超声波智能清管器信号处理技术研究

Research on Technique of Intelligent Ultrasonic Pipeline Pig f or Signal Processing
Sheng Sha1 Dai Bo2 Xie Zurong2 Cao Xiankun1
(1 W uhan U ni versity of Technology , W uhan 430000 ; 2 Depart ment of A utom ation , Beiji ng I nstit ute
图 3 内壁腐蚀超声波反射示意图
图 5 延长的 A —扫描图
图 4 内壁腐蚀 A 扫描示意图
根据以上分析 ,笔者提出了对 A 扫描数据 利用快速傅立叶变换和功率谱密度计算来快速 自动计算出管道壁厚 ,而且做到了实时处理 。
图 6 超声波多次反射示意图
212 实时测厚算法 图 5 所示是在正常的情况下 ,即在没有腐
2 基于快速傅立叶变换及功率谱 密度计算的实时测厚方法
211 反射波分析 用超声波测量壁厚时 ,如果适当延长超声
波回波信号的时域 ,那么就会得到一个有一定 周期的时域图 ,如图 5 所示 。图 6 说明了它形 成的机理 。用 P 表示发射波 , F1 为碰到内壁 时的反射波 ,以 B 1～ B n 表示外壁的多次反射 波 。从中可以看出发射波 P 碰到管道内壁后 , 就分成了两部分 , 一部分变为反射波 F1 , 另一 部分变为 P1 穿过管壁继续向前 , 碰到管道外 壁后变为反射波 B 1 。而 B 1 回去碰到管道内 壁时 ,又会分为两部分 ,一部分向探头方向前进 被探头接收 , 另一部分又产生了反射波 B 2 。 B 2 碰到管道外壁时又会产生反射波 B 3 , 直至 B n ,当然每次反射都会有能量衰减 ,因此看到 的波形就是 (图 5 所示) 逐渐减小的 。观察图 5 会发现反射波振幅减小到很小后 ,会突然升高 很多 。其实这时的反射波已经不是原来的反射 波了 ,它是探头界面对反射波 F1 的反射 , 它的 振幅与发射波 P 具有相近的振幅 ,是因为它与 前一次的反射波发生了叠加 。
图 10 放大之后的图
图 7 原始信号
图 8 傅里叶变换图
图 11 测量点示意图
内 。用 VC + + 编写了快 速傅立叶变换和功率 谱密度计算程序[3 ] ,实现了实时检测 。如果对 时域信号取 1 024 个点 , 运算时间 不 会 超 过 10 ms ;如果采用 DSP ,那么它的运算时间可以 达到 1 ms 以内[4 ] ,这个速度是可以满足当前绝 大多数的工程实践需要 。
表 1 测量结果与实验数据比较 测量序号 卡尺测量/ mm 实验测量/ mm 误差/ mm
1
9199
91982 9
01007 1
2
9199
91982 9
01007 1
3
7199
71991 8
01001 8
4
7197
71991 8
01021 8
5
7198
71991 8
01011 8
6
7199
71991 8
1 长输管道 U T 检测问题分析
U T 清管器进行管道内检测是根据脉冲回 波 A 扫描的 2 个数据点计算壁厚 ,在均匀腐蚀 情况下 ,U T 清管器能够产生正确的结果 ,正确 地计算出管道的残余壁厚 。而在非均匀腐蚀情
收稿日期 :2003210230
况下管道残余壁厚的测量就容易出现误差 ,特 别是对内壁腐蚀 ,当腐蚀面积小于探头面积时 , 就会对多个内壁回波做出错误的解释 。假设探 头面积大于被腐蚀面积 , U T 清管器对内外壁 腐蚀的检测情况分析如下 。 111 外壁腐蚀分析
Ultrasonic Intelligent Pig Performance : Inherent Technical Problems as A Pipeline Inspection Tool Part 1 [J ] . Corrosion Prevention & Control , 1994 ,
3 结论
笔者提出的方法经实验证明是解决智能清 管器测量误差的一种行之有效的方法 。它解决 了内壁腐蚀测量时出现大量误差的问题 ,且测 量精度很高 。对于实时处理速度要求很高的项 目 ,建议采用 DSP 来实现数据的实时处理 。
参考文献
1 Naylor Jon. Advance in pigging technology [ J ] .
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北京石油化工学院学报 2004 年第 12 卷
会得到图 7 所示的图 。如果用 A 、B 两个波峰 之间的时间来计算壁厚 ,就会得到一个错误的 结果 。笔者对 A ———扫描数据用快速傅立叶 变换 ,把它从时域图变换成频率图如图 8 , 由于 壁厚频率是信号中的最主要的频率 ,所以可以 利用功率谱密度计算得到它的壁厚频率 ,如图 9 所示 。图 10 中横坐标显示的就是壁厚频率 的数值 ,根据这个频率数值 ,就可以计算出正确 的壁厚 。
图 1 外壁腐蚀超声波反射示意图
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第 1 期 盛沙等 1 超声波智能清管器信号处理技术研究
管道壁腐蚀缺陷进行了模拟实验 ,结果表明这种方法不仅适用于在线管道壁腐蚀缺陷检测 ,而且能精确测量
壁厚 。
关 键 词 超声波 ; 管道检测 ; 快速傅立叶变换 ; 功率谱密度
中图法分类号 TE93716
油气管道常常被埋于地下或海底 ,由于地 壳运动 、土壤或海水腐蚀冲刷等各种因素的作 用会导致管道出现裂纹 ,厚度变薄 ,严重的会发 生油气泄露 ,不但造成巨大的经济损失 ,而且还 会污染环境 ,因此 ,世界各国都投入了大量人力 和财力进行长输管道在线检测方面的研究 ,并 取得了很大的进展[1 ] 。目前 ,进行在线检测有 多种方法 , 如磁漏法 ( MFL ) 、超声波法 ( U T) 等 。与 MFL 检测相比 ,U T 检测能提供更直接 的 、定量的残余壁厚的检测 ,是对石油管道实施 内检测的一种行之有效的方法 。但工程应用中 却发现超声波智能清管器检测的结果与管道实 际腐蚀情况严重不符 。Prudhoe Bay 油田对 3 条管线在线检测的结果显示 ,在所选择的 100 个检测点中 , U T 清管器均极大程度地夸大了 管道的内腐蚀程度[2 ] 。笔者对此问题发生的 原因进行了较深入的分析 ,提出了基于数字信 号处理的解决办法 ,并经模拟实验检验证明该 方法行之有效 。
41 (6) : 148～152 3 Press W H , Teukolsky S A , Vetterling W T , Flan2
nery B P. C 语言数值算法程序大全 [ M ] . 第二版. 北京 :电子工业出版社 ,1995. 10 4 刘镇清. 超声无损检测与评价中的信号处理及模 式识别[J ] . 无损检测 ,2001 ,23 (1) :31～34
第 12 卷 第 1 期 2004 年 3 月
北京石油化工学院学报 Journal of Beijing Instit ute of
Pet ro2chemical Technology
Vol. 12 No. 1 Mar. 2004
超声ຫໍສະໝຸດ Baidu智能清管器信号处理技术研究
盛 沙1 戴 波2 谢祖荣2 曹献坤1
of Pet ro2chem ical Technology , Beiji ng 102617)
Abstract Error usually occurs during inspection of on2line pipelines for wall2loss defect s using intelli2 gent pig. Aiming at t his problem , an effective met hod based on FF T and power spect ral density com2 puting has been put forward. An analogue experiment concerning wall2loss defect inspection has been done wit h VC + + in t he real time processing. This met hod is applicable for not only on2line inspection of corrosion and ot her wall2loss defect s , but also accurate measurement of pipe wall t hickness. Key words ult rasonic ; pipeline inspection ; fast fourier t ransform ; power spect ral density
U T 清管器遇到外壁腐蚀的情形如图 1 所 示 ,初始脉冲 P 产生一个内壁回波 F , 由于探 头大于腐蚀面积 , 所以会产生两个外壁回波 : B1 和 B2 , B1 是由腐蚀坑底产生的, B2 是由 未腐蚀的管道外壁产生的。同时图 2 给出了 A ———扫描的结果 。尽管产生了 3 个回波 ,但 U T 清管器仅用前面两个回波计算管道的残余 壁厚 ,后面的回波被忽略 。第一个回波 F 被计 算机正确地确认为内壁回波 , 第二个回波 B 1 被计算机正确认为外壁回波 , 结果正确的残余 壁厚由 F 和 B 1 之间的时间间隔计算 。所以在 外腐蚀情况下 ,U T 清管器能够正确地操作 。
(1 武汉理工大学 ,武汉 430000 ; 2 北京石油化工学院自动化系 , 北京 102617)
摘
要 超声波智能清管器进行在线管道壁腐蚀缺陷检测时 ,经常出现误差问题 。针对此问题 ,
笔者提出了一种基于快速傅立叶变换和功率谱密度计算的解决方法 。并用 VC + + 实现了实时处理 ,最后对
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第 1 期 盛沙等 1 超声波智能清管器信号处理技术研究
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Pipeline & Gas Journal , 1998 ,225 (8) : 49～54 2 Williamson George III , Bonn Mark W. Evaluation of
蚀或只有外壁腐蚀的情况下 ,超声波回波信号 的 A ———扫描图 。但是当出现内壁腐蚀时 ,就
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01001 8
7
9197
91984 1
01014 1
图 9 信号功率谱图
213 实验结果 对一块有内腐蚀的钢板 ,在它的内腐蚀处
做了 7 个点的扫描 ,如图 11 所示 。检测计算结 果见表 1 。
结果显示 ,当探头的中心在内腐蚀坑边沿 时 (第三个点) ,测量得到的是腐蚀坑的壁厚 ,在 这之前 ,得到的是没有被腐蚀的壁厚 。并且 ,所 测量的数据精确度很高 ,误差在 0103 mm 以
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图 2 外壁腐蚀 A 扫描示意图
112 内壁腐蚀分析 图 3 表示了 U T 清管器遇到内腐蚀坑的情
形 。初始脉冲 P 被点蚀坑有效地分开 ,产生两 个内壁回波 :第一个内壁回波 F1 由未腐蚀的 管道内壁反射出来 , 第二个内壁回波 F2 由腐 蚀坑底反射出来 。之后分开的脉冲产生两个外 壁回波 ,第一个外壁回波 B 1 与产生内壁回波 F1 的那部分脉冲有关 , 第二个外壁回波 B 2 与 产生 内 壁 回 波 F2 的 那 部 分 脉 冲 有 关 。其 A ———扫描 (见图 4) 包括 4 个回波 :2 个内壁回 波 F1 和 F2 ,2 个外壁回波 B 1 和 B 2 。U T 清 管器使用前两个回波之间的时间差计算管道的 残余壁厚 。在蚀坑较浅的情况下 ,前两个回波 是 F1 和 F2 ,因此 U T 清管器计算出来的残余 壁厚是不正确的 。