管道的在線監測型自校正超聲波測厚技術

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(1.四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065； 2.中石油 西南油氣田分公司 安全環保與技術監督研究院，成都 610041)

管道的在線監測型自校正超聲波測厚技術

羅建1，甘芳吉1，張軼茗2，廖俊必1，王少純1

(1.四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065； 2.中石油 西南油氣田分公司 安全環保與技術監督研究院，成都 610041)

提出了一種具有自校正功能的超聲波測厚技術，該技術可以有效消除溫度變化等對聲速的影響，還可用于在線監測油氣金屬管道腐蝕情況等。利用快速傅里葉變換濾除了自校正超聲波中的干擾雜波，然后選取回波信號的多個極值點來準確計算管道的厚度。結果表明，該自校正超聲波測厚技術具有良好的檢測精度和穩定性。

超聲波檢測；自校正；多極值點；監測

油氣管道的腐蝕嚴重影響著石化企業的安全生產，及時有效地監測因腐蝕引起的管道壁厚減薄程度,可以及時地對管道進行維護，延長其使用壽命，同時大幅減少因管道腐蝕而發生的安全事故，降低不必要的經濟損失[1]。目前石化企業普遍采用超聲波檢測技術定期對油氣管線進行壁厚檢測,然而由于超聲波聲速極易受溫度的影響，在測量之前都需要進行聲速校正，因此目前超聲波測厚技術一般只用于離線檢測，很少用于監測領域[2-3]。根據文獻[4]中測得的聲速與溫度的關系曲線可知，以10 mm厚的被測物為例，可以估算出溫度從-20 ℃變化到120 ℃，僅聲速的誤差就帶來約0.8 mm的測量誤差，而石化行業要求將金屬管道的年腐蝕速率控制在0.076 mm以內。因此，如果利用超聲波測厚技術在線監測金屬管道的腐蝕情況，必須消除溫度變化等對超聲波聲速的影響，否則無法滿足檢測精度的要求。

圖1為四川東北某氣田的一套在線監測型超聲波測厚系統在連續1 200 h內測量得到的管道壁厚曲線。由圖1可知，該監測數據出現了極大的波動。而隨著完整性管理概念的深入，離線檢測技術已不能滿足石化企業的需求，而對在線監測技術提出了更多的要求，例如場指紋金屬管道內的腐蝕在線監測技術[5-7]等,但是這些技術的價格十分高昂，大多數企業都不能接受。因此，筆者提出了一種可用于在線監測、具有自校正功能的超聲波測厚技術。

圖1 四川東北某氣田超聲波在線監測數據

1 超聲波測厚的基本原理

傳統的超聲波測厚原理非常簡單，即將超聲波探頭耦合在被測件表面，超聲波探頭激發出的超聲波波束一部分經被測件表面反射回到超聲波探頭，另一部分超聲波透射進入被測件，當超聲波碰到被測件底部時發生反射，反射的超聲波最終也進入超聲波探頭。通過測量計算出兩次反射信號之間的時間差t，再根據超聲波的聲速v，即可計算出被測件的厚度d為：

超聲波在不同材料中的傳播速度有很大的差異性，而且受溫度的影響也非常大，因此傳統的超聲波測厚技術在每次測量之前都必須進行校準，且只能用于離線檢測，而不能用于在線監測。為了能將超聲波測厚技術用于在線監測，提出的自校正超聲波測厚的原理示意如圖2所示。

圖2 自校正超聲波測厚原理示意

在圖2中，筆者創新性地在超聲波探頭與被測件之間引入了一個校正塊，該校正塊的材料與被測件的材料一致。超聲波壓電片激發產生的超聲波一部分首先在校正塊的上表面發生反射，一部分超聲波透射進入校正塊。當其傳播至校正塊的底表面時，一部分超聲波會發生反射并最終被超聲波壓電片所接收；另一部分會透射進入被測件，最終被測件底部反射的超聲波回波信號會被超聲波探頭接收。將超聲波在校正塊中的飛躍時間(Time of Flight，TOF)設為t1，將超聲波在校正塊和被測件中的飛躍時間設為t2，而校正塊是精確加工的，長度L1是已知量，則被測件的厚度L2可以通過式(2)計算得到。

由式(2)可知，自校正超聲波測厚不再需要將超聲波的速度納入計算，而只需要準確測量出超聲波在校正塊和被測件中的飛躍時間即可，達到了自校正的功能。

2 回波信號的干擾分析

超聲波壓電片激發出的超聲波是一個波束，該波束包含有許多不同散射角的超聲波，而測厚所需的是垂直于被測件的超聲波波束，其他與軸線有夾角的超聲波屬于干擾波束。對于傳統的超聲波測厚技術而言，由于激發出的超聲波波束是直接透射進入被測件的，而被測件的寬度尺寸比較大，因此干擾波束在被測件底表面的反射波一般不會反射進入超聲波壓電片而形成干擾信號。但是對于自校正超聲波測厚系統而言，由于校正塊的尺寸限制，超聲波壓電片產生的干擾波會在校正塊中多次反射之后被壓電片所接收，進而產生干擾信號。但是由于干擾波的反射路徑大于垂直波束的傳播路徑，因此一般校正塊的上表面和下表面回波信號中夾雜的干擾波較少，但是被測件的底表面回波信號中會夾雜一定數量的干擾波，其示意見圖3。

圖3 自校正超聲波系統里的干擾波示意

另外，超聲波壓電片的工作原理在于當電壓作用于壓電陶瓷時，壓電陶瓷片就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形。由機械振動理論可知，一個系統的動態響應是其若干階模態振型的疊加，即一個超聲波壓電片將會產生多種不同頻率的振動，進而激發出多種不同頻率的超聲波。但是如果假定在某個頻帶內只有一個模態是重要的,那么該模態的參數可以單獨確定，這種模態參數識別方法叫做單自由度法[8]。在給定的頻帶范圍內,超聲波壓電片的動態特性的頻域表達式[9]近似為

式中：Qr為模態比例換算因子；{ψ}r為模態振型向量；λr為極點；U、R、L等為模態參與因子。

由此可以看出，超聲波壓電片會激勵出不同頻率的超聲波，只有一種頻率的超聲波是主要的，其他頻率的超聲波是次要的，但是仍然會對測量形成干擾。

圖4為自校正超聲波系統對同一被測件的連續兩次采樣得到的波形(波包A為校正塊上表面回波，B為校正塊下表面回波，C為被測件下表面回波)。圖5為采用包絡算法[10]計算得到的兩次采樣波形的包絡線。由圖5可以看出，兩次采樣校正塊的上下兩表面反射信號的包絡線有很高的相關性[11]，但是被測件下表面的兩次反射波的包絡線則有很大的差異性。正如前文所述，校正塊的上表面和下表面的回波信號中夾雜的干擾波較少，然而被測件底表面的回波信號中會夾雜一定數量的干擾

圖4 自校正超聲波對同一被測件的連續兩次采樣波形

圖5 采用包絡算法計算得到的兩次采樣波形的包絡線

波，因此圖5中被測件的底表面回波信號發生了畸變，相對于校正塊的底表面回波信號而言變化了1/4個周期，如果超聲波的頻率為5 MHz，按照超聲波在鋼鐵中5 900 m·s-1的速度計算，則兩次計算出的厚度相差0.33 mm,誤差是非常大的。

3 回波信號的處理

前面提到了自校正超聲波系統中存在較大的干擾而會給測量結果帶來較大誤差的問題，因此必須采用合理有效的方式對其回波信號進行處理。目前使用比較成熟的有門檻法、包絡求極值點法、互相關分析法等。門檻法簡單、易操作，但由于不同的被測對象會對波形幅值造成不同程度的衰減，以及造成門檻閾值設置不準確，使得測量精度不高[12]。包絡求極值點法較門檻法來說運算量大，受波形幅值影響較小，精度較高。但如圖5所示，超聲波夾雜的噪聲信號會造成包絡的極值點的位置出現較大的波動，嚴重影響檢測精度。而互相關分析法進行一次相關運算需要進行N2次乘法運算和N(N-1)次加法運算[13],運算量相當大，微處理芯片實現起來比較困難，在現場以及手持終端上不易實現。

為了利用微處理芯片準確識別出超聲波在校正塊和被測件中的飛躍時間，開發出了便于現場使用的手持設備等。首先，需要采用合理的濾波方式去除掉自校正超聲波系統中的干擾雜波；然后，再利用運算量偏少的處理方式計算出最終的厚度。因此，提出了一種利用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)對回波信號進行頻譜分析的算法，其剔除主頻率超聲波以外的干擾超聲波，再利用反快速傅里葉變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)將濾波后的頻譜圖還原成回波信號，最后通過尋找幾個波包中的數個極值點來求解飛躍時間。

圖6 自校正超聲波系統底表面回波信號

圖6為自校正超聲波系統校正塊的底表面回波和被測件的底表面回波信號，理論上這兩次回波信號應該有極高的相關性。但是從圖6可以看出，校正塊的底表面回波信號的A點和C點之間的1/2個周期所對應的被測件的底表面回波信號在B點發生了畸變，將1/2個周期的信號變成了一個近似于一個周期的信號(該周期信號的中心點位置不為零)，相當于超聲波的頻率增加了近一倍。利用FFT對該信號進行頻譜分析(見圖7)，由圖7可知，該回波信號包含了以3.5 MHz和6.0 MHz為中心頻率的兩個主要頻率段，而該自校正超聲波系統壓電片所激發的超聲波的主頻率為3.5 MHz，因此6.0 MHz頻率段的超聲波即是壓電片另一種振動模態所激發出的超聲波。濾除掉除3.5 MHz之外頻率段的干擾波之后，再利用IFFT變換得到的波形如圖8所示，利用IFFT變換得到波形的極值點如圖9所示，可以看出濾波之后的校正塊底表面的回波和被測件的底表面回波變得非常平整光滑，且具有很好的相關性。

由此可見，利用FFT對自校正超聲波的原始波形進行處理，可以有效濾掉除了壓電片超聲的主頻率超聲波以外的干擾雜波。而干擾雜波對回波信號最大的影響在于會引起波形的畸變，從而破壞掉幾個表面回波的相關性。而自校正超聲波的核心是要準確測量出幾個表面回波之間的時間差，如果幾個表面回波的相關性差，則會對時間差的判斷引入較大的誤差。而濾除掉干擾雜波之后，幾個表面回波的相關性即可得到保證，因此可以選取表面回波的幾個極值點依次對應的時間差的平均值作為最終的時間差值，而這個算法在電路微處理器中是非常容易且快速實現的。

圖7 自校正超聲波回波信號頻譜

圖8 IFFT變換得到的波形

圖9 IFFT變換得到波形的極值點

4 試驗驗證

試驗的主要目的是為了驗證自校正超聲波的穩定性和準確性，而溫度是影響超聲波檢測的重要因素，因此可通過試驗驗證傳統超聲波和自校正超聲波在不同溫度下對相同被測件的測量情況。另外筆者還將討論課題組安裝在四川東北某氣田站間管道監測井內，用于在線監測天然氣運輸管道壁厚的自校正超聲波的監測結果。

圖10 自校正超聲波抗溫度變化試驗系統外觀

圖10為自校正超聲波抗溫度變化試驗系統外觀，將自校正超聲波探頭和被測件(金屬階梯板，共有5個不同的厚度，分別為8.08，9.06，10.04，10.98，11.88 mm，依次用標號1，2，3，4，5表示)放入恒溫箱中，在一定溫度范圍內測試其抗溫度變化的性能。信號測試儀采用實驗室自行研發的自校正超聲波測試儀，內部的數據處理方式為前文介紹的數據處理方式。同時，采用了普通超聲波探頭在同樣的試驗條件下進行測試(在20.4 ℃時進行了標定，其余測試時間沒有進行標定)。

普通超聲波探頭溫度試驗數據如表1所示，對于傳統超聲波測厚系統而言，隨著被測件溫度的升高，如果在測量前不對探頭進行標定，則其檢測厚度會隨著溫度的升高而增加。在20.4～80.4 ℃溫度范圍內，5號試樣的厚度檢測結果變化了0.46 mm，其他幾個試樣的壁厚檢測值也發生了顯著變化，這也說明了傳統超聲波測厚系統每次測量時都要對探頭進行標定的必要性。

表2為自校正超聲波測厚系統在不同溫度下對金屬階梯板的厚度檢測數據。自校正超聲波探頭的校正塊長度為110 mm。由表2可以看出，在20.3～80.5 ℃的溫度變化范圍內，自校正超聲波測厚系統的測量誤差在±0.02 mm以內，可以很好地滿足大部分工業現場的使用需求。

表1 普通超聲波探頭溫度試驗數據

表2 自校正超聲波測厚系統在不同溫度下對金屬階梯板的厚度檢測數據

另外，課題組研制的自校正超聲波系統于2016年在四川東北某氣田進行了現場試用，該系統安裝于某站間管道監測井內一段原始壁厚為9.92 mm的碳鋼管上。圖11所示為該自校正超聲波探頭近4個月的連續在線監測結果。

圖11 四川東北某氣田管道壁厚自校正超聲波在線監測結果(2016年)

圖12所示為該被測管道的溫度，由于自校正超聲波安裝時被測管道處于關停狀態，沒有通氣，因此管道溫度在前部分時間處于20 ℃以下。在安裝約兩個半月后被測管道開始通氣，因此管道溫度迅速上升到30 ℃以上。由圖11可知，在管道未通氣的期間內，被測管道的壁厚監測值保持了相對穩定的狀態，并伴隨著輕微的減薄，這是因為被測管道內雖然沒有天然氣，但仍有少許水分，因此發生了輕微的腐蝕；但是在通氣之后，被測管道的壁厚監測值發生了相對明顯的下降，這是因為四川東北氣田屬于高含硫氣田，天然氣腐蝕性較強，因此被測管道發生了明顯的加速腐蝕。但是綜合分析圖11和圖12后發現，雖然被測管道的溫度發生了明顯的變化，但并沒有影響自校正超聲波的監測精度，該自校正超聲波真實、準確地監測出了被測管道的壁厚變化情況。

圖12 四川東北某氣田管道溫度監測結果(2016年)

5 結論

超聲波在金屬體內的傳播速度受溫度影響很大，傳統超聲波測厚技術必須實時地對探頭進行標定，因此傳統超聲波測厚技術只能作為離線檢測手段。提出的自校正超聲波測厚系統可以很好地消除因溫度造成的不利影響，而且利用FFT消除干擾雜波之后，再利用多極值點求解厚度可以獲得良好的檢測精度。試驗及工業現場試用表明，提出的自校正超聲波測厚系統具有良好的抗溫度變化的性能，非常適合用于在線監測，具有良好的工業推廣意義。

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UltrasonicThicknessOn-lineMonitoringTechniquewithSelf-CalibrationofPipeline

LUO Jian1, GAN Fangji1, ZHANG Yiming2, LIAO Junbi1, WANG Shaochun1

(1.School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2.Safety, Environment & Technology Supervision Research Institute, Southwest Oil & Gas Company, PetroChina Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

This paper proposed a new ultrasonic thickness measurement technology with self-calibration function which could effectively eliminate the influence of temperature variation on sound velocity so that it could on-line monitor the corrosion condition of metal pipeline of oil and gas. In this paper, the fast Fourier transform (FFT) was used to filter out the interference clutter in the self-calibration ultrasonic wave, and then multi-extrema of the echo signal were selected to calculate the thickness of the measured object. It is proven that the self-calibration ultrasonic thickness measurement technology in this paper has good detection precision and stability.

ultrasonic testing; self-calibration; multi-extremum point;online monitoring

2017-03-29

國家自然科學基金資助項目(61271329)；四川省科技支撐計劃資助項目(2012GZ0094)；中國石油科技創新基金資助項目(2015D-5006-0607)

羅 建(1992-),男，碩士，主要從事精密測量技術的研究

甘芳吉，gfj0318@foxmail.com

10.11973/wsjc201711011

TE973；TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0048-05