管道腐蝕超聲波在線檢測技術

楊理踐，王 健，高松巍

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

管道腐蝕超聲波在線檢測技術

楊理踐，王 健，高松巍

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

提出一種用于管道在線腐蝕檢測的方法，基于超聲波脈沖反射法檢測原理，依據超聲波在介質中的傳播特性，研究系統的超聲波發射電路和程控放大電路。實驗結果表明：發射電路產生的高壓負脈沖信號能夠有效激勵超聲探頭；程控放大電路可以解決回波信號因深度增加能量衰減的問題，獲得的信號達到技術要求。系統能夠完成管道在線腐蝕檢測的需要，具有良好的應用價值。

腐蝕檢測；超聲測厚；高壓負脈沖；可變增益放大；增益控制

0 引言

管道破損主要是由于管道內部潛在的缺陷，在長時間的腐蝕、沖刷后造成的。石油化工行業使用的管道大部分都是高溫高壓管道，管道壁的減薄和破損基本是由于腐蝕造成的，管道腐蝕使生產過程存在相當大的危險性，工業事故屢有發生，不僅造成巨大的經濟損失，同時給社會和環境帶來嚴重的影響[1]。因此，為保障生產的連續性，防止安全事故的發生，超聲波測厚技術在腐蝕檢測上的應用越來越廣泛[2-3]。

在管道的日常維護和檢測過程中，需要對管道的腐蝕程度進行定期檢測。其檢測過程中，常用的具體方法有超聲測厚技術、紅外成像技術、聲發射技術。超聲測厚技術以檢測速度快、靈敏度高、操作方便等優點，成為石油化工行業最主要的腐蝕檢測手段[4]。現代電子檢測技術應用于超聲檢測中，無論是檢測精度、檢測速度，還是檢測范圍和檢測效率都有了很大的提高。因此，超聲波檢測技術無論在國內還是國外都是無損檢測技術中使用頻率最高、范圍最廣、發展最快、應用前景最廣泛的。

本文基于超聲波脈沖反射法測厚原理提出管道在線腐蝕檢測方法，論述在線腐蝕檢測系統的工作

原理，同時對超聲波腐蝕檢測硬件系統的發射電路、程控放大電路進行具體說明，并采用超聲波腐蝕定點測厚檢測設備對CSK-1檢測試件進行實際測量。

1 超聲波腐蝕檢測原理

1.1 超聲波脈沖反射法測厚原理

超聲波脈沖反射法測厚是一種常規的無損檢測方法，通過超聲換能器把超聲波打入工件內，超聲波在工件表面和底面反射、折射、散射的信號會通過超聲波接收換能器接收，由于聲學特征及探測距離的原因，回波信號會產生一定的衰減現象。經過超聲波接收電路的處理，就能獲得有關材料厚度變化的信息。超聲波脈沖反射法測厚原理示意圖如圖1所示。

圖1 超聲波脈沖反射法測厚的基本原理

1.2 測厚的分類及測厚點的選擇

根據所測量的管壁的溫度將測厚分為普通溫度測厚和特殊溫度測厚兩類。普通溫度范圍是0～50℃，溫度超過50℃時，稱為特殊溫度。測厚技術整體上有兩種方式，其一為人工巡查方式，其二為超聲波定點測厚。定點測厚又有3種方式，即檢修期定點測厚、定期定點測厚以及在線實時測厚[5]。其中在線定點測厚方法能夠滿足管道腐蝕超聲波在線檢測的要求。

在煉化企業的管道，流體流過彎頭、三通和管道變徑處，流體的流速會顯著變化，高速流體中夾雜的氣泡和微小顆粒不斷沖擊金屬表面，在管壁特殊部位腐蝕速度比普通部位要快。所以在線定點測厚的位置通常要選擇在這些易發生泄漏的位置即特殊管段部位。

1.3 超聲波在線檢測系統工作原理

超聲波定點測厚是腐蝕在線檢測的一種有效輔助手段，通過定期或連續的超聲定點測厚達到管道關鍵部位腐蝕監測的目的。系統工作示意圖如圖2所示。

管道在線超聲波腐蝕監測系統把管道內外壁的腐蝕信息以超聲回波形式體現出來。超聲回波經過程控放大電路、A/D轉換電路以及通信電路最終送到PC進行顯示處理。管道在線超聲波檢測是通過超聲波對管道壁進行掃描檢測，接收到管道壁的回波信號，記錄由于管道壁破損、腐蝕引起的幾何形狀變化從而引起的超聲波回波幅度和傳播時間兩個參數的變化，獲取管道壁的聲阻抗信息，從而檢測出管道壁破損情況。由于接收到的回波信號反映管道腐蝕程度和腐蝕速率。所以，對管道腐蝕情況的檢測可以實現兩方面的功能：一是評定管道高風險部位是否存在腐蝕；二是通過對腐蝕缺陷部位的檢測，管理管道的薄弱環節的厚度變化，降低管道破損情況發生的概率。

圖2 檢測系統工作示意圖

2 硬件方案

2.1 系統總體結構

硬件系統總體結構如圖3所示。

圖3 系統總體結構框圖

系統電路的整個工作流程是：高壓模塊為發射電路提供高壓電源，單片機定時發送脈沖信號，經過驅動電路，控制發射電路中場效應管的關斷，進而產生高壓負脈沖信號。高壓負脈沖信號是激發超聲探頭的必要條件，對超聲探頭進行激勵，產生自由衰減的超聲回波信號。為了防止高壓信號進入后續電路，在程控放大之前需加入限幅電路進行限幅，限幅電路可以有效地防止發射電路中的高壓脈沖對后級電路的破壞性影響。超聲回波信號通過限幅電路之后，輸入到放大濾波電路進行后續處理；然后將回波信號經過A/D處理。通信電路可以實時地將超聲數據發送至上位機。

2.2 發射電路

發射電路主要由場效應管、場效應管驅動器、阻尼電阻、高壓模塊、高壓充電電容等組成。通過各部分的協調工作，產生超聲激勵脈沖。超聲發射電路的實際電路圖如圖4所示，“開關信號”為單片機的控制信號，當該信號為低電平的時候，場效應管Q2截止，Q1導通，此時，高壓模塊產生的600 V高壓電平可以對高壓電容C3進行充電，直至電容C3兩端的電壓為600V。反之，當“開關信號”為高電平時，場效應管Q2導通，Q1截止，由于電容兩端的電壓不能突變，故電容C3的另一端會形成-600 V的高壓，并通過后續電路進行放電，發射電路將產生一個高壓負脈沖信號，高壓負脈沖信號加在超聲波探頭的兩端就能激發出中心頻率為2.5MHz的超聲波。

2.3 程控放大電路

2.3.1 可變增益放大電路

超聲波在介質中傳播時會造成能量的損失，其損失程度會隨著深度的增加而增大，尤其是在高頻率的超聲波發射環境下，能量的衰減會特別嚴重。因此采用可變增益放大的方式，可以解決深度的增加帶來能量衰減問題，從而有效處理回波信號[6]。本設計中，采用了可變增益放大電路的設計方案，實現了對增益的補償。

AD604是增益可調的運算放大器，其典型的供電電壓選用±5 V，單位增益帶寬為40 MHz[7]。回波信號進入1通道的主放大器之前，由PAI管腳進入AD604的第1通道的前置放大器，固定放大14 dB，信號進入2通道的主放大器之前，增益放大倍數可以通過VGN1進行調節，2通道是通過VGN2連接增益控制電路進行調節，信號最終從15管腳輸出[8]。此設計放大的最大增益數為82dB左右，可調節的范圍為14～82dB，該范圍可以滿足程控放大的技術要求。

圖4 超聲發射電路圖

2.3.2 增益調節電路

增益調節電路的核心芯片采用高速數模轉換器完成，實際設計中，選用AD9708芯片，該芯片為8位的DA變換器，其轉換速率為125M/s，可以通過3.3V或者5V供電。可變增益放大電路圖如圖5所示。

單片機控制AD9708完成系統的程控放大過程，AD9708是電流輸出型數模轉換器，但是可變增益放大器的增益控制端需電壓輸入，故實際設計時，在其IOUT引腳處，對地接有合適的電阻，從而完成電流-電壓的轉換。若回波信號的幅值小于設定的閾值時，為了控制放大器的增益，單片機控制

D/A變換器輸出線性增長的電壓信號，直至經過放大器的回波信號幅度滿足采集要求。增益控制電路如圖6所示。

圖5 可變增益放大電路圖

圖6 增益調節電路

在增益調節電路中，首先需要對AD9708的參考電流進行設置。

輸出電流滿量程的值為

輸出電流值的范圍

式中：DACCODE——D/A數值輸入量。

輸出電壓的最大電壓值為

式中：RLOAD——用于電流轉換成電壓的外接電阻。

AD604的VREF引腳接2.5V時，即對應于20dB/V的增益檔而言，VGAN增益電壓的范圍為0.2～1.2V。為了使得AD9708的輸出電壓范圍與可變增益放大器的VGAN輸入端電壓匹配，而AD9708中IOUTA外接電阻為50Ω，故需要單片機控制AD9708輸出電流范圍為4～24mA[9]。實際應用中，單片機中的數字量取值范圍為60～255。電流分辨力為0.075mA，電壓分辨力為3.75mV。

2.3.3 增益控制程序流程圖

為了管道超聲檢測設備具有較大的檢測范圍，采用增益控制方式來滿足對不同厚度的檢測要求，增益控制程序流程圖如圖7所示。

圖7 增益控制程序流程圖

通過在AD9708中寫入數據，輸出線性增長電壓信號，完成對可變增益放大器的增益調節。

3 實驗與結果分析

通常在煉化企業進行現場檢測時，使用超聲波

定點測厚的手段，定期或連續檢測管道壁厚度的變化，為了證明超聲波定點測厚是管道腐蝕檢測的有效手段，能夠對管壁的腐蝕速率進行判定，為生產管理提供安全依據。同時驗證超聲波腐蝕檢測系統的性能，更直觀地說明現場檢測的可行性，選用國家頒布的標準檢測試塊CSK-1試件進行實際測試實驗。試件寬度為100mm，在半圓處的寬度為91mm，選擇厚度變化比較大的兩個位置模擬厚度變化時檢測設備的可使用性。已知在這種試塊中，超聲波的聲速是5900m/s。通過檢測厚度與試塊的已知厚度進行比較，從而判定檢測系統的性能。回波信號波形圖如圖8、圖9所示。

圖8 91mm厚度回波信號波形圖

圖9 100mm厚度回波信號波形圖

測量厚度的計算公式為

式中：V——超聲波在試塊中的傳播速度；

T——頭波與一次回波之間的時間間隔；

L——實際檢測的厚度。

表1 CSK-1厚度檢測結果

由式（5）對回波信號計算，結果如表1所示。

實驗結果表明：由于存在讀數的人為誤差、測試設備自有誤差等原因，測量誤差存在一定的差別，但基本達到誤差率3%的設計要求，雖然對厚鋼板進行的檢測實驗，但對管道腐蝕超聲波檢測系統具有一定的通用性。可應用于超聲波定點測厚、定期或連續檢測管道壁厚度的變化，通過厚度變化判斷管壁腐蝕狀況。

4 結束語

對管道腐蝕超聲波在線檢測系統的電路進行詳細的分析，經過實驗驗證，高壓負脈沖信號有效激勵了超聲換能器，得到的回波信號通過程控放大等信號處理環節后，能夠比較準確地反映出管道的腐蝕情況，實現了管道腐蝕超聲波在線檢測的目的。

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On-line ultrasonic detecting technology for pipe-line corrosion

YANG Li-jian，WANG Jian，GAO Song-wei
（School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

This paper puts forward an online method for detecting pipeline corrosion.On the basis of the detection principle of ultrasonic pulse reflection method and the ultrasonic propagation characteristics of the medium， the paper investigated the ultrasonic transmitting circuit，programmable amplifying circuit and data acquisition circuit of the system.The experimental results show that the ultrasonic probe can be effectively excited by the pulse waveform signal generated by the transmitting circuit，and programmable amplification circuit solved the problem of echo signal energy attenuation due to the depth increased.The obtained signal met technical requirements.The system fulfills the needs of the pipe-line corrosion monitoring，and has a good application value.

corrosion detection；ultrasonic inspection；high negative pulse；VGA；gain control

TG115.285；TG111；TG172；TB302

：A

：1674-5124（2014）01-0088-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.023

2012-12-11；

：2013-02-03

國家自然科學基金項目（60927004、61141004）十二五國家科技部支撐計劃項目（2011BAK06B01-03）

楊理踐（1957-），男，湖南長沙市人，教授，博士生導師，主要從事管道檢測及無損檢測技術等方面的研究。