海底油气管线超声波检测系统设计与应用.docx

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石 油 机 械 2011 年 第39卷 第4期CHINA 2011 年 第39卷 第4期 检测诊断 海底油气管线超声波检测系统设计与应用 孙 永 泰 (胜利石油管理局钻井工艺研究院) 摘要 超声波检测具有可测量绝对壁厚、适应材料多样性等特点,因此超声波检测是海底油 气输送管道检测的重点研究方向。介绍了超声波检测原理及超声波检测系统的总体构成,确定了 超声波通道数的选择方法及探头工作频率的计算和选择方法。试验及应用表明,海底油气管线超 声波检测系统各项指标基本达到技术要求,能够准确检测出正常回波下的壁厚信息及管道的螺旋 焊缝、直焊缝等特征轮廓;该检测系统会受到气泡的影响,因此应在投放装置上研究介质中气体 排放措施。 关键词 海底油气管线 超声波检测 信号采集 信号处理 0 引 言 我国输油管道长期受介质腐蚀及意外事故等的 影响,容易产生缺陷和损伤,严重时会发生爆管或 油气泄漏,因此需定期对在用管道进行无损检测、 诊断,对危险管段进行维修或更换,避免油气泄漏 爆管事故的发生。 目前世界上已有的管线检测方法和检测系统主 要包括漏磁检测、超声波检测、射线检测、远场涡 流检测、声发射检测、电子内窥和视频检测等技 术。还有流量差法、压力分布法、压力波法、 SCADA(Supervisory Control And Data Acquistion) 法等。 现在在用的无损检测方法中,用于油气输送管 道内检测的主要是超声波检测和漏磁检测。超声波 检测具有可测量绝对壁厚、适应材料多样性等特 点,因此超声波检测是海底油气输送管道检测的重 点研究方向。笔者的研究设计以管径325 mm、 壁 厚14 mm 的海底管线为对象展开,超声波检测器 达到的指标为:检测速度150~300 mm/s、 壁厚测 量误差小于0.5 mm、 检测最小腐蚀面积10 mm× 10 mm。 1 超声波检测系统研究与设计 1. 1 超声波检测系统原理与构成 借助于管内原油或水的压差驱动,通过超声波 检测器检测管线壁厚及腐蚀等缺陷,测距仪测出行 走距离,旋转编码器连续检测周向转动的极坐标信 号,信息采集与处理系统对管道壁厚、腐蚀、探头 坐标等信号进行采集、处理和存储。检测完毕后, 通过管线缺陷评价系统进行信息处理,完成安全评 价,对缺陷信息进行图形和列表显示,从而确定管 线是否需要维修,并确定缺陷点的初步位置。超声 波检测系统总体构成如图1所示。 图1 超声波检测系统总体构成 1一引导装置;2一万向联轴器;3—支撑机构;4-检测电源;5— 电源监控/里程 计/INS;6— 超声采集及处理单元;7—超声检测单元;8一抢救对接机构。 *基金项目:国家高技术研究发展计划资助课题“海底管道内爬行器及其检测技术”(2005AA602210)。 石 油 机 械—58— 石 油 机 械 —58— 1.2 超声波检测系统 超声波是指频率大于20 kHz 在连续介质中传 播的机械波。超声波无损检测是利用超声波在工件 中传播时,在遇到界面(如裂纹、气孔等缺陷) 时产生的反射、透射和散射波,实现对工件的宏观 缺陷、几何特性、组织结构和力学性能变化等的检 测和表征,进而对其特定使用性能进行评价。管线 超声波检测的基本原理如图2所示。 与介质(包括介质 与介质(包括介质 中缺陷)相互作用 传播 超声波信号的接 收、处理和显示 接收 声: 与介质缺陷 相互作用 检出介质特 性和缺陷 判别 电。 (测得) 产生用于检测 的超声波信号 发射 电x; (已知) 声; 求 求 图2 超声波检测的基本原理 根据该原理和管线检测的特点,管线超声波检 测系统宜采用纵波直探头阵列形式。探测系统主要 包括探头环壳体、密封舱、超声探头、编码器、支 撑轮组以及接插件部分。旋转编码器完成系统旋转 角度识别,密封舱用于线缆接口以及电气部分密封, 超声探头用于管道缺陷检测,探头环外壳是整个探 头环部分的支撑保持部件,支撑轮用于支撑探头环、 实现探头环在石油管道内的平稳对中运行。 1.2.1 超声通道数选择 管线内径297 mm, 周长933 mm, 通过大量试 验,选用型号为5C14N (其晶片名义频率为5 MHz) 宽带窄脉冲超声探头,该探头的半扩散角为 6°(钢中)、1.5°(水中);同时,考虑技术指标、 数据处理和排布的对称性,系统设置64通道,相 邻探头声束覆盖率(包括扩散声束)约为10.7%。 为提高纵向分辨率,采用高阻尼陪衬。 设计计算的主要参数包括脉冲中心频率、脉冲 重复频率、探头提离距离、探头晶片直径及分辨率。 脉冲中心频率即换能器的工作频率f 是超声波 检测系统中的一个重要参数,应根据实际的探伤需 要(如探测材料、探测深度、要求的分辨率、晶

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