一种基于超声波测量管道周长的系统及方法

技术领域

本发明属于超声测量领域，涉及一种基于超声波测量管道周长的系统及方法。

背景技术

高温承压管道作为电力和石油化工行业的能量或能源传输通道被广泛应用，此类管道因为承载高温高压介质，因而其安全状态在工业生产活动中尤为重要。管道的实际周长可以直接反映其管壁材料的蠕变情况进而反映管道的剩余寿命和安全性，因此精确测量的高温承压管道的实际周长具有广泛的应用场景和实际意义。

在管道的蠕变测量方法中，目前常用的有千分尺法和钢带尺法。千分尺法是用千分尺测量带有蠕变测点的监测截面直径的方法，蠕变测点焊接固定于管道外表面上的直径两端，用来实现在某一监测截面相同位置上的测量。钢带尺法是用室温下膨胀系数接近零的合金制作的带有刻度的钢带尺紧贴管道外表面一周读取周长的方法，该方法需要在管道外壁作出两圈互相平行的标记来实现某一监测截面相同位置上的测量。

首先，上述两种方法的测量精确度较难满足蠕变监测的需要。管道的蠕变在度过快速蠕变阶段后进入漫长的均匀蠕变阶段，在此阶段变形量很小，而绝大多数蠕变监测都是在均匀蠕变阶段进行，而设备现场的实际测量条件一般较难达到精确测量的要求，甚至出现周长或管径变小、相同服役环境个别截面蠕变异常偏离等情况。另外，为提高介质传输效率保障安全，此类管道通常由保温层包覆或埋地，而千分尺法需要埋地管道至少暴露半圈管道，钢带尺法需要暴露管道整圈并进行一定的处理，操作过程较为复杂。以电力行业为例，DL/T438《火力发电厂金属技术监督规程》在2016年取消了对蠕变监测的强制要求，同时推荐采用在线监测装置对主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道的应力危险区段和管壁较薄、应力较大或运行时间较长的区段等风险较大部位进行蠕变监测。这表示对于高温承压管道的蠕变监测工作很有必要，而取消强制要求是受限于现有测量方法的精度难以满足要求。

综上，为了解决现有测量方法测量精度和操作复杂的问题，有必要开发一种新的测量方法。超声波由于适用范围广、传播距离长、灵敏度高、检测成本低、速度快、现场使用方便等特点广泛应用于设备的安全性评价工作中。其中，超声表面波在工件表面传播途中碰到曲率半径R大于5倍波长的棱边时，理论上可不受阻拦的完全通过，继续向前进行，不形成反射。因此，超声表面波检测受工件形状及位置的限制小，可沿管道表面周向传播整周距离。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于超声波测量管道周长的系统及方法，该系统及方法能够快速、准确测量管道的周长。

为达到上述目的，本发明所述的基于超声波测量管道周长的系统包括测量试块、超声波发射换能器、超声波接收换能器、测量仪器及定位块；

超声波发射换能器及超声波接收换能器与测量仪器相连接；

在测试阶段，超声波发射换能器及超声波接收换能器均位于测量试块上，且超声波发射换能器及超声波接收换能器相接触；

在测量时，超声波发射换能器位于定位块的一侧，超声波接收换能器位于定位块的另一侧，定位块的端部贴合于待测管道上。

测量试块与超声波发射换能器及超声波接收换能器之间设置有保护层。

超声波发射换能器及超声波接收换能器均包括楔块、壳体、晶片及吸收块，其中，吸收块及晶片均位于壳体内，晶片贴合于吸收块上，晶片贴合于楔块上，晶片与测量仪器相连接，在测试阶段，楔块与测量试块相接触，在测量时，楔块与定位块的侧面相接触。

测量仪器经电缆线与晶片相连接。

在测试阶段，超声波发射换能器的发射点与超声波接收换能器的接收点之间的直线距离小于超声波发射换能器中晶片的中心与超声波接收换能器中晶片的中心之间的直线距离。

超声波发射换能器及超声波接收换能器的频率相同，且频率范围为0.5～5MHz。

定位块与待测管道的材质相同。

一种基于超声波测量管道周长的方法包括以下步骤：

测试阶段

将超声波发射换能器及超声波接收换能器均位于测量试块上，超声波发射换能器发射的超声纵波经t

测量阶段

超声波发射换能器位于定位块的一侧，超声波接收换能器位于定位块的另一侧，定位块的端部贴合于待测管道上，超声波发射换能器中晶片发生的超声波沿定位块的一侧面传播到达待测管道表面，然后沿待测管道表面传播一周后再沿定位块的另一侧面达到超声波接收换能器中的晶片，通过测量仪器记录测量阶段的回波时间T

在定位块上，超声波发射换能器与超声波接收换能器覆盖部分以外的区域，超声波传播的距离等于待测管道上被定位块覆盖区域的长度。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于超声波测量管道周长的系统及方法在具体操作时，利用超声测量的原理实现对管道周长的测量，具体的，在测试阶段，测量超声波在系统中的回波时间，在测量时，将测量阶段的回波时间减去测试阶段的回波时间，再乘以声速，以计算管道的周长，需要说明的是，在测量时，直接将定位块放置于待测管道表面，即可实现管道周长的测量，测量方便，便于推广及应用。

附图说明

图1为本发明中超声波发射换能器5的结构示意图；

图2为本发明中超声波接收换能器6的结构示意图；

图3为测试阶段的超声波传播时间示意图；

图4为测量阶段的超声波传播路径图。

其中，1为晶片、2为吸收块、3为电缆线、4为保护层、5为超声波发射换能器、6为超声波接收换能器、7为测量仪器、8为定位块、9为测量试块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的基于超声波测量管道周长的系统包括测量试块9、超声波发射换能器5、超声波接收换能器6、测量仪器7及定位块8；超声波发射换能器5及超声波接收换能器6与测量仪器7相连接；

在测试阶段，超声波发射换能器5及超声波接收换能器6均位于测量试块9上，且超声波发射换能器5及超声波接收换能器6相接触，其中，测量试块9与超声波发射换能器5及超声波接收换能器6之间设置有保护层4，测量仪器7经电缆线3与晶片1相连接。

在测量时，超声波发射换能器5位于定位块8的一侧，超声波接收换能器6位于定位块8的另一侧，定位块8的端部贴合于待测管道上，其中，定位块8与待测管道的材质相同。

超声波发射换能器5及超声波接收换能器6均包括楔块、壳体、晶片1及吸收块2，其中，吸收块2及晶片1均位于壳体内，晶片1贴合于吸收块2上，晶片1贴合于楔块上，晶片1与测量仪器7相连接，在测试阶段，楔块与测量试块9相接触，在测量时，楔块与定位块8的侧面相接触。

在测试阶段，超声波发射换能器5的发射点与超声波接收换能器6的接收点之间的直线距离小于超声波发射换能器5中晶片1的中心与超声波接收换能器6中晶片1的中心之间的直线距离，且声波发射换能器5及超声波接收换能器6的频率相同，且频率范围为0.5～5MHz。

本发明所述的基于超声波测量管道周长的方法包括以下步骤：

测试阶段

参考图3，将超声波发射换能器5及超声波接收换能器6均位于测量试块9上，超声波发射换能器5发射的超声纵波经t

测量阶段

参考图4，超声波发射换能器5位于定位块8的一侧，超声波接收换能器6位于定位块8的另一侧，定位块8的端部贴合于待测管道上，超声波发射换能器5中晶片1发生的超声波沿定位块8的一侧面传播到达待测管道表面，然后沿待测管道表面传播一周后再沿定位块8的另一侧面达到超声波接收换能器6中的晶片1，通过测量仪器7记录测量阶段的回波时间T

在定位块8上，超声波发射换能器5与超声波接收换能器6覆盖部分以外的区域，超声波传播的距离等于待测管道上被定位块8覆盖区域的长度。

所述定位块8包含超声波换能器覆盖的平整部分和与待测管道相连接的过渡部分，过渡部分与平整部分及管道的连接处均为平滑过渡；

所述定位块8材质状态与待测管道相同，且与待测管道的连接方式为焊接；

所述T

在实际操作时，只需测量一次T

需要说明的是，本发明可以在只暴露定位块的条件下直接测量出超声波在管道外表面传播整周所用的时间，然后利用声速计算得出管道周长，操作简单，实用性强、可发现管道千分之一的周长变化值。