一种基于超声导波的管道变形检测装置

1.本发明涉及一种基于超声导波的管道变形检测装置，属于无损检测技术领域。


背景技术：

2.长输管道作为原油、成品油和天然气的主要运输载体，在国民基础建设中扮演着重要的作用，其优点包括低泄漏、低污染、高效率等；铺设于山区的油气输送管道可能遭受山体滑坡等地质灾害的危害，山体滑坡，可能是缓慢滑坡或迅速滑坡，在滑坡土体的作用下，埋地管道可能会发生过量形变，甚至出现失稳或破裂。管道出现变形的主要形式有褶皱、凹陷、椭圆变形等，如果管道变形弯曲或弯曲程度严重时，管道将会发生开裂，其内运输的天然气或石油或成品油会发生泄漏，会引起火灾或对对周围环境造成严重的破坏。所以实时监测管道的变形情况是十分必要的。通过实时监测管道的变形情况，可以判断滑坡等地质灾害是否已发生，管道的变形情况等，以便迅速采用相应的防护措施或应对措施。
3.现有的管道监测系统，无法在管道的同一端实现激励和接收信号，并且也不能对长输管道进行在线实时监测；或者无法实现对管道弯头处缺陷的检测，因此有必要提供一种新的管道变形检测装置。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于超声导波的管道变形检测装置，通过合理的构成及连接搭建了基于超声导波的管道变形检测平台。
5.本发明的技术方案是：一种基于超声导波的管道变形检测装置，包括激励传感器阵列2、接收传感器阵列3、函数发生器11、功率放大器12、阻抗匹配器13、前置放大器4、数字示波器7；其中激励传感器阵列2、接收传感器阵列3共同沿周向等间距交错布置在滑坡段坡头水平或倾斜的被检测管道1上，通过函数发生器11产生的信号依次经功率放大器12放大，放大后的信号经阻抗匹配器13后通过激励传感器阵列2激励出单方向的扭转模态导波，通过接收传感器阵列3接收管道1中的超声导波经前置放大器4后通过数字示波器7显示。
6.还包括计算机10，其中数字示波器7接收的信号通过信号发射器8发送，通过信号接收器9接收信号发射器8发送的信号并传至计算机10中进行存储、分析回波信号。
7.所述激励传感器阵列2采用多个激励阵元构成，接收传感器阵列3采用与激励阵元相同数量的接收阵元；两个阵元均能选用压电式或磁致伸缩式的传感器类型。
8.所述激励阵元、接收阵元的数量为3-8个。
9.所述激励传感器阵列2、接收传感器阵列3之间的交互为：激发激励传感器阵列2的第一个激励阵元，接收传感器阵列3的接收阵元依次按顺序接收导波信号，直到环形接收传感器阵列3的所有阵元都采集到相应位置的超声导波信号；接着激发第二个激励阵元，接收传感器阵列3按同样的方式采集所有超声导波信号，依次循环，直到所有激励阵元都激发一次。
10.所述激励阵元采用接触式干耦合压电式探头，接收阵元采用磁致伸缩传感器。
11.所述数字示波器7频率范围为9mhz～350mhz。
12.所述功率放大器12频率范围为10khz～20mhz。
13.所述检测装置通过太阳能供电系统提供稳定电源，太阳能供电系统包括光伏电板5、蓄电池6、太阳能充放电控制器14和直、交流逆变器15；太阳光照在光伏电板5上产生电流，电流经过太阳能充放电控制器14对蓄电池6充电以及蓄电池6给直、交流逆变器15负载供电，直、交流逆变器15将光伏电板5和蓄电池6的电能转变成220v交流电给检测装置中需要外部电源的元件供电。
14.本发明的有益效果是：
15.(1)在滑坡段的坡头水平管段或倾斜管段处布置一个激励传感器阵列和一个接收传感器阵列，两个阵列各自接线，因此只需在监测过程中维持1个激励跟1个接收的工作，就可实现单发射单向接收的同时监测，并且可以远程传输数据，提高监测距离，节约监测成本；
16.(2)坡头的环形激励阵元依次激励，坡头的环形接收阵元依次接收超声导波信号，激励阵元和接收阵元沿圆周方向等间距地交错布置在管道外壁，形成激励接收一体化系统，系统的硬件配置简单，在低功耗状态下运行，实现了全矩阵的数据采集和长时间的在线监测，提高了检测精度；
17.(3)超声导波数据由前置放大器接收后，通过数字示波器与管外接收到的信号数据进行数据交互，操作人员可实时查看返回波形，通过波形判断管道形变情况。
18.综上，本发明通过在管道特定位置安装合理的激励传感器阵列、接收传感器阵列，从而实现了管道的全矩阵数据采集，并进一步将其通过前置放大器，进而可以通过示波器显示，再进一步地，将信号传至计算机，通过计算机进行存储、分析，可以判断出判断管道是否发生变形，弥补了现有检测滑坡段进行管道变形装置缺乏的不足。
附图说明
19.图1是本发明的结构示意图；
20.图2是传感器阵列管道安装正视图；
21.图3是太阳能供电系统示意图；
22.图4是超声导波检测管道变形流程图；
23.图中各标号为：1为管道，2为激励传感器阵列，3为接收传感器阵列，4为前置放大器，5为光伏电板，6为蓄电池，7为数字示波器，8为信号发射器，9为信号接收器，10为计算机，11为函数发生器，12为功率放大器，13为阻抗匹配器，14为太阳能充放电控制器，15为直、交流逆变器。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例，对发明作进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
25.实施例1：如图1-4所示，一种基于超声导波的管道变形检测装置，包括激励传感器阵列2、接收传感器阵列3、函数发生器11、功率放大器12、阻抗匹配器13、前置放大器4、数字示波器7；其中激励传感器阵列2、接收传感器阵列3沿周向环绕等间距地交错布置在滑坡段
坡头水平或倾斜的被检测管道1上(即激励传感器阵列2、接收传感器阵列3共同设置在滑坡段坡头水平的被检测管道1上或者共同设置在滑坡段坡头倾斜的被检测管道1上)，激励通过函数发生器11产生信号，功率放大器12放大信号、阻抗匹配器13降噪除干扰之后通过激励传感器阵列2在管道表面产生切向力，可以激励出单方向传播的单一扭转模态导波，超声导波在管道中开始传播。管道中的超声导波遇到异常时产生缺陷回波信号通过接收传感器阵列3接收，由太阳能供电系统(包括光伏电板5，蓄电池6等)给前置放大器4等需要外部电源的元件提供稳定电源(元件为构成检测装置的元件)，通过前置放大器4放大回波电压信号传至数字示波器7显示波形。进一步地，可通过信号发射器8远程发送，在终端控制室通过信号接收器9接收信号，最终通过位于工作站或监控室的终端计算机10存储、处理和分析回波信号。根据接收到的超声导波信号的波形图变化，可以判断出判断管道是否发生变形，及其变形的形式(如褶皱、凹陷、椭圆变形等)。其中，滑坡段坡头水平管段或倾斜管段处布置1个接收传感器阵列3接收超声导波信号，同时在管道外壁的圆周方向交错布置1个激励传感器阵列2，实现单侧激励单向接收同时监测的作用，提高监测效率，降低检测费用。
26.进一步地，可以设置所述激励阵元与接收阵元在管道周向上一一对应，两个阵元均可选用压电式或磁致伸缩式的传感器类型，同一周向位置的激励阵元和接收阵元共面，如图2；再进一步地，给出如下的举例：所述激励传感器阵列2和接收传感器阵列3，两个阵列各自接线，激励传感器阵列2包括若干激励阵元，所述激励阵元为灵敏度高的接触式干耦合压电式探头，该探头在管道监测中最常用，无需添加耦合剂，且能很方便地激励出单方向的扭转模态导波；所述接收传感器阵列3均包括与激励传感器阵列2相同数量的接收阵元，激励传感器阵列2和接收传感器阵列3的中阵元的数量可以取值为3-8个。优选的各选用4个；接收阵元为电能和力之间转化效率高的磁致伸缩传感器，无需直接接触，就能高效地接收沿管道轴向双向传播的超声导波。
27.进一步地，可以设置所述坡头水平管段或倾斜管段的接收传感器阵列3接收超声导波信号时，激发激励传感器阵列2的第一个激励阵元，坡头水平管段或倾斜管段的接收传感器阵列3的接收阵元依次按顺序接收导波信号，直到环形接收阵列3的所有阵元都采集到相应位置的超声导波信号；接着激发第二个激励阵元，坡头水平管段或倾斜管段的接收传感器阵列3按同样的方式采集所有超声导波信号，依次循环，直到所有激励阵元都激发一次。如果激励阵元为4个，则每个接收阵元一共采集超声导波数据4组，从而实现了管道的全矩阵数据采集；
28.进一步地，可以设置所述数字示波器7频率范围为9～350mhz，提取从前置放大器4接收到的信号，最终通过位于工作站或监控室的终端计算机10存储、处理和分析回波信号，即可识别管道的变形部位。
29.进一步地，可以设置所述功率放大器12为频率10khz～20mhz，将函数发生器11产生的信号放大后经阻抗匹配器13输入至激励传感器阵列2。
30.进一步地，可以设置所述太阳能供电系统如图3所示，包括光伏电板5，蓄电池6，太阳能充放电控制器14和直、交流逆变器15，太阳光照在光伏电板5上产生电流，电流经过太阳能充放电控制器14对蓄电池6充电以及蓄电池6给直、交流逆变器15负载供电，在有光照条件时，通过蓄电池6储存电量；在阴雨天时，光伏电板5无法为蓄电池6充电，蓄电池6可稳定提供电源供前置放大器4继续工作，直、交流逆变器15可以将光伏电板5和蓄电池6的电能
转变成220v交流电以供前置放大器4等元件使用。
31.进一步地，可以设置所述前置放大器4将接收传感器阵列3接收到的超声导波信号放大后传至数字示波器7，并通过信号发射器8远程发送，在终端控制室通过信号接收器9接收信号，
32.再进一步地，给出如下：
33.管道中的导波波速c为：
[0034][0035]
其中，c为l(0，2)模态和t(0，1)模态导波在管道中的传播速度，e为管材的弹性模量，ρ为管材的密度，ν为泊松比；
[0036]
假定距管道接收信号位置x处有一缺陷，并设从激发到接收缺陷回波信号的时间间隔为t，则有下式成立：
[0037]
ct＝2x
ꢀꢀ
(2)
[0038]
导波信号从探头发出并经缺陷反射到接收器的传播时间t可测量获取，故x值可确定。由式(1)、式(2)即可判断缺陷在管道中的具体轴向位置。
[0039]
根据接收到的超声导波信号的波形图变化，可以出判断管道是否发生变形，及其变形的形式(如褶皱、凹陷、椭圆变形等)。
[0040]
根据现有滑坡段管道具备的管路长、存在弯头等特征，本发明采用了具有传播速度快、能量衰减小、检测效率高等优点的超声导波无损技术，同时在采用该技术时考虑传感器阵列的安装位置、布置数量、交互方式等，通过安装位置的布局，可以避免弯头处应力集中损坏元件的不足，通过布置数量、交互方式等的配合，从而更加高效准确的检测滑坡段管道是否存在变形；使得在实际工程应用中，本发明能较好地适应类似由直管部分和弯管部分组成的油气长输管道在山体滑坡发生时对管道造成的失稳变形等的检测。
[0041]
本发明采用的超声导波在直管中的传播原理是利用检测探头在管道的一端激励超声导波，由于超声导波具有沿传播路径衰减很小，传播的距离很远的特性，检测的时候使得整个管道都在作复杂的振动，探头发出一束超声导波脉冲，超声导波传播可以经过整个管壁厚度，向远处传播，在传播过程当中，如果遇到缺陷时超声导波会在缺陷所在位置返回一定的反射波，最后被探头接收，因此可根据探头接收到的反射波来判断缺陷的位置及大小。因此，本发明改进的超声导波检测技术不仅适用于容易滑坡段的直管检测、也适用于具备弯管的检测。
[0042]
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。