海底管道缺陷检测线聚焦超声传感器阵列设计

　　1　引　　言

　　海底管道是近海油气输送的主要手段。由于冲蚀、腐蚀、温度、压力以及管道随海浪飘移等因素影响,导致管道中产生缺陷并扩展。如果这些缺陷没有及时被检出,将造成极大的财产损失和海洋生态污染。所以必须定期对管道中的缺陷进行检测,以确定管道中的缺陷种类、大小和位置,确保在事故发生之前得到维修。

　　目前,对管道中缺陷的检测主要有管外与管内检测两种方案。管外检测主要适用于管道外露的情况;管内检测主要用在不便于管外探测的场合,如深埋于地下的管道、海底管道等。管外测量相对于管内测量要容易实现,且探测设备的复杂程度、技术含量、制造、维护和测试成本要低许多。陆地管道内部检测的专用设备智能猪在40多年前已经出现,当时主要是用来进行管道中腐蚀坑和壁厚的测量[1]。这种设备目前已发展到了第二、第三代。目前,国外一些著名公司如NKK、Pipetonix、Willianson等在管道检测爬机方面的开发和研制比较多[2]。陆地智能猪分有缆和无缆两种型号,有缆探测主要适用于短距离场合;无缆探测主要用在长距离场合。探测的方法主要是超声或漏磁。海底管道中的缺陷探测设备现在正处于研制阶段,由于其特殊的地理环境和长距离性,决定了只能采用无缆管内探测方案。测量一般是在线进行的,所以原油可作为天然的耦合剂。由于对管道中缺陷的探测灵敏度、测量精度、定位精度及扫查速度有较高的要求,所以只有采用多传感器阵列才能满足测量要求。

　　文中首先简要分析了海底管道智能猪结构原理。通过对多种超声传感器的性能比较,选择了线聚焦脉冲超声传感器作为探头,并对其轴线声场进行了数值模拟与实际测量。在此基础上,设计了一种线聚焦超声传感器阵列,并利用超声横波对管道进行缺陷检测,以提高对缺陷的探测灵敏度。按照美国石油组织标准加工了管道标准缺陷,利用设计的探头阵列对其进行了　实际测量,用二级自适应滤波方法去除了测量中的噪声,最后根据测量数据给出了识别结果。

　　2　海底管道在线缺陷检测智能猪结构原理简介

　　海底管道智能猪是利用管道油压或自主动力(自带电源)在管道中进行全自动无缆长距离爬行的一种智能机器,也称智能爬机。它利用多传感器阵列在管道中进行全程探测与数据记录,并离线进行数据分析,最后根据数据的分析结果,确定缺陷的种类、大小和在管道中的位置,为管道维修提供准确的数据。

　　它主要由超声探头阵列、自主引导装置、检测电源、动力源、爬行控制器、轴向定位单元、数据处理与记录单元等组成(如图1如示)。