用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置

技术领域

本发明涉及石油石化行业超声波监测技术领域，尤其涉及一种用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置。

背景技术

石油石化行业的油气管道数量众多、分布广泛、腐蚀因素多样、铺设环境复杂，随着年限的增长，具有较大的风险隐患。特别是近年来，油气管道受到第三方破坏、自然地质灾害等影响，给管道的安全稳定运行造成了严重损失及潜在的巨大危害。因此，对重点区域的油气管道的壁厚减薄状态进行监测有较大的必要性。

现有超声波测厚系统一般为利用支架及卡箍等将多个超声波探头在同一管道截面圆周上互相成一定角度排列，并固定在管道外壁上。在管道轴向方向间隔一定距离布置上述周向探头组，形成超声波探头阵列。各探头分别与超声波收发装置进行连接，通过超声波收发系统的处理，实现对各探头所在点位管道壁厚的监测。

现有已公开的超声波测厚设备绝大部分仅可进行定点测厚，扫查范围仅限定于各超声波探头的固定位置，无法实现连续无死角的管道壁厚扫查。对于未能扫查到的区域，需人工进行实地超声扫查来补充，产生了较大的时间和人力成本。少数已公开的超声波测厚设备能够实现管道周向的无死角扫查，但无法实现管道轴向的长距离连续扫查。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置，其超声波探头能沿管道的轴向、周向和径向移动调整测试位置，本发明具有多点位、轴向全管长和周向360度的监测能力，可实现变管径壁厚在线监测。

本发明的目的是这样实现的，一种用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置，包括，

探头结构，用于在线监测油气管道壁厚，包括超声波探头，所述超声波探头能沿管道径向伸缩地连接于探头支架上；

导向结构，包括周向导轨结构和轴向导轨结构，所述周向导轨结构包括呈圆周设置的第一导轨，所述探头支架能沿所述第一导轨的周向转动以改变所述超声波探头的周向位置；所述轴向导轨结构包括第二导轨，所述第二导轨沿管道轴向设置，所述周向导轨结构能沿所述第二导轨移动以改变所述超声波探头的轴向位置；

控制部，用于收发超声波信号、接收处理超声波探头的监测数据和用于电控制探头结构与导向结构，所述探头结构和所述导向结构与所述控制部电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述探头支架包括用于保护所述超声波探头的探头保护壳，所述超声波探头能滑动伸缩地套设于所述探头保护壳内；所述探头保护壳内设有伸缩驱动部，所述伸缩驱动部用于驱动所述超声波探头沿管道径向伸缩；所述探头保护壳内还设有耦合剂喷涂结构，用于向超声波探头和管道之间填充耦合剂。

在本发明的一较佳实施方式中，所述探头保护壳内设置贯通的安装孔，所述伸缩驱动部包括液压缸，所述液压缸与所述控制部电连接，所述液压缸包括缸筒和缸杆，所述缸筒套设于所述安装孔内，所述缸杆的一端密封滑动通过所述缸筒后连接多级探头架的第一端，多级探头架的第二端连接所述超声波探头，所述液压缸通过所述多级探头架驱动所述超声波探头沿管道径向伸缩。

在本发明的一较佳实施方式中，所述多级探头架包括中空的一级探头架、二级探头架和三级探头架，所述超声波探头套设于所述一级探头架内，所述一级探头架能伸缩的套设于所述二级探头架内，所述二级探头架的顶端密封且所述二级探头架的顶端能伸缩的套设于所述三级探头架内，所述三级探头架的顶端与所述缸杆的一端连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述二级探头架和所述一级探头架连通构成所述耦合剂喷涂结构，二级探头架和一级探头架的内腔构成耦合剂容置腔，所述一级探头架的侧壁内沿轴向贯通设置耦合剂喷涂孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述探头保护壳的外壁上设置探头驱动轮，所述探头驱动轮与所述控制部电连接，所述探头驱动轮能带动所述探头结构沿所述第一导轨的周向转动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一导轨的侧壁上沿周向环设导轨槽道，所述导轨槽道沿第一导轨径向贯通，所述探头结构能沿所述导轨槽道转动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一导轨包括2个沿轴向间隔的圆周圈，2个所述圆周圈之间构成所述导轨槽道，2个圆周圈相邻的侧面上凹设驱动轮导向槽，所述探头结构上设置探头驱动轮，所述探头驱动轮能沿所述驱动轮导向槽转动；2个所述圆周圈通过导轨轴向固定架连接。

在本发明的一较佳实施方式中，2个所述圆周圈的径向内侧设有容置豁槽，所述容置豁槽能套设于所述第二导轨的外侧，所述导轨轴向固定架上设置有侧导轮和水平导轮，所述侧导轮和所述水平导轮能沿所述第二导轨移动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述轴向导轨结构包括多个所述第二导轨，多个所述第二导轨通过多个环形固定架连接，各所述环形固定架的外径尺寸小于所述第一导轨的内径尺寸，所述轴向导轨结构能固定套设于管道上。

由上所述，本发明提供的用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置具有如下有益效果：

本发明的用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置，超声波探头能沿管道的径向伸缩改变其监测的径向位置，超声波探头能通过导向结构实现轴向和周向位置控制，本发明具有多点位、轴向全管长和周向360度的监测能力；对于管道管径的较小范围变化，无需对装置进行更换，可实现变管径壁厚在线监测；本发明的结构部分与控制部互相配合，实现完整的油气管道超声波壁厚在线监测功能。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置的结构图。

图2a：为本发明的探头结构的立体图。

图2b：为本发明的探头结构的主视图。

图2c：为图2b中A-A剖视图。

图3a：为本发明的周向导轨结构的立体图。

图3b：为本发明的周向导轨结构的主视图。

图3c：为图3b中B-B剖视图。

图3d：为图3b中C向视图。

图3e：为图3d中D-D剖视图。

图4a：为本发明的轴向导轨结构的立体图。

图4b：为本发明的轴向导轨结构的主视图。

图4c：为图4b中E-E剖视图。

图5：为本发明的用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置的工作示意图。

图6：为本发明的控制部的工作流程框图。

图中：

100、用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置；

1、探头结构；

11、超声波探头；12、探头支架；13、探头保护壳；14、液压缸；141、缸筒；142、缸杆；15、多级探头架；151、一级探头架；152、二级探头架；153、三级探头架；16、探头驱动轮；

2、周向导轨结构；

21、第一导轨；211、圆周圈；2111、半圆周导轨；2112、导轨周向固定架；2113、周向锁紧螺栓；2114、周向锁紧螺母；212、驱动轮导向槽；

22、导轨槽道；23、导轨轴向固定架；24、容置豁槽；25、侧导轮；26、水平导轮；27、导轮支撑架；271、轴向锁紧螺栓；272、轴向锁紧螺母；

3、轴向导轨结构；

31、第二导轨；32、环形固定架；321、半环形固定架；33、环形固定架铰链；34、铰链锁紧螺母；35、铰链锁紧螺栓；

4、管道。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图6所示，本发明提供一种用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置100，包括，

探头结构1，用于在线监测油气管道壁厚，包括超声波探头11，超声波探头11能沿管道4径向伸缩地连接于探头支架12上；

导向结构，包括周向导轨结构2和轴向导轨结构3，周向导轨结构2包括呈圆周设置的第一导轨21，探头支架12能沿第一导轨21的周向转动以改变超声波探头11的周向位置；轴向导轨结构3包括第二导轨31，第二导轨31沿管道轴向设置，周向导轨结构2能沿第二导轨31移动以改变超声波探头11的轴向位置；

控制部，用于收发超声波信号、接收处理超声波探头的监测数据和用于电控制探头结构与导向结构，探头结构1和导向结构与控制部电连接。

本发明的用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置，超声波探头能沿管道的径向伸缩改变其监测的径向位置，超声波探头能通过导向结构实现轴向和周向位置控制，本发明具有多点位、轴向全管长和周向360度的监测能力；对于管道管径的较小范围变化，无需对装置进行更换，可实现变管径壁厚在线监测；本发明的结构部分与控制部互相配合，实现完整的油气管道超声波壁厚在线监测功能。

进一步，如图1、图2a、图2b、图2c所示，探头支架12包括用于保护超声波探头11的探头保护壳13，超声波探头11能滑动伸缩地套设于探头保护壳13内；探头保护壳13内设有伸缩驱动部，伸缩驱动部用于驱动超声波探头11沿管道径向伸缩；探头保护壳13内还设有耦合剂喷涂结构，用于向超声波探头11和管道之间填充耦合剂。在本实施方式中，探头保护壳13由对称的两部分组成，由四组螺栓固定。

在本实施方式中，如图2c所示，探头保护壳13内设置贯通的安装孔，伸缩驱动部包括液压缸14，液压缸14与控制部电连接，液压缸14包括缸筒141和缸杆142，缸筒141套设于安装孔内，缸杆142的一端密封滑动通过缸筒141后连接多级探头架15的第一端，多级探头架15的第二端连接超声波探头11，液压缸14通过多级探头架15驱动超声波探头11沿管道径向伸缩。

进一步，如图2c所示，多级探头架15包括中空的一级探头架151、二级探头架152和三级探头架153，超声波探头11套设于一级探头架151内，一级探头架151能伸缩的套设于二级探头架152内，二级探头架152的顶端密封且二级探头架152的顶端能伸缩的套设于三级探头架153内，三级探头架153的顶端与缸杆142的一端连接，在本实施方式中，三级探头架153的顶端与缸杆142的一端焊接固定。通过控制部实现各级探头架之间的伸缩，使固定于一级探头架151内的超声波探头11的径向伸出距离可调。

进一步，如图2c所示，二级探头架152和一级探头架151连通构成耦合剂喷涂结构，二级探头架152和一级探头架151的内腔构成耦合剂容置腔，一级探头架151的侧壁内沿轴向贯通设置耦合剂喷涂孔。耦合剂喷涂结构能在超声波探头11移动时对管道和超声波探头11之间间隙进行填充。

进一步，如图2a、图2b所示，探头保护壳13的外壁上设置探头驱动轮16，探头驱动轮16与控制部电连接，探头驱动轮16能带动探头结构1沿第一导轨21的周向转动。

如图2a、图2b、图2c所示，在本实施方式中，探头保护壳13为方形壳体，探头保护壳13的外侧壁上装有4个探头驱动轮16，探头驱动轮16由控制部驱动，通过探头驱动轮16的转动，探头结构1能在第一导轨21内沿圆周转动。

进一步，如图3a、图3e所示，第一导轨21的侧壁上沿周向环设导轨槽道22，导轨槽道22沿第一导轨21径向贯通，探头结构1能沿导轨槽道22转动。

进一步，如图3a、图3c、图3e所示，第一导轨21包括2个沿轴向间隔的圆周圈211，2个圆周圈211之间构成导轨槽道22，2个圆周圈211相邻的侧面上凹设驱动轮导向槽212，探头结构1上设置探头驱动轮16，探头驱动轮16能沿驱动轮导向槽212转动；2个圆周圈211通过导轨轴向固定架23连接。

进一步，如图3a、图3c、图3d、图3e所示，2个圆周圈的径向内侧设有容置豁槽24，容置豁槽24能套设于第二导轨31的外侧，导轨轴向固定架23上设置有侧导轮25和水平导轮26，侧导轮25和水平导轮26能沿第二导轨31移动。

在本发明的一具体实施例中，如图3a、图3b、图3c、图3d、图3e所示，各圆周圈211分别由2个半圆周导轨2111组成，半圆周导轨2111的两个端部和中部均开有通孔，同一圆周上的两个半圆周导轨2111由导轨周向固定架2112插入，并辅以周向锁紧螺栓2113和周向锁紧螺母2114进行固定。2个圆周圈211由2个导轨轴向固定架23进行位置约束，各导轨轴向固定架23的两侧分别设置导轮支撑架27，由轴向锁紧螺栓271和轴向锁紧螺母272进行固定。侧导轮25和水平导轮26均安装于导轮支撑架27上，并由控制部驱动。

进一步，如图4a、图4b、图4c所示，轴向导轨结构3包括多个第二导轨31，多个第二导轨31通过多个环形固定架32连接，环形固定架32的外径尺寸小于第一导轨21的内径尺寸，轴向导轨结构3能固定套设于管道上。

在本实施方式中，如图4a、图4b、图4c所示，各环形固定架32均由2个半环形固定架321组成，其端部均开有圆形通孔，用以插入环形固定架铰链33，并辅以铰链锁紧螺母34和铰链锁紧螺栓35进行固定。第二导轨31上需要安装环形固定架32的位置设置方形通孔，各半环形固定架321上开有方形槽，各半环形固定架321从第二导轨31上的方形通孔穿过，其方形槽与方形通孔配合，环形固定架32将第二导轨31锁紧于油气管道外壁。

本发明的控制部主要包括电源电路、单片机控制电路、升压电路、脉冲发射电路、限幅电路、信号放大电路、滤波电路、检波电路、时间测量电路等部分。控制部的工作流程框图如图6所示。由电源电路对其它各部分电路进行供电，单片机控制电路控制高压模块将稳定的直流电信号转变为高压脉冲，输入超声波探头内部的压电超声换能器，从而激发超声波并传入油气管道管壁。超声波在油气管道与空气的临界面发生反射后重新进入超声波探头，由超声换能器转换为高频脉冲电信号。高频脉冲电信号经限幅电路消除前端电路尖峰、信号放大电路放大衰减信号、滤波电路带通降噪和检波电路包络降频，转换为可检测的波形电信号。由单片机控制电路控制的时间测量电路，通过测量较易测量的一次回波与二次回波的时间差值，经波速换算，获得油气管道的管壁值，并通过无线数据传输模块将测厚数据传输至网络云平台，进而由数据检测平台进行读取分析，判断油气管道管壁的腐蚀及失效几率。

本发明的安装及使用方法如下：

1)将半环形固定架321插入第二导轨31的方形通孔，并贴于待测油气管道外壁。将环形固定架铰链33插入半环形固定架321的端部通孔，锁入铰链锁紧螺母34和铰链锁紧螺栓35，使第二导轨31与待测油气管道外壁固定；

2)将液压缸14及多级探头架15制作完成。将一级探头架151、二级探头架152、三级探头架153逐级插入，与液压缸14连接，并将超声波探头11与一级探头架151固定；

3)将探头驱动轮16安装于探头保护壳13上，将液压缸14及多级探头架15放入探头保护壳13，使用4组螺栓固定；

4)将侧导轮25、水平导轮26安装于导轮支撑架27上；将导轮支撑架27连接于各导轨轴向固定架23的两侧，由轴向锁紧螺栓271和轴向锁紧螺母272进行固定；

5)每2个半圆周导轨2111沿轴向间隔构成导轨槽道22的一半，将探头结构1插入导轨槽道22，通过导轮支撑架27连接进行轴向定位连接，将导轮支撑架27整体置于第二导轨31上，将导轨周向固定架2112插入半圆周导轨2111端部通孔，使用周向锁紧螺栓2113和周向锁紧螺母2114进行固定；组装后的状态如图5所示；

6)拼装控制部，电连接超声波探头11、一级探头架151、二级探头架152、三级探头架153、液压缸14、探头驱动轮16、侧导轮25和水平导轮26，并向探头结构内(二级探头架152和一级探头架151的内腔)填充耦合剂；

7)测试各运动机构的运动效果、探头结构的伸缩效果和耦合剂填充效果，确保结构端运行正常。

8)将控制部的超声波收发电路模块和远程传输模块与探头结构相连接，测试电路端运行情况，确保其运行正常；

9)进行管道壁厚检测及终端远程监测分析。

由上所述，本发明提供的用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置具有如下有益效果：

本发明的用于油气管道的超声波壁厚在线监测装置，超声波探头能沿管道的径向伸缩改变其监测的径向位置，超声波探头能通过导向结构实现轴向和周向位置控制，本发明具有多点位、轴向全管长和周向360度的监测能力；对于管道管径的较小范围变化，无需对装置进行更换，可实现变管径壁厚在线监测；本发明的结构部分与控制部互相配合，实现完整的油气管道超声波壁厚在线监测功能。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。