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長(zhǎng)輸石油管道埋在地下,在長(zhǎng)期運(yùn)行中管壁會(huì)產(chǎn)生減薄及點(diǎn)坑。目前國(guó)際普遍采用管內(nèi)超聲智能機(jī)器人(US Pig)定期掃查地下長(zhǎng)輸管道(圖1a),及時(shí)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕減薄危險(xiǎn)管段,進(jìn)行科學(xué)維修[1-2]。超聲管道腐蝕檢測(cè)機(jī)器人采用縱波脈沖回波法實(shí)現(xiàn)壁厚測(cè)量,在均勻腐蝕情況下,能得到正確的管道壁厚;而在管道內(nèi)壁面積小于探頭聲束的的淺腐蝕,可能作出錯(cuò)誤的判斷。本文從長(zhǎng)輸管道超聲檢測(cè)原理出發(fā),分析了內(nèi)腐蝕缺陷誤判漏判原因;并采用寬頻超聲相位識(shí)別和數(shù)據(jù)處理技術(shù),研究了克服管道內(nèi)腐蝕缺陷誤判的方法。 1長(zhǎng)輸管道腐蝕超聲內(nèi)檢測(cè)[3-4] 采用常規(guī)超聲技術(shù)的管道腐蝕檢測(cè)機(jī)器人超聲探頭發(fā)射的是以固有頻率為中心的窄頻帶振蕩超聲波,經(jīng)檢波如圖1b所示;采用的寬頻超聲管道檢測(cè)機(jī)器人特點(diǎn)是超聲回波具有相位幅度信息的窄脈沖波,根據(jù)石油聲阻抗(Z1)、鋼聲阻抗(Z2)和聲壓反射率公式,可計(jì)算出寬頻超聲波形的相位幅度(圖1c)。 
本研究的超聲管道腐蝕檢測(cè)機(jī)器人(US Pig)采用了寬頻超聲技術(shù)。直探頭發(fā)射的超聲縱波通過耦合介質(zhì)垂直接觸到管道內(nèi)表面,一部分反射回來(A波);另外一部分則進(jìn)入管壁,在外表面被反射回底波(B1波);因在管壁內(nèi)重復(fù)反射將形成B2波、B3波…(圖2)。用下列公式可以分別計(jì)算出探頭與工件內(nèi)表面的距離L和管壁厚度T: 本研究的超聲管道腐蝕檢測(cè)機(jī)器人(US Pig)采用了寬頻超聲技術(shù)。直探頭發(fā)射的超聲縱波通過耦合介質(zhì)垂直接觸到管道內(nèi)表面,一部分反射回來(A波);另外一部分則進(jìn)入管壁,在外表面被反射回底波(B1波);因在管壁內(nèi)重復(fù)反射將形成B2波、B3波…(圖2)。用下列公式可以分別計(jì)算出探頭與工件內(nèi)表面的距離L和管壁厚度T: 
式中△tL—探頭發(fā)射脈沖到接收到A波信號(hào)的時(shí)間差 △tT—探頭接收到A波和B1的間隔 v1—超聲波在油介質(zhì)中的傳輸速度 v2—超聲波在管壁內(nèi)部的傳輸速度 
2均勻腐蝕情況超聲檢測(cè)[5] 如圖3a所示,由于均勻腐蝕面積大大超過探頭的聲束面積,超聲探頭在腐蝕區(qū)域內(nèi)只接收到腐蝕區(qū)表面波A和底波信號(hào)B?？梢愿鶕?jù)接收的回波信號(hào)正確地計(jì)算出管道的壁厚值。 輸油管道腐蝕部位可能發(fā)生在管壁外表面,也可能處于管壁內(nèi)表面。超聲管道腐蝕檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)時(shí),探頭都垂直于管道內(nèi)壁沿軸向方向以速度v前進(jìn)。在前進(jìn)過程中不斷發(fā)射超聲波脈沖測(cè)量油程L和厚度T。當(dāng)超聲探頭到達(dá)內(nèi)表面均勻腐蝕部位時(shí),管壁厚度減少,探頭與內(nèi)管壁間距離增大;當(dāng)探頭前進(jìn)到管壁的外表面缺陷時(shí),管壁厚度減少,但探頭與內(nèi)管壁間距離沒有變化。這便可利用L和T的變化判斷缺陷到底是內(nèi)缺陷還是外缺陷(圖3b)。 
3管道內(nèi)壁腐蝕常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)誤判漏判原因分析 (1)當(dāng)探頭檢測(cè)到內(nèi)壁很淺的小點(diǎn)坑時(shí)(深度<0.2T0),因聲束的面積大于點(diǎn)坑,會(huì)在形成未腐蝕管壁處回波A和B1時(shí),也形成腐蝕點(diǎn)坑處回波A′和B1′。并且淺點(diǎn)坑處表面波A′將在B1底波前(圖4a)。由于常規(guī)超聲沒有相位識(shí)別的能力,無法區(qū)分出A′和B1′,這樣,超聲儀器將把A′誤認(rèn)為底波B1,將根據(jù)A、A′之間時(shí)間計(jì)算管壁厚度,得到管壁厚度很薄的錯(cuò)誤結(jié)論。 (2)同理,當(dāng)內(nèi)管壁出現(xiàn)小凸缺陷時(shí),也會(huì)出現(xiàn)誤判的情況(圖4b)。凸缺陷對(duì)管道正常運(yùn)行不會(huì)造成危害,但是檢測(cè)儀器會(huì)誤認(rèn)為在凸缺陷處管壁非常薄。 (3)當(dāng)探頭檢測(cè)到小于探頭聲束面積的內(nèi)壁很深腐蝕點(diǎn)坑(深度>0.25T0)時(shí),因點(diǎn)坑處的表面波A′已在B1后,常規(guī)超聲將按A、B1回波計(jì)算管壁厚度,得出管壁無變化的錯(cuò)誤結(jié)論,出現(xiàn)漏判腐蝕深點(diǎn)坑問題。 
根據(jù)鋼中聲波速度約為在水(油)中的4倍(v鋼≈5800 m/s,v水≈1450 m/s),可采用下面公式計(jì)算出常規(guī)超聲檢測(cè)管內(nèi)點(diǎn)坑和凸缺陷典型數(shù)據(jù)和誤判漏判曲線圖(圖5): 
從圖5和典型數(shù)據(jù)表(表1)可以看到,使用常規(guī)超聲技術(shù)進(jìn)行管道腐蝕檢測(cè)時(shí): ●當(dāng)內(nèi)壁腐蝕深度小于20%T0時(shí),儀器檢測(cè)厚度小于實(shí)際厚度值,誤判腐蝕程度過重; ●當(dāng)內(nèi)壁點(diǎn)坑的深度在20%T0～25%T0變化時(shí),檢測(cè)厚度比實(shí)際值大,誤判腐蝕程度過輕; ●當(dāng)內(nèi)壁腐蝕深度超過25%T0時(shí),儀器檢測(cè)厚 度值不變,對(duì)面積小但很深的點(diǎn)坑漏判; ●當(dāng)管道內(nèi)凸缺陷高度小于1/3T0時(shí),把面積小凸缺陷加厚部位誤判為腐蝕減薄; ●只當(dāng)管道內(nèi)凸缺陷高度大于1/3T0時(shí),儀器計(jì)算出實(shí)際厚度值。 
4寬頻超聲相位識(shí)別數(shù)據(jù)處理技術(shù)解決誤判問題 為解決誤判、漏判的問題,研究了寬頻超聲波形相位識(shí)別和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)方案。由于石油聲阻抗(Z1)<鋼材聲阻抗(Z2),而Z2>空氣/土壤聲阻抗Z3,因此內(nèi)管壁表面反射波(A,A′)與底面反射波(B1,B1′)相位相差180°(圖6)。利用寬頻超聲電路實(shí)現(xiàn)相位識(shí)別功能,便可以很容易的從回波中區(qū)分表面波(A、A′)和底面波(B1、B1′)。超聲分析電路正選通出表面波A、A′,便可用油聲速計(jì)算出腐蝕點(diǎn)坑深度(內(nèi)凸缺陷高度)H。超聲分析電路負(fù)選通出底面波B1,并利用A波B1波,計(jì)算出管壁正常厚度T0。采用公式計(jì)算出:內(nèi)腐蝕點(diǎn)坑處真實(shí)的厚度T=T0-H;內(nèi)凸缺陷處真實(shí)厚度T=T0+H。 
5結(jié)論 (1)通過上面的分析證明,使用常規(guī)超聲技術(shù)的管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行管道腐蝕檢測(cè)時(shí),不可避免地會(huì)出現(xiàn)誤判、漏判的問題,給管道用戶提供錯(cuò)誤信息;當(dāng)面積小于探頭聲束面積很淺的管內(nèi)點(diǎn)坑(H< 0.2T0)或小凸缺陷(H< 0.33T0)都會(huì)誤認(rèn)為減薄的程度很嚴(yán)重;而內(nèi)管壁很深小點(diǎn)坑(深度>0.25T0)發(fā)生漏判,得出無腐蝕的錯(cuò)誤結(jié)論。 (2)采用寬頻超聲相位識(shí)別和數(shù)據(jù)處理技術(shù),可以區(qū)分表面波和底面波,解決管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)中的誤判、漏判問題。 摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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