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長輸石油管道埋在地下,在長期運行中管壁會產生減薄及點坑。目前國際普遍采用管內超聲智能機器人(US Pig)定期掃查地下長輸管道(圖1a),及時發(fā)現(xiàn)嚴重腐蝕減薄危險管段,進行科學維修[1-2]。超聲管道腐蝕檢測機器人采用縱波脈沖回波法實現(xiàn)壁厚測量,在均勻腐蝕情況下,能得到正確的管道壁厚;而在管道內壁面積小于探頭聲束的的淺腐蝕,可能作出錯誤的判斷。本文從長輸管道超聲檢測原理出發(fā),分析了內腐蝕缺陷誤判漏判原因;并采用寬頻超聲相位識別和數(shù)據(jù)處理技術,研究了克服管道內腐蝕缺陷誤判的方法。 1長輸管道腐蝕超聲內檢測[3-4] 采用常規(guī)超聲技術的管道腐蝕檢測機器人超聲探頭發(fā)射的是以固有頻率為中心的窄頻帶振蕩超聲波,經檢波如圖1b所示;采用的寬頻超聲管道檢測機器人特點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機器人(US Pig)采用了寬頻超聲技術。直探頭發(fā)射的超聲縱波通過耦合介質垂直接觸到管道內表面,一部分反射回來(A波);另外一部分則進入管壁,在外表面被反射回底波(B1波);因在管壁內重復反射將形成B2波、B3波…(圖2)。用下列公式可以分別計算出探頭與工件內表面的距離L和管壁厚度T: 本研究的超聲管道腐蝕檢測機器人(US Pig)采用了寬頻超聲技術。直探頭發(fā)射的超聲縱波通過耦合介質垂直接觸到管道內表面,一部分反射回來(A波);另外一部分則進入管壁,在外表面被反射回底波(B1波);因在管壁內重復反射將形成B2波、B3波…(圖2)。用下列公式可以分別計算出探頭與工件內表面的距離L和管壁厚度T: 
式中△tL—探頭發(fā)射脈沖到接收到A波信號的時間差 △tT—探頭接收到A波和B1的間隔 v1—超聲波在油介質中的傳輸速度 v2—超聲波在管壁內部的傳輸速度 
2均勻腐蝕情況超聲檢測[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)域內只接收到腐蝕區(qū)表面波A和底波信號B。可以根據(jù)接收的回波信號正確地計算出管道的壁厚值。 輸油管道腐蝕部位可能發(fā)生在管壁外表面,也可能處于管壁內表面。超聲管道腐蝕檢測機器人檢測時,探頭都垂直于管道內壁沿軸向方向以速度v前進。在前進過程中不斷發(fā)射超聲波脈沖測量油程L和厚度T。當超聲探頭到達內表面均勻腐蝕部位時,管壁厚度減少,探頭與內管壁間距離增大;當探頭前進到管壁的外表面缺陷時,管壁厚度減少,但探頭與內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缺陷還是外缺陷(圖3b)。 
3管道內壁腐蝕常規(guī)超聲檢測技術誤判漏判原因分析 (1)當探頭檢測到內壁很淺的小點坑時(深度<0.2T0),因聲束的面積大于點坑,會在形成未腐蝕管壁處回波A和B1時,也形成腐蝕點坑處回波A′和B1′。并且淺點坑處表面波A′將在B1底波前(圖4a)。由于常規(guī)超聲沒有相位識別的能力,無法區(qū)分出A′和B1′,這樣,超聲儀器將把A′誤認為底波B1,將根據(jù)A、A′之間時間計算管壁厚度,得到管壁厚度很薄的錯誤結論。 (2)同理,當內管壁出現(xiàn)小凸缺陷時,也會出現(xiàn)誤判的情況(圖4b)。凸缺陷對管道正常運行不會造成危害,但是檢測儀器會誤認為在凸缺陷處管壁非常薄。 (3)當探頭檢測到小于探頭聲束面積的內壁很深腐蝕點坑(深度>0.25T0)時,因點坑處的表面波A′已在B1后,常規(guī)超聲將按A、B1回波計算管壁厚度,得出管壁無變化的錯誤結論,出現(xiàn)漏判腐蝕深點坑問題。 
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),可采用下面公式計算出常規(guī)超聲檢測管內點坑和凸缺陷典型數(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)超聲技術進行管道腐蝕檢測時: ●當內壁腐蝕深度小于20%T0時,儀器檢測厚度小于實際厚度值,誤判腐蝕程度過重; ●當內壁點坑的深度在20%T0～25%T0變化時,檢測厚度比實際值大,誤判腐蝕程度過輕; ●當內壁腐蝕深度超過25%T0時,儀器檢測厚 度值不變,對面積小但很深的點坑漏判; ●當管道內凸缺陷高度小于1/3T0時,把面積小凸缺陷加厚部位誤判為腐蝕減薄; ●只當管道內凸缺陷高度大于1/3T0時,儀器計算出實際厚度值。 
4寬頻超聲相位識別數(shù)據(jù)處理技術解決誤判問題 為解決誤判、漏判的問題,研究了寬頻超聲波形相位識別和數(shù)據(jù)處理的技術方案。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現(xiàn)相位識別功能,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′,便可用油聲速計算出腐蝕點坑深度(內凸缺陷高度)H。超聲分析電路負選通出底面波B1,并利用A波B1波,計算出管壁正常厚度T0。采用公式計算出:內腐蝕點坑處真實的厚度T=T0-H;內凸缺陷處真實厚度T=T0+H。 
5結論 (1)通過上面的分析證明,使用常規(guī)超聲技術的管道內檢測機器人進行管道腐蝕檢測時,不可避免地會出現(xiàn)誤判、漏判的問題,給管道用戶提供錯誤信息;當面積小于探頭聲束面積很淺的管內點坑(H< 0.2T0)或小凸缺陷(H< 0.33T0)都會誤認為減薄的程度很嚴重;而內管壁很深小點坑(深度>0.25T0)發(fā)生漏判,得出無腐蝕的錯誤結論。 (2)采用寬頻超聲相位識別和數(shù)據(jù)處理技術,可以區(qū)分表面波和底面波,解決管道內檢測機器人檢測中的誤判、漏判問題。 摘自：中國計量測控網
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