专利名称：基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置的制作方法
技术领域：
本发明是有关于无损检测技术领域，特别是有关于一种可应用于长输管道的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置。
背景技术：
随着长输管道运输业的高速发展，天然气需求呈爆炸式增长，高压力大排量天然气管道运输系统日渐庞大。特别是自从西气东输一线使用X70管线钢开始，高钢级管道材料逐步推广而且钢级不断增强。随着管道运营时间不断增长，管线上的局部缺陷不断增加并恶化，这为高压力大排量输气管道的安全运营带来了巨大挑战，特别是由于不能及时发现沿管道轴向的应力腐蚀裂纹缺陷(SCC)而引发的管线爆裂恶性安全事故，给国民经济和 社会安全造成巨大危害。为了减小运行风险，需要对管道安全状态进行定期检测。通过检测获取管体上的缺陷信息以便对管线的安全性进行评价。目前，油气管道检测最常用的内检测技术是漏磁检测(MFL)技术。但该技术无法检测到管体上的细长型类裂纹缺陷，特别是轴向裂纹缺陷。而常规压电超声检测方法因需要耦合剂而存在诸多不便。电磁超声(EMAT)检测具有非接触、无耦合、重复性好、分辨率高等优点，是目前可解决气体输送管道裂纹缺陷检测的一种切实可行的方法。
发明内容
本发明的目的是，提供一种基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其超声波传感器能在管壁内激发出超声波，激发的超声波沿管壁周向传播，当遇到轴向裂纹缺陷时反射回来，通过接收传感器获取管壁内轴向裂纹缺陷的声波反射信号，从而达到对管壁内轴向裂纹缺陷检测识别的目的。本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现一种基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述内检测装置在管道内介质驱动下向前运行，在运行过程中对管壁轴向裂纹缺陷进行检测，其中，所述内检测装置包括电气密封舱，其内设有数据采集部分，信号数据处理部分及数据存储部分，电气密封舱的两端分别一套周向排列的设有支撑轮；多个基于磁致伸缩效应的超声波传感器，其周向排列地连接在电气密封舱外，并紧贴管道内壁，每个超声波传感器包括永久磁铁，超声波线圈和弹簧支架，超声波线圈位于永久磁铁的N极和S极之间，弹簧支架连接在永久磁铁与超声波线圈之间；驱动器，其通过万向节与电气密封舱相连，驱动器两端分别设有一套周向排列的支撑轮，所述电气密封舱的支撑轮和驱动器的支撑轮中，其中一套周向排列的支撑轮上设有多个交错的里程轮。如上所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述多个基于磁致伸缩效应的超声波传感器形成交叉布置的两个超声波传感器组，每组超声波传感器分别周向均匀地连接在所述电气密封舱外。
如上所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述超声波传感器的传感器控制部分位于所述永久磁铁和超声波线圈之间。如上所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述驱动器还包括速度控制单元和驱动皮碗，驱动皮碗的前端连接速度控制单元。其中，速度控制单元确保内检测装置在理想的速度范围内运行。如上所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述超声波线圈包括中心轴一致的超声波激发线圈和超声波接收线圈，所述超声波激发线圈和超声波接收线圈分别由折形线圈构成。如上所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述超声波激发线圈在管壁中激发超声波，其超声波传播方向与折线间距的关系为Sin Θ = c/2Df，其中，Θ为声波传播方向与被测管道表面法向的夹角，c是波速，f是声波频率，D是折间距。如上所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述Θ =90度，sin Θ =1,D = c/2f,即折线间距D是超声波波长λ的一半。
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如上所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，三个所述里程轮交错位于所述电气密封舱的后侧的一套周向排列的所述支撑轮中。本发明实施例的特点和优点是I、其基于磁致伸缩效应的超声波传感器，利用铁磁性材料在交变磁场和恒定偏置磁场下的磁致伸缩效应及其逆效应，从而实现了对天然气管道非接触、无耦合检测，具有重复性好、分辨率高等优点。2、其超声波传感器采用永久磁铁在管壁中实现了传感器所需的偏置磁�。鼙谥械钠么懦》较蛴氪衅飨呷ζ叫校辈捎昧说芍Ъ芾幢Ｖこㄏ呷籼艿滥诒�。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明实施例的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置的结构示意图；图2是本发明实施例的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置的局部放大示意图；图3是本发明实施例的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置的超声波传感器在管壁内的分布不意图；图4是本发明实施例的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置的超声波传感器的不意图；图5是本发明实施例的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置的声波传播方向不意图；图6是本发明实施例的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置的波束扩散示意图，其中图6的超声波线圈呈现图4中的超声波线圈旋转90度后的俯视状态；图7是本发明实施例的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置的声波接收示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1，图2和图4所示，本发明实施例提出了一种基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述内检测装置在管道内介质驱动下向前运行，在运行过程中对管壁轴向裂纹缺陷进行检测。所述内检测装置包括电气密封舱I，驱动器2和多个基于磁致伸缩效应的超声波传感器，超声波传感器例如可米用电磁超声(EMAT)传感器。电气密封舱I 内设有数据采集部分la，信号数据处理部分Ib及数据存储部分lc，电气密封舱I的两端分别设有一套周向排列的支撑轮4。多个基于磁致伸缩效应的超声波传感器周向排列地连接在电气密封舱I外，并紧贴管壁，每个超声波传感器包括永久磁铁3a，超声波线圈3b和弹簧支架3c,超声波线圈3b位于永久磁铁3a的N极和S极之间,弹簧支架3c连接在永久磁铁3a与超声波线圈3b之间。驱动器2通过万向节6与电气密封舱I相连，带动电气密封舱I在管道内运行，驱动器2的两端亦分别设有一套周向排列的支撑轮，所述电气密封舱I的支撑轮4和驱动器2的支撑轮4中，其中一套周向排列的支撑轮4上设有多个交错的里程轮5，在此处，三个里程轮5交错位于所述电气密封舱I的后侧的一套周向排列的支撑轮4中。支撑轮4保证内检测装置与管道大致同心，里程轮5记录检测器运行的里程信息。其中，所述数据采集部分la，信号数据处理部分Ib及数据存储部分Ic电连接。本发明实施例中，超声波传感器采用脉冲回波技术，即超声波的激发和接收通过同一个超声波传感器完成。弹簧支架3c连接在永久磁铁3a与超声波线圈3b之间，使得超声波线圈3b能保持贴近管道内壁。此外，本实施例还实现了对天然气管道的非接触和无耦合检测，具有重复性好和分辨率高等优点。所述超声波传感器的传感器控制部分3d位于所述永久磁铁3a和超声波线圈3b之间，使得内检测装置的结构更加紧凑，布线更加合理。传感器控制部分3d用来控制超声波传感器激发和接收超声波。本实施例的检测方法如下(I)将内检测装置放入管道内后，驱动器2带动电气密封舱I在管壁内运行，并通过弹簧支架3c使超声波线圈3b贴近管道内壁，内检测装置在管道内运行时，由支撑轮4和里程轮5支撑，可保证内检测装置与管道大致同心，里程轮可用于检测出内检测装置所运行的里程信号，运行中，数据存储部分Ic接收里程轮5的里程信号；(2)永久磁铁3a在基于磁致伸缩效应的超声波传感器处的管壁内建立一个平行于铁磁性管道轴向的恒定偏置磁�。�(3)位于超声波传感器的传感器控制部分3d上的传感器激发单元将在基于磁致伸缩效应的超声波传感器内的超声波激发线圈内通入高频的正弦猝发脉冲；在电磁感应作用下，交变电流将在超声波激发线圈局部产生交变磁场。与超声波激发线圈部分紧贴的管壁在交变磁场和恒定偏置磁场的共同作用下，基于磁致伸缩效应在管壁内产生超声波，产生的超声波垂直于线圈沿管壁周向传播；(4)超声波在管壁周向传播过程中，遇到沿管道轴向的裂纹缺陷等异常而被反射回来，反射波被位于超声波激发传感器内的超声波接收线圈所接收；(5)按照预先设置好的检测间隔，每隔固定长度的运行距离，数据存储部分Ic就经过高速数据采集部分Ia通知传感器控制部分3d可在当前位置激发/接收超声波。磁致伸缩效应的超声波传感器完成发射接收。继续运行一个采样间隔后，海量数据存储部分Ic再次经过高速数据采集部分Ia通知传感器控制部分3d激发/接收超声波，依此循环直到完成整个管道检测；(6)在管道运行过程中，由高速数据采集部分Ia获取的据经过信号数据处理部分Ib的前期处理、压缩、打包后被传送给海量数据存储部分lc。当完成整个管道的检测后，将 数据转储到数据分析计算机中。(7)在数据分析计算机中，分析基于磁致伸缩效应的超声波传感器内的超声波接收线圈所接收到的波形，获得管壁异常的具体形状和尺寸大小。永久磁铁3a为U形磁铁，其N极和S极位于超声波传感器的两端，形成的永久磁场与管壁轴向平行。根据本发明的一个实施方式，再配合图3所示，所述多个基于磁致伸缩效应的超声波传感器形成交叉布置的两个超声波传感器组3m、3n，每组超声波传感器3m、3n分别周向均匀地连接在所述电气密封舱I外。也就是说，本实施例配备两组超声波传感器3m、3n，每组均有多个周向均匀布置或圆周环状等间距排列的超声波传感器，由于超声波传感器向两个方向发送超声波，为了避免超声波传感器所发射声波之间的相互串扰，每组超声波传感器3m和3n又具有多个超声波传感器，即3ml、3m2…和3nl、3n2...，如此可以增大同组超声波传感器之间的间距。此外，第二组超声波传感器3n的各超声波传感器3nl、3n2分别位于第一组超声波传感器3m的各超声波传感器3ml、3m2之间，形成交叉布置形态，如此内检测装置在管道内运行时，可使超声波传感器的检测区域完全覆盖整个管体。其中，两磁致伸缩效应的超声波传感器组3m和3n按照3ml、3m2、3nl和3n2的顺序依次完成发射接收。所述驱动器2还包括驱动皮碗2a和速度控制单元2b。驱动皮碗2a的一端连接速度控制单元2b。本实施例的内检测装置在管道中运行时，驱动器2的支撑轮4用于保证驱动器2与管道大致同心，驱动皮碗2a为内检测装置的运行提供驱动力，整个装置在驱动皮碗2a的牵引下沿管道运行，速度控制单元2b保证内检测装置在管道中以合适的速度运行，例如速度控制单元2b可使内检测装置的运行速度不大于2m/s，以确保传感器线圈3b能够采集最优数据信息。此外，本实施例的内检测装置共具有四组支撑轮4，且电气密封舱I右侧的一组支撑轮内包含3个里程轮5，以360度均匀分布。所述超声波线圈3b包括超声波激发线圈和超声波接收线圈，所述超声波激发线圈和超声波接收线圈分别由折形线圈(又称曲折线圈)构成，如图6和图7所示，超声波激发线圈和超声波接收线圈的中心轴一致，以确保接收超声波幅值最大。在此处，超声波传感器线圈采用基于印制电路板技术制作，电路板一面为超声波激发线圈，一面为超声波接收线圈，超声波激发线圈设为3匝，超声波接收线圈设为8匝。图5所不为声波传播方向不意图,本实施例所述基于磁致伸缩效应的超声波传感器，其声波传播方向和折线间距的关系为sin0 =c/2Df。其中，Θ为声波传播方向与被测管道表面法向的夹角，c是波速，f是声波频率，D是折形线圈间距。进一步而言，本实施例中，上述角Θ为90度，使得折线间距D = c/2f，即超声波波长λ的一半，为恒定值，此时，超声波激发线圈产生整板振动且模式固定的导波，垂直于折形线圈向两侧辐射。如图6和图7所示，本实施例所述基于磁致伸缩效应的超声波传感器激发和接收线圈为折形线圈，其中折线间距D，高度H，线圈宽度W。图6所示为线圈右半侧激发导波的波束扩散示意图，本实施例所述基于磁致伸缩效应的超声波传感器，以折线间距D确定进入被测管壁的主要辐射方向和超声波模式。
本发明激发的超声波的理论波束宽度为一阶衍射理论，如图6所示。超声波传播一定的距离N即近场距离后，波束宽度随着与传感器的距离增加而增加，波束散射角Y (即声速扩散边缘与超声波线圈轴线的夹角)与超声波长λ和线圈宽度W的关系为sin Y =K λ/W。接收超声波线圈是对传感器角度Y依赖的逆效应。来自一个固定超声波的接收幅值是传感器接收线圈中心轴角偏差(Y)的函数。如图7所示，与超声波接收线圈中心位于同一直线的波(Y =0° )具有最大的接收幅值，随着角度的增加(Y >0° )，相同超声波的接收幅值将会减小。本发明所述基于磁致伸缩效应的传感器通过接收线圈所接收的声波信号经过高速数据采集部分Ia和信号数据处理部分Ib后，存入海量数据存储部分lc，待检测结束后将检测数据转储到数据分析计算机中，由数据分析人员对检测数据进行分析，以评估被测管线的裂纹缺陷状况，结合管线的腐蚀检测状况，从而实现管道的完整性管理。本实施例具体检测过程如下(I)将内检测装置放入管道内后，速度控制单元2b保证内检测装置的运行速度不大于2m/s，确保传感器激发线圈和接收线圈能够采集最优数据信息；(2)里程轮触发采样信号后，海量数据存储部分Ic就经过高速数据采集部分Ia通知传感器控制部分3d在当前位置激发/接收超声波。位于传感器控制部分3d上的传感器激励单兀I将在超声波传感器内的超声波激发线圈内施加闻频正弦粹发脉冲；(3)在电磁感应作用下,交变电流将产生交变磁场。在交变磁场和恒定偏置磁场的共同作用下，根据磁致伸缩效应及其逆效应，超声波激发线圈将发射垂直于线圈导线的超声波，该超声波沿着管壁周向传播；(4)超声波在传播的过程中，遇到裂纹、腐蚀等管壁异常而被反射回来，反射超声波被超声波传感器内的超声波接收线圈所接收；(5)基于磁致伸缩效应的超声波传感器内的超声波接收线圈所接收的超声波经过信号数据处理部分Ib后存入高速数据采集部分Ia和海量数据存储部分Ic内；(6)两组磁致伸缩效应的超声波传感器3m和3n上的所有超声波传感器依次完成发射接收超声波后，基于磁致伸缩效应管壁轴向裂纹缺陷内检测装置向前运行，经过一个采样距离后，里程轮触发采样信号，重复上述过程(2)，(3)，(4)，直至完成整个被检管段的检测；
(7)取出本发明所述基于磁致伸缩效应管壁轴向裂纹缺陷内检测装置后，转储海量数据存储部分Ic内的数据至数据分析计算机中，数据分析人员对基于磁致伸缩效应的超声波传感器内的超声波接收线圈所接收到的超声波波形进行分析，并与实际已知管壁异常波形模式进行 对比，获得管壁异常的具体形状和尺寸大小。以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，所述内检测装置在管道内介质驱动下向前运行，在运行过程中对管壁轴向裂纹缺陷进行检测，其特征在于，所述内检测装置包括 电气密封舱，其内设有数据采集部分，信号数据处理部分及数据存储部分，电气密封舱的两端分别设有一套周向排列的支撑轮； 多个基于磁致伸缩效应的超声波传感器，其周向排列地连接在电气密封舱外，并紧贴管道内壁，每个超声波传感器包括永久磁铁，超声波线圈和弹簧支架，超声波线圈位于永久磁铁的N极和S极之间，弹簧支架连接在永久磁铁与超声波线圈之间； 驱动器，其通过万向节与电气密封舱相连，驱动器两端分别设有一套周向排列的支撑轮，所述电气密封舱的支撑轮和驱动器的支撑轮中，其中一套周向排列的支撑轮上设有多个交错的里程轮。
2.根据权利要求I所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其特征在于，所述多个基于磁致伸缩效应的超声波传感器形成交叉布置的两个超声波传感器组，每组超声波传感器分别周向均匀地连接在所述电气密封舱外。
3.根据权利要求I所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其特征在于，所述超声波传感器的传感器控制部分位于所述永久磁铁和超声波线圈之间。
4.根据权利要求I所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其特征在于，所述驱动器还包括速度控制单元和驱动皮碗，驱动皮碗的前端连接速度控制单元。
5.根据权利要求I所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其特征在于，所述超声波线圈包括中心轴一致的超声波激发线圈和超声波接收线圈，所述超声波激发线圈和超声波接收线圈分别由折形线圈构成。
6.根据权利要求I所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其特征在于，所述超声波激发线圈在管壁中激发超声波，其超声波传播方向与折线间距的关系为sin0 =c/2Df，其中，Θ为声波传播方向与被测管道表面法向的夹角，c是波速，f是声波频率，D是折间距。
7.根据权利要求6所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其特征在于，所述Θ = 90度，sin Θ = I, D = c/2f,即折线间距D是超声波波长λ的一半。
8.根据权利要求I所述的基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其特征在于，三个所述里程轮交错位于所述电气密封舱的后侧的一套周向排列的所述支撑轮中。
全文摘要
一种基于磁致伸缩效应的管壁轴向裂纹缺陷内检测装置，其在管道内介质驱动下向前运行，在运行过程中对管壁轴向裂纹缺陷进行检测，内检测装置包括电气密封舱，其内设有数据采集部分，信号数据处理部分及数据存储部分，电气密封舱的两端分别设有一套周向排列的支撑轮；多个基于磁致伸缩效应的超声波传感器，其周向排列地连接在电气密封舱外，并紧贴管道内壁，每个超声波传感器包括永久磁铁，超声波线圈和弹簧支架，超声波线圈位于永久磁铁的N极和S极之间，弹簧支架连接在永久磁铁与超声波线圈之间；驱动器，其通过万向节与电气密封舱相连，驱动器两端分别设有一套周向排列的支撑轮，其中一套周向排列的支撑轮上设有多个交错的里程轮。
文档编号G01N29/04GK102798666SQ201210277180
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者曹崇珍, 赵晓光, 张永江, 陈崇祺, 杨寒, 金莹, 周春, 常连庚, 田爱民, 傅丹蓉, 杨金生, 臧延旭, 张元 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局, 中油管道检测技术有限责任公司
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