燃气管道壁厚测量的超声波轮式探头

　　0　引　言

　　目前,西部大开发的“西气东输”重大工程已经全面开工,“十五”期间共有近2万公里的“西气东输”管网将建成。构成这些管网的管道由于种种原因,在使役的过程中不可避免地会出现腐蚀、孔洞、应力开裂,特别是在焊接界面的连接处,应力分布不均,更容易产生这类缺陷。它的管壁裂纹很小,但走向奇特,直接影响管道在使役过程中的寿命。对管道外部的周向,纵向裂纹检测采用传统的涡流和超声波检测,检测技术已趋规范。但对于地下管网的泄漏检测,使用的检测技术都遇到了困难,由于管道使役中,表面承受了相当大的气压,埋在地下,更增加管壁承受的压力差。据管道工程部门调查,埋地输气管道在使役之中的腐蚀孔洞、应力裂纹始发经常不是在外表面,而是在其内部。

　　因此,不同材质、不同强度的管道在使役过程中,造成焊缝开裂和应力爆裂时有发生。因此,管道内部检测比管道的外部检测就显得更加重要[1, 2]。

　　输气管道检测技术可分为腐蚀壁厚检测、管道泄漏检测、裂纹检测、内径曲率检测、位移检测和涂层损伤检测等种类[3, 4]。本文研究的输气管道检测机器人采用CCD光电窥视内壁成像和超声波腐蚀测厚技术。针对220mm口径,壁厚6mm的埋地输气管道进行轮式超声波壁厚测量和内部光电窥视。

　　1　超声波轮式探头的工作原理与设计

　　超声波是在弹性介质中传播的一种机械波,具有方向性好、能量高、穿透力强,能在异质界面产生反射、折射和波形转换等特点。利用超声波的这些特点可以对燃气管道进行管壁厚度的测量,针对管内空间、内部环境、管壁曲率、表面状态和管道机器人走行速度的要求,设计了一种在管内沿管道纵向行走的检测车。超声波探头安装在车上,并在移动过程中对管道下壁厚度检测。轮式探头如图1所示,直径为70mm,厚度为25mm。

　　设计的超声波轮式聚焦探头的焦距为30~35mm,晶片尺寸为10mm,频率为2. 5MHz。从管壁返回的超声波声压为：

　　式中　t为声压透射率;p0为初始波声压,Pa;a为探头与内管壁的距离,m;x为声波的传播距离,m;v1为声波在介质1中的速度,m /s;v2为声波在介质2中的速度,m /s;f为探头的焦距,m。

　　采用直探头,油、轮皮、管钢的声阻抗分别为z1, z2, z3,为使声束对轮皮介质产生全透射,由于超声波声压往复透射率：

　　若时,使得T1,表示超声波能量完全透过轮皮,根据这一要求,设计的硅橡胶轮皮套厚度为1mm,满足了全透射的T1的要求。

　　将设计的超声波轮式探头固定在轮支架的中间部位,始终保持与支架垂直,并尽量贴紧轮内壁。支架上还有2个用于在内部支撑辅助橡胶轮的圆片,圆片与支架之间可以相互转动,橡胶轮两侧各有一个圆片用螺钉和轮封闭连接,可在轮内注入机油,作为超声波探头与工件的耦合介质。由于橡胶轮套的保护,超声波探头不会直接与管壁接触。即使检测车在管壁内行走。也不会对探头造成任何损伤。整个轮式探头作为检测车体的一个辅助轮,安装在车体下方,直接与管道下壁接触。当检测车行走时,辅助轮连同用于封闭轮内空间的内外圆片也会随之转动,保持超声波探头始终竖直向下工作状态。设计行进速度达8m /min。