超声波检测在石油管道检测机器人中的应用

　　1引言

　　在役输油管道检测机器人的研制开发中，很重要的环节就是机器人要能准确检测到管道缺陷，即通过传感器的作用，在管道机器人的运动过程中测定管道的壁厚厚度，准确处理测到的数据。本文主要介绍了旋转超声探头的检测原理以及处理方法。超声波检测是目前应用最为广泛的一种无损检测方法，它具有灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、效率高、成本低，对人体无伤害等优点，不仅可探测金属及非金属材料的缺陷(内部和表面的)，还可以测定材料的厚度及强度等。

　　2管道机器人超声波检测原理

　　超声波是指频率在2000Hz 以上，不能引起正常人听觉反应的机械振动波，是物体的机械振动在弹性介质中的传播所形成的机械振动波。由于声源在介质中施力方向与波在介质中的传播方向不同，声波的波形也不同，声波的波形可分为：纵波、横波、表面波、兰姆波。

　　纵波、横波及表面波的速度取决于介质的弹性常数及介质密度。兰姆波的传播速度，不仅取决于介质的弹性常数，还取决于介质的厚度及频率。由于液体中剪切模量为零，所以液体中不能传播横波，只能传播纵波，液体中纵波声速公式如下：

　　其中：

　　C—声速;

　　K—体积弹性模量;

　　ρ—密度;

　　β—绝热压缩系数。

　　在液体中,声波的速度大概在900—1900m/s之间，在油中会随着温度的升高而降低。在役石油管道的受蚀缺陷主要是管壁的受蚀减薄，用超声检测技术来探测输油管道壁厚的厚度最为简便和直接，其检测原理如图1。

　　当超声探头对管孽发出一个超声脉冲后，探头首先接收到由管孽的内表面反射回来的脉冲，这个脉冲与基准脉冲之间的间距是很容易测量的，该间距值表示为t1。然后，超声探头又会接收到由管孽的外表面反射回来的脉冲，这个脉冲与内表面产生的脉冲之间的间距为t2，t2值就反映了管孽的厚度。对于反射波，要经处理、整形后形成厚度方波，为了达到预求的精度，该方波还要被放大数十倍，另外还需对放大的方波进行脉冲填充，脉冲填充的个数的多少就构成了所测厚度的具体数据，在检测时，这些数据需实时存入机器人体内的存储器中，最终的数据分析由地面的计算机完成。

　　3动态超声波检测法

　　目前，国外一些著名公司如NKK. Pipetonix,TD-Willianson等在管道检测机器人的开发与研制方面开展比较多。国外_I几要采用的多元蜂窝式检测头，其最多可载有500多个超声探头。各个超声探头直接向管孽发射宽频超声波，又直接接收反射波。这种机器人的内部还设有摆锤及自动调节机构，以免机器人在行进的过程中发生自身的偏转，这种检测方法叫静态超声波检测。我们采用的是动态检测，所谓动态检测，就是探头盘带着若干个(我们采用四个)超声头在石油管道内随石油的流动作旋转探测。相比较而言，动态检测的优点是:成本低，检测全面，易于采用。