具有校正功能的超聲波管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張榮海，廖俊必，徐濤

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065）

具有校正功能的超聲波管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張榮海，廖俊必，徐濤

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065）

針對(duì)油氣管道因腐蝕引起的管壁減薄的現(xiàn)象，研究了超聲波腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道腐蝕的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。基于超聲波脈沖反射法原理，提出了具有校正功能的測(cè)厚方法，給出了超聲波腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)引入與管道相同材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)厚度試塊，對(duì)管道與標(biāo)準(zhǔn)厚度塊的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行采樣，用無線傳輸模塊將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行分析處理，得出管道的厚度。

超聲波測(cè)厚；腐蝕監(jiān)測(cè)；校正；采樣

油氣的儲(chǔ)存運(yùn)輸中，因?yàn)楣艿栏g因素所造成的事故非常多，加上我國(guó)正處于石油天然氣開采的高速發(fā)展階段，因此對(duì)管道腐蝕的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)顯得極為重要［1］。腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)目前采用的主要方法有：掛片法、電阻探針法、電化學(xué)法、磁感法、超聲波法，渦流法等。與其它技術(shù)相比超聲波法以其檢測(cè)速度快、可靠、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)成為石化行業(yè)的主要腐蝕檢測(cè)手段［2］。

傳統(tǒng)超聲波腐蝕檢測(cè)技術(shù)是用超聲波測(cè)厚儀對(duì)管道待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量位置較為靈活，缺點(diǎn)是對(duì)于埋地或有保護(hù)層的管道測(cè)量不便，耗費(fèi)人力較大［1］。相對(duì)于超聲波檢測(cè)，超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)管道上容易發(fā)生泄漏的位置進(jìn)行長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，而超聲波監(jiān)測(cè)由于不能及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使得其受溫度變化、電路漂移等因素影響較大。為解決超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題，文中提出一種帶校正功能的超聲波管道在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)的工作原理，同時(shí)對(duì)信號(hào)采集電路進(jìn)行具體說明，并進(jìn)一步對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。

1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

1.1超聲波脈沖反射法原理

超聲波脈沖反射法測(cè)厚是一種比較常用的方法，通過超聲探頭將超聲波注入待測(cè)物內(nèi)，超聲波信號(hào)在待測(cè)物表面和底面的反射、散射、折射的信號(hào)通過探頭接收。由于聲學(xué)特征接收到的信號(hào)會(huì)有一定的衰減［3］。探頭接收到的回波信號(hào)包含有待測(cè)物體的厚度信息，超聲波脈沖反射法的原理如圖1所示：

圖1　超聲波脈沖反射法原理

1.2具有校正功能的超聲波腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

超聲波腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用來監(jiān)測(cè)油氣管道的焊縫、彎頭、三通、變徑等腐蝕較嚴(yán)重容易發(fā)生泄露部位。對(duì)管道指定部位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，監(jiān)控管道腐蝕狀況。系統(tǒng)將管壁和標(biāo)準(zhǔn)塊的超聲回波信息用監(jiān)測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。超聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示:

圖2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)是在已知聲速的情況下，通過測(cè)量一次回波與二次回波間的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)而得出待測(cè)物體的厚度，厚度的計(jì)算公式為：

式中：d：檢測(cè)得到的厚度；V：超聲波在待測(cè)物中的傳播速度；T：超聲波一次回波與二次回波間的時(shí)間差。

本系統(tǒng)測(cè)量管壁厚度的方法與傳統(tǒng)超聲波測(cè)厚方法不同之處在于不需計(jì)算一次回波與二次回波間的時(shí)間差，只需求出標(biāo)準(zhǔn)厚度塊與管道的超聲波一次回波與二次回波間的采樣個(gè)數(shù)，進(jìn)行比較即可得出管道的壁厚，該測(cè)厚方法與傳統(tǒng)方法相比，減小了溫度變化、電路漂移等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，結(jié)果更準(zhǔn)確。厚度的計(jì)算公式為：

式中：D管：管道壁厚；D標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)塊厚度；N管：管道一次回波與二次回波間采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；N標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)塊一次回波與二次回波間采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2　實(shí)現(xiàn)方案

2.1總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，單片機(jī)采用速度較快的STC12C5A60S2。由于超聲波發(fā)射電路需要高電壓脈沖達(dá)到150V，所以選用繼電器作為切換開關(guān)，再通過譯碼器實(shí)現(xiàn)各路之間輪換開通。發(fā)射電路發(fā)出一個(gè)高壓負(fù)脈沖，對(duì)超聲波探頭進(jìn)行激勵(lì)，產(chǎn)生超聲波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)過放大濾波后，經(jīng)A/D采樣并存儲(chǔ)在緩存中，再由GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將采樣數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。每路完成發(fā)射、接收、采樣和數(shù)據(jù)傳輸后，模擬開關(guān)切換至下一路，直至完成所有點(diǎn)的測(cè)量任務(wù)。上位機(jī)通過分析的采樣數(shù)據(jù)，可以得出各點(diǎn)的壁厚，回放采樣的波形，同時(shí)對(duì)管道長(zhǎng)期厚度數(shù)據(jù)分析進(jìn)而得出管道的腐蝕趨勢(shì)為腐蝕防護(hù)工作提供依據(jù)。

2.2發(fā)射電路

發(fā)射電路如圖4所示，74HC14是六路施密特反相器，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)是將U0的反相輸出端經(jīng)RC積分電路接回輸入端，組成施密特觸發(fā)器。因?yàn)殡娙莸某跏茧妷菏橇悖?dāng)接通電源后電容C1便一遍一遍的充放電不停地震蕩。在電路中通過調(diào)節(jié)電阻VR1的大小，可以改變振蕩周期。經(jīng)過自激震蕩產(chǎn)生的方波脈沖，在經(jīng)過U1的反相放大后從輸出端輸出。電感L1的電流隨著輸入電壓的增加，不斷地儲(chǔ)能，周而復(fù)返，形成交變電流。利用二極管的單向?qū)щ娦裕逊较蚪惶孀兓慕涣麟娮儞Q成單一方向的脈動(dòng)直流電。采用單片機(jī)經(jīng)過U2的反相控制Q2的導(dǎo)通和閉合，從而控制發(fā)射電路向超聲波探頭施加高電壓的脈沖信號(hào)。電容C2用來儲(chǔ)能，電感L2兩端連接超聲波探頭的兩端，可以使電壓進(jìn)一步變大，增加脈沖的幅值［4］。實(shí)驗(yàn)得出該電路可產(chǎn)生約150V高壓。

圖3　總體結(jié)構(gòu)

圖4　發(fā)射電路

2.3信號(hào)采集電路

2.3.1信號(hào)采集電路原理

超聲波探頭選用5 MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理采樣頻率至少為信號(hào)頻率2倍。為保證系統(tǒng)的精度，采樣頻率設(shè)計(jì)為50 MHz。單片機(jī)的P3.4腳通過與門與外部時(shí)鐘相連，這樣單片機(jī)就可以控制A/D的采樣。當(dāng)單片機(jī)P3.4引腳為高電平時(shí)進(jìn)行采樣，當(dāng)P3.4引腳為低電平時(shí)A/D的CLK端沒有脈沖，采樣停止。采用這種方式A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號(hào)可同步存入FIFO中，不受單片機(jī)速度影響［5］。若A/D的采樣時(shí)序與FIFO的存儲(chǔ)時(shí)序相反只需在FIFO的LDCK前加一反相器即可。信號(hào)采集原理如圖5所示。

圖5　信號(hào)采集原理圖

2.3.2主要芯片介紹

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用TI公司的ADS831與SN74ACT-7808芯片。ADS831是一種高速8位CMOS工藝的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。該芯片采用單一+5V供電，內(nèi)部帶有取樣保持電路。與早期的ADC芯片相比，ADS831采用流水線結(jié)構(gòu)，因而具有極高的采樣速率和轉(zhuǎn)換速度、采樣速率可高達(dá)80 MHz。SN74ACT7808是2 048字節(jié)9位可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出異步讀寫操作的雙端口存儲(chǔ)器，其存取速度可以達(dá)到15 ns。提供“空”（EMPTY）、“滿”（FULL）、“半滿”（HF）、以及可編程控制的“幾乎空與幾乎滿”（AF/AE）等狀標(biāo)志。ADS831與SN74ACT7808的引腳圖如圖6所示，（a）為ADS831，（b）為SN74ACT7808。

圖6ADS831和SN74ACT7808

2.3.3信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

采用ADS831、SN74ACT7808、SN74LVC1G08、50 MHz有源晶振等器件，搭建信號(hào)采集電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲波回波信號(hào)的高速采集。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出超聲波激勵(lì)信號(hào)的同時(shí)，P3.4引腳置為高電平，打開與門開始采樣，待到FIFO存滿時(shí)將P3.4置為低電平，關(guān)閉與門停止采樣。這樣經(jīng)過放大濾波后的超聲波回波信號(hào)被存入FIFO中。再通過單片機(jī)P1口將存入FIFO的數(shù)據(jù)讀出。信號(hào)采集電路如圖7所示。

圖7　信號(hào)采集電路

3　實(shí)驗(yàn)與分析

通常在油氣管道的腐蝕監(jiān)測(cè)中需要長(zhǎng)期對(duì)管道壁厚進(jìn)行測(cè)量，為了驗(yàn)證超聲波腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建測(cè)試平臺(tái)長(zhǎng)期測(cè)量。使用標(biāo)準(zhǔn)厚度的鋼制工件進(jìn)行試驗(yàn)，選擇10 mm厚工件作為標(biāo)準(zhǔn)塊，厚度為4 mm、8 mm、15 mm、20 mm、35 mm的工件作為待測(cè)工件，通過測(cè)得厚度與已知厚度進(jìn)行對(duì)比從而得出檢測(cè)系統(tǒng)的性能。工件的厚度計(jì)算方法是通過測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)塊和工件中超聲波一次回波與二次回波間的采樣點(diǎn)數(shù)，根據(jù)公式2計(jì)算得出。試驗(yàn)與分析結(jié)果如表1所示。

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

測(cè)量結(jié)果表明：測(cè)量誤差在±3%以內(nèi)，能夠滿足使用要求。雖然試驗(yàn)是針對(duì)一定厚度鋼制工件，但是對(duì)管道腐蝕系統(tǒng)具有通用性，可用于油氣管道腐蝕的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。

4　結(jié)束語

文中研究了具有校正功能的超聲波管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度試塊和管道的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行高速采樣，使用上文提出的計(jì)算方法，計(jì)算出管道的當(dāng)前壁厚。較好的克服了溫度變化、電路漂移等因素對(duì)超聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響。利用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，可對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)管道腐蝕情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

［1］王文明，王曉華，張仕民，等.長(zhǎng)輸管道超聲波內(nèi)檢測(cè)現(xiàn)狀［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，33（1）:5-9.

［2］丁守寶，葉宇峰，夏立.高溫管道腐蝕在線監(jiān)測(cè)［J］.無損檢測(cè)，2011，33（11）:46-51.

［3］楊理踐，王健，高松巍.管道腐蝕超聲波在線檢測(cè)技術(shù)［J］.中國(guó)測(cè)試，2014，40（1）:88-92.

［4］王占元.基于單片機(jī)的便攜式超聲波測(cè)厚儀的研制［D］.北京：北京化工大學(xué)，2008.

［5］石磊，賀定球，王利猛.一種基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電測(cè)與表，2005，42（469）53-54.

［6］趙沖.基于超聲技術(shù)的海底管道檢測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2010.

Ultrasonic pipeline corrosion monitoring system with function of calibration and compensation

ZHANG Rong-hai，LIAO Jun-bi，XU Tao
（School of Manufacturing Sci.and Eng.，Si Chuan Univ.，Chengdu 610065，China）

In term of the thinning phenomenon of oil and gas pipelines wall due to the corrosion，to realize the long time monitoring for the pipeline corrosion，the system of ultrasonic corrosion monitoring was studied.Based on the principle of ultrasonic thickness measurement，the method of thickness measurement with function of calibration and compensation was proposed，and the concrete design plan of ultrasonic pipeline corrosion monitoring system was given.The standard thickness briquette having same material with the pipelines was bring in this system.Sample to the standard thickness briquette and the pipelines'signal of ultrasonic echo，the sampling data will send to the upper computer by wireless transmission module for processing analysis，then get the current thickness of the pipelines.

ultrasonic thickness measurement；corrosion monitoring；calibration and compensation；sampling

TN911

B

1674－6236（2016）17-0119-03

2015-09-06稿件編號(hào)：201509042

張榮海（1988—），男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：石化行業(yè)腐蝕監(jiān)測(cè)。