一种用于裂纹定量监测的无线超声系统及监测方法与流程

本发明属于油气管道裂纹实时在线监测，涉及一种用于裂纹定量监测的无线超声系统及监测方法。

背景技术：

1、石油和天然气已成为日常生活中的重要能源，管道输送是一种运输量大、安全性高、经济的油气输送方式。由于油气长输管道铺设距离长、管道设计压力大、途经区域的地质环境复杂、管道现场施工难度大，因此长输管道运营风险越来越高。对于高压长输管道，管道上焊缝缺陷在外载作用下易导致管道失效，进而发生泄漏事故，造成显著危害，一般采用无损检测技术对管道进行定期检验，及时发现管道缺陷后合理地评价管道的运行状况，降低安全事故的发生几率，保障管道网络的安全运行。为降低运营成本，低风险区中服役管道中的缺陷经过风险评估后，如果满足标准要求管道可带缺陷继续服役，但对缺陷的监测必须长期执行，以评定缺陷演化过程中的失效风险。通常工业上经常使用的裂纹实时监测方法包含声发射法、直流电位降法、超声法等。

2、声发射技术作为一种成熟的技术手段，常用于压力容器的裂纹监测。作为一种“被动”技术，其对微裂纹扩展极为敏感，然而所探测的信号除了被检测物体本身的缺陷信号意外，大部分都是无用的干扰信号，显著影响结果的准确性。

3、直流电位降法基于金属材料本身的导电特性来测量裂纹长度的方法，通常用于高温、高压、腐蚀等极端环境。利用裂纹面两端的电位差与裂纹扩展长度之间的函数关系，将所测电位转化为等效的裂纹长度。然而，电流电位降法仅适用于裂纹单向扩展工况，针对油气管道中裂纹沿长度和深度方向同时扩展的工况难以满足现场需求。

4、超声法将频率很高的声波导入被测金属结构件，当超声入射至被测工件时，产生反射波，根据反射波的时间及形状来判断工件的内部缺陷的位置和大小。超声法检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低。然而，常规的超声检测需要人工对缺陷位置进行检测，由于多次检测中检测位置和耦合条件的差异难以保障结果连续性，最终难以满足裂纹长期监测的需求；同时，难以保障油气管道裂纹扩展过程中油气管道破裂后检测人员和设备的安全，现场工况下难以实施。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中存在的裂纹扩展尺寸难以定量表征、长期监测数据准确性低的问题，提供一种用于裂纹定量监测的无线超声系统及监测方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提出的一种用于裂纹定量监测的无线超声系统，包括安装在含缺陷待检测试样上的超声信号处理模块，以及安装在超声信号处理模块上的电磁信号转换模块；所述超声信号处理模块位于含缺陷待检测试样的待检测裂纹缺陷位置；

4、所述电磁信号转换模块上连接有电信号发射模块，所述电信号发射模块的另一端口连接有数据分析模块。

5、优选地，所述数据分析模块与所述电信号发射模块通过数据线连接；

6、所述电信号发射模块与所述电磁信号转换模块通过同轴电缆相连接。

7、优选地，所述电磁信号转化模块与所述超声信号处理模块通过电磁耦合效应传递信号；

8、所述超声信号处理模块与含缺陷待检测试样的表面通过固体耦合方式连接。

9、优选地，采用环氧胶将所述超声信号处理模块粘贴在含缺陷待检测试样的待检测裂纹缺陷位置。

10、本发明提出的一种用于裂纹定量监测的无线超声监测方法，包括以下步骤：

11、将超声信号处理模块安装在含缺陷待检测试样的待检测裂纹缺陷位置；

12、电信号发射模块产生电信号通过电磁信号转换模块转换成电磁信号并传输至超声信号处理模块；

13、超声信号处理模块对信号进行处理后传输至电磁信号转换模块得到电信号；

14、将电信号通过电信号发射模块发送给数据分析模块进行分析，获取裂纹长度及裂纹深度，实现裂纹定量监测。

15、优选地，采用射线探伤或tofd检测对裂纹出现位置确定裂纹尺寸和位置，并在管道外表面标注裂纹位置。

16、优选地，超声信号处理模块安装位置计算方法如下：

17、首先，获取压电片中心点距离裂纹中心点的水平距离；

18、其次，获取裂纹扩展后最大深度对应的压电片中心点距离裂纹中心点的水平距离；

19、最后，超声信号处理模块的安装位置应介于压电片中心点距离裂纹中心点的水平距离和裂纹扩展后最大深度对应的压电片中心点距离裂纹中心点的水平距离之间。

20、优选地，获取压电片中心点距离裂纹中心点的水平距离l3的方法如下：

21、l3＝(d-h×tanθrp)+l1×tanθi-

22、(l1/sinθi+l2)×sinθi-l1/sinθi/cosθi×tanθi/tanθi-[(l1/sinθi-l2)+2×l2)]×sinθi×tanθip)

23、θrp＝arcsin[sin(θi-θbs/2)/vi-vr/vi]

24、其中，θi压电片发射超声波信号的入射角，θbs压电片发射超声波信号的扩散角，vi、vr为传感器材料和待检测材料的声速；d为被监测试样厚度，l1为压电片中心点距离探头偶合面的垂直距离，l2为压电片的半径；l3为压电片中心点距离裂纹中心点的水平距离，h为安装距离l1对应的可检测裂纹的最大深度。

25、优选地，获取裂纹长度的方法如下：

26、

27、其中：h1为裂纹中心处深度，h2为裂纹边缘处深度，l为裂纹初始长度，△l为整个裂纹的扩展长度。

28、优选地，获取裂纹深度的方法如下：

29、

30、其中，h为裂纹深度，△t为超声衍射信号和反射信号的时间差，θ为超声波在管道中的折射角度，v为超声波待检测材料的传播速度。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、本发明提出的一种用于裂纹定量监测的无线超声系统，将超声信号处理模块设置在含缺陷待检测试样的待检测裂纹缺陷位置，实现对油气管道内壁缺陷的无接触检测，采用超声信号处理模块对缺陷尺寸进行监测，检测深度大、精度高且结果可信度高；再将超声信号处理模块、电磁信号转换模块、电信号发射模块和数据分析模块相结合，电信号发射模块产生指定大小频率的电信号，传送至电磁信号转换模块中，电磁信号转换模块将电信号转换为电磁信号；根据法拉第电磁感应定律，电磁信号经过超声信号转换和检测模块会激活交流点信号，交流点信号激活超声信号处理模块中的超声波传感器产生超声波脉冲；超声波脉冲信号从被检测结构的壁面或缺陷面反射回来被超声信号处理模块中的超声波传感器接收后产生电信号，通过超声信号处理模块中感应线圈将电信号被转化为电磁信号；电磁信号穿过电磁信号转换模块时产生电信号，通过电信号发射模块传送至数据分析模块中经过信号放大、滤波后得到裂纹深度和长度，实现裂纹定量监测。本发明将传统有线的超声信号发生和接收系统变为无线控制，可避免人工定位或超声界面耦合不良带来的误差。

33、本发明提出的一种用于裂纹定量监测的无线超声监测方法，通过电信号发射模块产生电信号，依次经过电磁信号转换模块、超声信号处理模块、电磁信号转换模块和电信号发射模块，最终发送给数据分析模块进行分析，获取裂纹长度及裂纹深度，实现裂纹定量监测。

技术特征：

1.一种用于裂纹定量监测的无线超声系统，其特征在于，包括安装在含缺陷待检测试样(1)上的超声信号处理模块(3)，以及安装在超声信号处理模块(3)上的电磁信号转换模块(4)；所述超声信号处理模块(3)位于含缺陷待检测试样(1)的待检测裂纹缺陷位置；

2.根据权利要求1所述的用于裂纹定量监测的无线超声系统，其特征在于，所述数据分析模块(6)与所述电信号发射模块(5)通过数据线连接；

3.根据权利要求1所述的用于裂纹定量监测的无线超声系统，其特征在于，所述电磁信号转化模块(4)与所述超声信号处理模块(3)通过电磁耦合效应传递信号；

4.根据权利要求3所述的用于裂纹定量监测的无线超声系统，其特征在于，采用环氧胶将所述超声信号处理模块(3)粘贴在含缺陷待检测试样(1)的待检测裂纹缺陷位置。

5.一种用于裂纹定量监测的无线超声监测方法，其特征在于，采用权利要求1～4中任意一项所述的用于裂纹定量监测的无线超声系统，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的用于裂纹定量监测的无线超声监测方法，其特征在于，采用射线探伤或tofd检测对裂纹出现位置确定裂纹尺寸和位置，并在管道外表面标注裂纹位置。

7.根据权利要求5所述的用于裂纹定量监测的无线超声监测方法，其特征在于，超声信号处理模块(3)安装位置计算方法如下：

8.根据权利要求7所述的用于裂纹定量监测的无线超声监测方法，其特征在于，获取压电片中心点距离裂纹中心点的水平距离l3的方法如下：

9.根据权利要求5所述的用于裂纹定量监测的无线超声监测方法，其特征在于，获取裂纹长度的方法如下：

10.根据权利要求5所述的用于裂纹定量监测的无线超声监测方法，其特征在于，获取裂纹深度的方法如下：

技术总结
本发明公开了一种用于裂纹定量监测的无线超声系统及监测方法，涉及油气管道裂纹实时在线监测技术领域。将超声信号处理模块设置在含缺陷待检测试样的待检测裂纹缺陷位置，实现对油气管道内壁缺陷的无接触检测，采用超声信号处理模块对缺陷尺寸进行监测，检测深度大、精度高且结果可信度高；本发明将传统有线的超声信号发生和接收系统变为无线控制，可避免人工定位或超声界面耦合不良带来的误差。该无线超声系统将电磁耦合技术和超声检测技术相结合，实现对油气管道内壁缺陷的无接触检测；采用电磁耦合技术将传统有线的超声信号发生和接收系统变为无线控制，可避免人工定位或超声界面耦合不良带来的误差。

技术研发人员：王俊,封辉,王鹏,高雄雄,陈宏远
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5