[發明專利]一種用于海洋管道超聲導波檢測的探頭系統及其設計方法

無效

• 申請號: 201010605979.7
• 申請日: 2010-12-24
• 公開（公告）號: CN102175773A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 曹靜;武湛君;張恩勇;王奕首;陳嚴飛;柳敏靜;馬書義;沙勇;趙劍
• 申請（專利權）人: 中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;大連理工大學
• 主分類號: G01N29/24
• 分類號: G01N29/24;G01N29/04
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關暢

技術領域

本發明屬于管道無損檢測領域，涉及一種用于海洋管道超聲導波檢測的探頭系統及其設計方法。

背景技術

在海洋油氣資源開發中，管道是油氣輸運的主要形式，是海上油氣田開發和運輸的生命線。管道腐蝕是海洋油氣生產的重大安全隱患，在管道運行過程中若不能及時發現這些潛在危險，就可能引發油氣泄露，發生管道事故，造成經濟上的重大損失及社會負面影響。因此為保障海洋管道在服役期間的安全運行，延長其使用壽命，對在役管道進行安全檢測已成為世界各國研究的重要課題。

隨著超聲導波理論的發展，將超聲導波技術用于不同類型管道的損傷檢測在國際上已趨于成熟，并應用于工程實際，且取得了較好的效果。導波檢測技術利用固定在管道周圍的探頭環發射適當模式的低頻聲波(屬超聲波范疇)，該頻率范圍不需要液體進行耦合，采用機械或氣體施加到探頭的背面以保證探頭與管道表面接觸，從而達到超聲波良好的耦合。固定在管道環向的超聲波探頭均勻的間隔排列，使得聲波以管道軸芯為對稱傳播。

超聲導波檢測與傳統檢測技術相比有如下優勢：(1)只需在管道一處激勵超聲導波，由于導波沿傳播路徑衰減很小，能夠同時檢測或掃描長距離管道，最遠可達百米；(2)超聲導波在管道的內、外表面和中部均有質點的振動，聲場遍及整個壁厚或管道截面，可同時檢測長距離管道內部和表面的缺陷；(3)通過速度模式控制和頻率選擇，可提高管道缺陷的檢測精度；(4)通用性較好，適合水下、覆蓋物下或絕緣層下的管道而無精度損失；(5)使為了確定缺陷分類和尺寸而經常需要進行的多模式/頻率診斷成為可能；(6)結構簡單，降低檢測費用。

超聲導波檢測系統主要由以下幾部分組成：1)以壓電晶片為核心元件、用于發射和接受檢測信號的探頭；2)均勻布置在管道周向的探頭系統(探頭環和夾具)；3)數據采集和處理系統；4)數據傳輸和損傷診斷系統。

探頭系統作為超聲導波檢測系統的核心部件，其設計對超聲導波系統檢測性能有重要影響。探頭系統設計主要包括：探頭安裝設計(如何實現探頭布置和固定，主要是考慮探頭在管道周向和徑向兩個方向上安裝，構成探頭環)、探頭環夾具設計。探頭環的作用主要是布置和安裝探頭，實現探頭和管道的能量耦合；探頭環卡具的功能是將探頭環固定在管道上，保證探頭系統在工作時，探頭與被測管道緊密接觸。

對于海洋管道超聲導波檢測，還要求探頭系統既能防水，又能耐高壓。目前現有的陸地管道超聲導波檢測的探頭系統主要是采用一體化固定式探頭系統和柔性探頭系統。若要用于海洋管道的超聲導波檢測，不僅要在防水設計上加以改進，而且還要考慮水下安裝的要求，即如何用水下機器人進行探頭系統安裝，或便于潛水員水下作業安裝。

一體化固定式探頭系統是根據被測管道外徑直徑將探頭的固定裝置做成環狀，根據探頭固定環直徑尺寸，在其圓周方向上均勻地銑出若干個槽以放置對應數量的單個探頭。為了便于安裝，一般是將探頭固定環分解為兩個半圓式探頭固定環，兩個探頭固定環采用螺栓連接夾在管道上，即實現探頭固定裝置(探頭環)和卡具一體化。在每個探頭槽上裝有壓緊裝置(主要是采用彈簧)，利用彈簧壓縮對探頭施加壓緊力。因此，這種一體化固定式探頭系統可擴展性差，只適合特定外徑的管道，且制造復雜，工藝要求高。隨著徑向探頭增加或外徑增加，便會導致探頭系統體積大，質量大。

柔性探頭系統主要是采用柔性卡具。這種柔性卡具主要有兩類：一是帶有可首尾連接成環狀的氣囊，且環狀氣囊的內側可安裝探頭固定裝置，并對氣囊進行充氣，氣囊膨脹對探頭固定裝置施加預緊力；二是采用高彈性碳纖維材料作為包覆層，包覆層上可安裝探頭固定裝置，探頭固定裝置和包覆層之間裝有氣囊；利用快鎖機構將包覆層卡緊在管道上。上述兩類柔性探頭系統安裝比較復雜，不適合海洋管道檢測，而且柔性卡具是針對特定外徑的管道，這也限制了柔性探頭系統的整體擴展性。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種用于海洋管道超聲導波檢測的探頭系統及其設計方法，其可使探頭系統具有柔性和整體可擴展性，并可適應不同外徑的管道超聲導波檢測。