專利名稱：天然氣管道裂紋電磁超聲斜向導波檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種利用電磁超聲換能器在天然氣管道壁的斜向方向產生超聲導波檢測管道 壁內任意方向裂紋缺陷的方法，屬于無損檢測領域。
背景技術：
天然氣管道是天然氣資源長距離傳輸的重要工具，保證這些管道的安全、正常運行對于 維護國家能源安全和人們的正常生活至關重要。在長年的運行過程中，由于各種因素的影響， 在天然氣管道的管道壁上會出現包括裂紋在內的各種類型的缺陷，如果任由這些缺陷發展下 去將可能形成天然氣的泄漏，不僅造成巨大的經濟損失，而且會污染周邊環境，甚至發生爆 炸從而嚴重威脅人的生命。因此，對天然氣管道缺陷的早期監控和處理就成為十分重要的課 題，而在線無損檢測技術是達成這一目標的有效手段。天然氣管道大多埋于地下，這種特殊 工況決定了一般使用運行于管道內部且在管內輸送的天然氣壓力的推動下前進并同時完成檢 測的內檢測器進行天然氣管道的缺陷檢測，內檢測器中包含復雜的機械和電子裝置。
目前天然氣管道裂紋缺陷檢測的最佳方案是基于超聲波的檢測方案。傳統的方法是使用 壓電換能器產生超聲體波檢測管道壁上的裂紋缺陷，這種方法的問題是壓電換能器必須要液 體耦合介質的支持才能工作，因而難以應用于天然氣管道的在線檢測。 一種解決方案是使用 電磁超聲換能器產生超聲波，這種換能器的最大優點是不需要液體耦合介質的支持而直接在 被檢測導電材料內部完成電磁能到機械能的轉化產生超聲波，在非鐵磁性導電材料中只依賴 于洛倫茲力效應，在鐵磁材料中一般同時具有洛倫茲力和磁致伸縮效應。此外，在管道缺陷 在線檢測領域，超聲導波因其傳播距離遠和衰減小等優點逐漸獲得越來越多的關注。目前已 有的使用電磁超聲換能器產生超聲導波在線內檢測管道裂紋缺陷的方案中，往往使用嚴格沿 管道周向傳播的超聲導波，這種方案對于沿管道軸向的裂紋具有最好的檢測靈敏度，但是對 周向裂紋和斜向裂紋的檢測無能為力。為解決任意方向裂紋缺陷的檢測問題，有必要探討其 他檢測器設計方案。
實用新型專利"管材電磁超聲探傷裝置"(申請號03214184. X)涉及一種適用于管材缺 陷外檢測的電磁超聲探傷裝置，主要由探傷儀、發射接收器、高頻線圈、電磁鐵及隨動機構 等部分組成。該裝置所使用的電磁超聲換能器基于渦流和磁場力產生超聲波，沒有考慮在鐵 磁性的鋼材料天然氣管道壁內必然存在的磁致伸縮效應的影響。此外，該專利中未對如何產 生超聲波和超聲波的類型做具體描述。

發明內容
本發明的目的在于提供一種利用電磁超聲換能器在天然氣管道壁內產生斜向超聲導波檢測任意方向裂紋缺陷的方法。 本發明的技術方案如下
一種天然氣管道裂紋電磁超聲斜向導波檢測方法，該方法從天然氣管道內部檢測管道壁 內各個方向的裂紋缺陷，其特征在于包括以下步驟
1)將斜向布置在內檢測器上的多個發射電磁超聲換能器單元4a沿管道內壁圓周環狀排
列，形成發射換能器組5;所述的電磁超聲換能器單元由永磁體磁塊1和折線線圈2組成， 分裂式折線線圈放置在永磁體磁塊的N極和S極之間，永磁體磁塊在管道壁內生成平行于折 線線圈導線的恒定偏置磁場；發射電磁超聲換能器單元的線圈導線和恒定偏置磁場與管道軸 向成45°夾角；
2)在所述發射換能器組的兩側分別設置接收換能器組6，接收換能器組由布置在內檢 測器上的多個接收電磁超聲換能器單元4b沿管道內壁圓周環狀排列而成，接收電磁超聲換能 器單元的折線線圈導線和恒定偏置磁場都在管道圓周方向上；
3) 在發射換能器組中的某一個發射電磁超聲換能器單元的折線線圈內通入由連續的若 干個正弦波形構成的脈沖串作為激勵；在交變激勵電流產生的交變磁場和恒定的偏置磁場的 共同作用下，發射電磁超聲換能器單元產生垂直于線圈導線和偏置磁場的沿管道壁斜向傳播 的切變超聲導波；然后各個發射電磁超聲換能器單元間隔1 2 ms依次先后發射斜向超聲導 波，從而覆蓋管道的整個圓周；
4) 發射換能器組中的發射電磁超聲換能器單元的斜向入射超聲導波12與裂紋缺陷作用 后的反射導波13和折射導波14被接收換能器組6接收到；
5) 假設相對于裂紋上導波散射點的入射、反射和折射導波的傳播距離分別為a、 6和c， 入射和折射導波傳播路徑夾角為"，折射和反射導波傳播路徑夾角為y ，反射和入射導波傳 播路徑夾角為;K，三個角度之和為360。；以左側接收換能器組中具有最大響應幅度的接收電 磁超聲換能器單元的位置作為反射導波到達的位置，發射電磁超聲換能器單元到該位置距離 為C;以右側接收換能器組中具有最大響應幅度的接收電磁超聲換能器單元的位置作為折射 導波到達的位置，發射電磁超聲換能器單元到該位置距離為接收到反射和折射導波的兩 個接收電磁超聲換能器單元之間距離為B;根據接收到的導波信號特征的出現時間，測得
a + 6-D和"+ C-五的值；由此建立如下含有六個未知數fl、 6、 C、"、"和/的方程組
<formula>formula see original document page 5</formula>從求解結果得到裂紋缺陷上導波散射點的位置；相鄰的幾個發射電磁超聲換能器單元依 次發射超聲導波并分別和同一個裂紋缺陷io作用，導波散射點的連線決定了裂紋缺陷的具體 位置和開裂方向；
未與裂紋缺陷作用的入射導波從裂紋缺陷兩側傳播過去，與裂紋缺陷有作用的導波發生 反射和折射；從與裂紋有作用的發射電磁超聲換能器單元的位置和數目估算裂紋尺寸；假設 與裂紋缺陷有作用的發射電磁超聲換能器單元的周向覆蓋距離為F，裂紋缺陷與斜向入射導 波傳播方向的夾角為P,則裂紋尺寸的估算值為
6)所有發射電磁超聲換能器發射導波結束并且散射導波被接收換能器組接收后，載有全 部電磁超聲換能器的管道內檢測器沿管道伸展方向前進，在內檢測器上的里程輪的觸發下前 進一個采樣間隔的距離后開始下一次生成導波、檢測裂紋缺陷的過程。
本發明所述折線線圈采用印刷電路板制作的分裂式折線線圈。所采用的若干周期正弦脈 沖串激勵的頻率在70 KHz~l MHz的范圍，正弦周期的數目在8 10之間，幅度在10 A 20 A 之間。折線線圈的周期長度為3.2、5.7 mm，周期數目取2 5，提離值在0 2 mm的范圍內； 偏置磁場的磁感應強度為1~1.5 T。
本發明的突出性的技術效果由于斜向發射超聲導波和采用多個電磁超聲換能器單元組 成換能器組的構建方式，本發明可以完成天然氣管道壁內各個方向裂紋的內部檢測。


圖1為所使用的電磁超聲換能器單元的結構示意圖。 圖2為三分裂式折線線圈的放大圖。
圖3為電磁超聲換能器單元在管道內檢測器上布置的示意圖。 圖4為使用斜向導波定位裂紋缺陷上導波散射點的分析示例。 圖5為使用斜向導波確定裂紋缺陷尺寸的分析示例。
圖中，l一永磁體磁塊；2 —分裂式折線線圈；3—超聲導波傳播方向；4a—發射電磁超聲 換能器單元；4b—接收電磁超聲換能器單元；5 —發射換能器組；6—接收換能器組；7—內檢
測器；8 —軸向裂紋；9一周向裂紋；IO —斜向裂紋；ll一管道壁；12 —入射超聲導波；13 —
反射超聲導波；14一折射超聲導波。
具體實施例方式
本發明中使用基于印刷電路板的三分裂式折線線圈和釹鐵硼永磁體磁塊構成如附圖1所
示的電磁超聲換能器單元，三分裂折線線圈周期數取2 5，對于附圖2中的具體形式，線圈 的周期數為3.5。永磁體提供的恒定偏置磁場在n.5 T的范圍，典型值為l T，其方向平 行于折線線圈的導線方向并且位于管道壁內部，這種配置方式決定了管道壁內的偏置磁場和線圈引發的交變渦流平行，因而不存在洛倫茲力效應，即在非鐵磁導電材料內不會產生超聲 波。對于由鐵磁性的鋼材料構造的天然氣管道壁，該配置方式將在磁致伸縮效應作用下產生 切變超聲波。切變超聲波沿著垂直于線圈導線的方向傳播并為管道壁所限制，最終形成沿管 道壁傳播的超聲導波。換能器單元的折線線圈貼近管道內表面放置并具有彎曲的表面以適合 管道內壁的幾何形狀，線圈提離在0 2 mm之間，典型值為2mm。折線線圈的周期長度一般 在3.2~45.7 mm的范圍，具體取值要滿足匹配要求，即線圈周期D、導波波長/l、導波的相 速度Cp和導波的頻率/應滿足如下關系
"=;i = cP//
電磁超聲換能器單元中通入的激勵信號正弦波形周期數在8 10的范圍，例如取連續的8 個周期的正弦波形組成激勵脈沖串信號。正弦波形頻率在70 kHz lMHz范圍內，取值為250 KHz;對于Cp為3200 m/s的情況，線圈周期"即波長;i為12. 8 mm。脈沖串信號經過漢寧窗 調制以使得信號的頻帶盡可能窄，窄帶信號有助于激發單一模式的超聲導波并且頻散現象不 明顯。激勵電流幅度為10 A 20 A ， 一個典型取值為10 A。
如附圖3所示，發射電磁超聲換能器單元在內檢測器上與管道軸向成45。角沿著斜向布 置，這時發射電磁超聲換能器單元產生的超聲導波也與管道軸向成45。角發射出去，這樣將 對純周向和純軸向的裂紋缺陷具有相似的靈敏度。
單個斜向發射電磁超聲換能器單元產生的超聲導波可以與其傳播路徑上的軸向、周向以 及斜向裂紋缺陷作用，因而具有對幾乎任意方向裂紋缺陷的檢測能力。由于斜向超聲導波與 任意方向裂紋缺陷作用的散射的情況非常復雜，因而采用布置在發射電磁超聲換能器單元沿 軸向兩側的兩個接收換能器組從周向各個位置接收裂紋缺陷的散射導波，從而避免對帶有缺 陷信息的導波信號接收的遺漏。換能器組中換能器單元的數目決定于管道周長和換能器單元 的尺寸。單個發射電磁超聲換能器單元所能覆蓋的范圍有限，因而采用多個斜向布置的發射 電磁超聲換能器單元組成發射換能器組，發射換能器組上的各個換能器單元依次先后發射超 聲導波，其時間間隔為廣2 ms，從而覆蓋管道壁的整個圓周。
對于斜向超聲導波與裂紋缺陷作用的散射點的分析示例在附圖4中給出。發射電磁超聲 換能器單元產生的超聲導波與斜向裂紋作用后產生反射和折射超聲導波。入射導波的傳播距 離為a，反射和折射導波的傳播距離分別為6和c，入射導波和折射導波傳播路徑之間的夾角 為"，折射和反射導波傳播路徑之間的夾角為"，反射和入射導波傳播路徑之間的夾角為y， 三個角度之和為360。 。 a、 6、 c、 a、"和y為6個未知數。以左側接收換能器組中具有 最大響應幅度的接收換能器單元的位置作為反射導波到達的位置，發射電磁超聲換能器單元 到該位置的距離為C ;以右側接收換能器組中具有最大響應幅度的接收換能器單元的位置作 為折射導波到達的位置，發射電磁超聲換能器單元到該位置的距離為^;接收到反射和折射 導波的兩個換能器單元之間距離為S。根據接收導波信號特征的出現時間，a + 6-D和a + c-^的值可以測得。再根據三角形的余弦定理，可以得到如下含有6個未知數"、6、"
"、/ 和r的由6個方程所組成的方程組
J c2 + a2 - 2ac cos ;k = C2 a + 6 = a + c = ￡ a + y5 + ;/ = 360
從求解該方程組得到的結果可以確定裂紋缺陷上導波散射點的位置。相鄰的幾個發射電 磁超聲換能器單元依次發射超聲導波并分別和同一個裂紋缺陷作用，導波散射點的連線決定 了裂紋缺陷的具體位置和開裂方向。
如附圖5所示，未與裂紋缺陷作用的入射導波從裂紋缺陷兩側傳播過去，與裂紋缺陷有 作用的導波發生反射和折射，因而可從發生反射和折射的發射電磁超聲換能器單元的位置和 數目估算裂紋尺寸。假設與裂紋缺陷有作用的發射電磁超聲換能器單元的周向距離為F，裂
紋缺陷和斜向導波傳播方向的夾角為^，則裂紋尺寸的估算值為
所有發射電磁超聲換能器單元都發射導波并且裂紋缺陷的散射導波被兩個接收換能器組
接收后，在當前位置的檢測工作結束，內檢測器繼續前進，在里程輪觸發下前進3cm即一個 采樣間隔的距離后開始下一次導波檢測過程。
如附圖l所示的電磁超聲換能器單元會同時向前、后兩個方向發射超聲導波，為對這兩 個方向的裂紋缺陷作出區分，發射電磁超聲換能器單元與兩個接收換能器組的距離并不相同， 這樣在換能器單元的前、后兩個方向上的等距離等方向的兩個裂紋缺陷將在接收換能器組內 引起不同的響應。
8
權利要求
1. 一種天然氣管道裂紋電磁超聲斜向導波檢測方法，該方法從天然氣管道內部檢測管道壁內各個方向的裂紋缺陷，其特征在于包括以下步驟1)將斜向布置在內檢測器上的多個發射電磁超聲換能器單元(4a)沿管道內壁圓周環狀排列，形成發射換能器組(5)；所述的電磁超聲換能器單元由永磁體磁塊(1)和折線線圈(2)組成，分裂式折線線圈放置在永磁體磁塊的N極和S極之間，永磁體磁塊在管道壁內生成平行于折線線圈導線的恒定偏置磁場；發射電磁超聲換能器單元的線圈導線和恒定偏置磁場與管道軸向成45°夾角；2)在所述發射換能器組的兩側分別設置接收換能器組(6)，接收換能器組由布置在內檢測器上的多個接收電磁超聲換能器單元(4b)沿管道內壁圓周環狀排列而成，接收電磁超聲換能器單元的折線線圈導線和恒定偏置磁場都在管道圓周方向上；3)在發射換能器組中的某一個發射電磁超聲換能器單元的折線線圈內通入由連續的若干個正弦波形構成的脈沖串作為激勵；在交變激勵電流產生的交變磁場和恒定的偏置磁場的共同作用下，發射電磁超聲換能器單元產生垂直于線圈導線和偏置磁場的沿管道壁斜向傳播的切變超聲導波；然后各個發射電磁超聲換能器單元間隔1～2ms依次先后發射斜向超聲導波，從而覆蓋管道的整個圓周；4)發射換能器組中的發射電磁超聲換能器單元的斜向入射超聲導波(12)與裂紋缺陷作用后的反射導波(13)和折射導波(14)被接收換能器組(6)接收到；5)假設相對于裂紋上導波散射點的入射、反射和折射導波的傳播距離分別為a、b和c，入射和折射導波傳播路徑夾角為α，折射和反射導波傳播路徑夾角為β，反射和入射導波傳播路徑夾角為γ，三個角度之和為360°；以左側接收換能器組中具有最大響應幅度的接收電磁超聲換能器單元的位置作為反射導波到達的位置，發射電磁超聲換能器單元到該位置距離為C；以右側接收換能器組中具有最大響應幅度的接收電磁超聲換能器單元的位置作為折射導波到達的位置，發射電磁超聲換能器單元到該位置距離為A；接收到反射和折射導波的兩個接收電磁超聲換能器單元之間距離為B；根據接收到的導波信號特征的出現時間，測得a+b＝D和a+c＝E的值；由此建立如下含有六個未知數a、b、c、α、β和γ的方程組從求解結果得到裂紋缺陷上導波散射點的位置；相鄰的幾個發射電磁超聲換能器單元依次發射超聲導波并分別和同一個裂紋缺陷(10)作用，導波散射點的連線決定了裂紋缺陷的具體位置和開裂方向；未與裂紋缺陷作用的入射導波從裂紋缺陷兩側傳播過去，與裂紋缺陷有作用的導波發生反射和折射；從與裂紋有作用的發射電磁超聲換能器單元的位置和數目估算裂紋尺寸；假設與裂紋缺陷有作用的發射電磁超聲換能器單元的周向覆蓋距離為F，裂紋缺陷與斜向入射導波傳播方向的夾角為θ，則裂紋尺寸的估算值為6)所有發射電磁超聲換能器發射導波結束并且散射導波被接收換能器組接收后，載有全部電磁超聲換能器的管道內檢測器沿管道伸展方向前進，在內檢測器上的里程輪的觸發下前進一個采樣間隔的距離后開始下一次生成導波、檢測裂紋缺陷的過程。
2. 按照權利要求l所述天然氣管道裂紋電磁超聲斜向導波檢測方法，其特征在于，所述 折線線圈采用印刷電路板制作的分裂式折線線圈。
3. 按照權利要求l所述天然氣管道裂紋電磁超聲斜向導波檢測方法，其特征在于，所采 用的若干周期正弦脈沖串激勵的頻率在70 KHz 1 MHz的范圍，正弦周期的數目在8 10之 間，幅度在10 A 20 A之間。
4. 按照權利要求l所述天然氣管道裂紋電磁超聲斜向導波檢測方法，其特征在于，折線 線圈的周期長度為3.2 45.7 ■，周期數目取2 5，提離值在0 2 mm的范圍內；偏置磁場 的磁感應強度為1 1.5 T。
全文摘要
天然氣管道裂紋電磁超聲斜向導波檢測方法，其特征在于電磁超聲換能器單元采用分裂式折線線圈和永磁體磁塊組成。發射電磁超聲換能器單元在管道內檢測器上沿斜向布置，產生的超聲導波對于在其傳播路徑上的各個方向的裂紋都有一定的檢測靈敏度。單個發射電磁超聲換能器單元的斜向超聲導波與裂紋作用后的散射導波被分別安置在發射電磁超聲換能器單元兩側的兩個環狀接收換能器組所接收。多個發射換能器單元布置為環狀的一組，按時間先后依次產生斜向導波從而覆蓋管道壁的整個圓周，根據接收到的導波信號和換能器布置情況確定裂紋缺陷的位置和尺寸。本發明實現了對天然氣管道壁內裂紋的非接觸、無液體耦合檢測，且可用于各種方向的裂紋缺陷。
文檔編號G01N29/04GK101424663SQ20081023892
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月5日 優先權日2008年12月5日
發明者葉朝峰, 珅 王, 董甲瑞, 偉 趙, 郝寬勝, 黃松嶺 申請人:清華大學