m，满足使用要求 。 1 ． 3 超 声波 采集及 处理 系统 超声波采集及处理系统采用单通道同步触发同 步接收的方式 ，将超声波数据实时存储在硬盘上 ， 为管道离线分析提供可靠的数据。主要包括发射电 路 、接收电路及信息处理系统。 发射电路采用 D CD C变换将 电池的电压变到 4 0 0 V的高压直流 ，通过推挽 电路 驱动 MO S管控 制高压激励，完成数字脉冲信号发射 。在该系统中 采用输出采样反馈控制方式以保证输 出稳定 ，同时 输出电压脉宽采用可调方式 ，当电池电压过低时 ， D CD C变换器 自动断电，不输出直流电压 。高压 脉冲电路保证其产生的脉冲中心频率为 5 M Hz 。 接收电路由超声波信号钳位 电路 、阻抗匹配 电 路和衰减电路组成。 超声信号采集及分析系统以 P C 1 0 4的 C P U模 块为控制中心，接收电路与 C P U模块之问采用 P C I 总线进行通讯 ，能够控制接收电路的启停 、接 收、 放大 、滤波和检波超声信号 、对所接收的信号进行 适 当数据编码压缩后存人压缩文件 。超声波检测数 据处理系统结构框图见图 4 。 被 检管 匿 } 壅 _ 罐 ⋯ ⋯ F I 吁咽 I L 温 度测量 电 D C ． D C 转换板l l 上位调试计算机 卜 亘 鲞 I 南 图 4 超声波检测数据处理 系统结构框 图 2 试验 与应用 超声波检测在研制完成后首先在海底管线模拟 试验 台上进行测试 ，各项指标基本达到技术要求 ， 之后在工程管线上进行应用。从被检管道总体检测 成像结果来分析 ，该装置能够准确检测出正常回波 下的壁厚信息 ，同时能够检测 出管道 的螺旋焊缝 、 直焊缝等特征轮廓 。管道启用时的公称壁厚为 7 ． 0 m i l l ，测得的管道壁厚值 在 6 ． 5～7 ． 0 m m之间 ，这 说 明管道使用后有 一定 的磨损减 薄 ，但是 无明显 缺陷。 该试验检测数据 比较准确 ，软件系统能够正确 处理壁厚 、焊缝 、里程轮等信息。但有部分探头因 气泡影响造成回波信号异常 ，无法判别其壁厚 。 3 结 论 1 在 实际检 测管 道时 ，由于蜡垢 的影 响 ， 对检测先决条件要求高，所 以有必要在保证检测精 度和纵向分辨率的前提下 ，提高横向分辨率和检测 灵敏度余量。 2 管道损 伤形式 复杂 ，如腐 蚀 、变形 、裂 纹和机械损伤等 ，被检管线的环境条件和内部清理 也不同，应通过检测前的标定对检测装置的灵敏度 等指标进行调整 ，将检测后的标定作为管道缺陷判 别辅助措施 ，以提高检测结果的准确度和可靠度。 3 超声波检测 易受管线工艺 因素影响 ，检 测前应尽量将管线 清理干净 ，同时建立检测数据 库 ，通过对 比，寻找变化规律 ，提高离线分析的准 确 度 。 4 在试验和应用过程 中，超声波检测 系统 会受到气泡的影响 ，因此应在投放装置上研究介质 中气体排放措施 ，以减少气泡 的影响。 参考文献 [ 1 ] 中国机械工程学会无损检测分会 ．无损检测二级培 训教材 超声波检测 [ M]． 3版 ．北 京 机械 T 业出版社 ，2 0 0 0 7 3 ． 作者简介 孙永泰 ，高级工程 师 ，生于 1 9 6 5年 ，1 9 8 7 年毕业于上海交通大学 机械 _丁程专业 ，现从 事海 洋工程 装 备的研究和设计工作。地址 2 5 7 0 1 7 山东省东营市。电 话 0 5 4 6 8 7 8 3 6 7 1 。E ma i l z j y s u n y o n g t a i l 2 6 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 01 1 2 9 本文编辑赵连禄