一种高通过性管道超声波单节内检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于管道超声波内检测技术领域，尤其是涉及一种高通过性管道超声波单节内检测装置及检测方法。

背景技术

随着石油天然气工业的发展和产业能源需求的日益增长，我国石油天然气运输管线发展迅速，长输管道己经成为输送石油、天然气等能源的重要运输手段。

油气管线在运营过程中由于管道周边地理环境会对管壁造成腐蚀，当腐蚀到一定阶段时管道在外界以及管道内部压力作用下会造成腐蚀区域的应力腐蚀从而产生裂纹，当管壁上的裂纹扩展到一定程度就造成泄露，对管线周围的国家财产和生命安全造成威胁。为了保障长输管道的运行安全，必须对其进行定期检测，以便及时发现问题，采取措施，防止出现重大事故，检测出管壁腐蚀以及裂纹并及时进行维修成为管线维护的必要措施。

对埋地输油油管道定期检测的主要技术手段是“管道内检测器”，俗称“管道猪”，该内检测器是由包含供电电池的电池舱，内置检测电子模块的电子舱，以及包含检测探头的探头节组成。各节之间通过万向节实现机械连接，并通过电缆和耐高压水密连接器实现电气连接组成一个完整的检测系统。该系统在管道内部通过管道输送介质(油气)的流动而被推动，同时对所经过的管道自动进行检测并存储数据，待检测器在管线内运行一段距离(一般是两个分输站之间的距离几十公里或100公里以上)后在下游的分输站取出。由服务人员在地面上导出检测器已经存储的数据并进行处理，从而给出所经过管道的基本检测情况及对结果进行分析。

管道内检测器主要有三种类型，管道漏磁检测器,管道电磁超声检测器及压电超声波内检测器。压电超声波内检测器主要用于长距离输送液体介质(主要是原油或成品油)的管道的检测，是通过压电超声波探头激发超声波实现管道的腐蚀检测或者裂纹检测。

以往的压电超声波内检测器由于需要用到大量的超声波探头或探头组，因而会单独把所有超声波探头聚集在一起组装成一个探头节，该探头节通过万向节与前端的电子舱连接。电子舱再通过另一个万向节和其前端的电池舱连接。所以常规的压电超声波内检测器至少包含三节，即电池节、电子舱以及探头节，并通过两节万向节相连。不论是采用哪种压电超声波探头安装形式，内检测器都是通过多节连在一起来实现。

这种机械结构由于长度增加，检测时对管道的收发球筒有长度要求。同时多节组成的检测器在过弯头或缩径时通过性存在风险。更为关键的是，一旦检测器卡堵在管道内部出现卡球时不能继续前进，只能采取开挖把管截断的方法才能把检测器取出。这种方法不仅耗时耗力，油气输送的中断会对业主造成巨大的影响。由于多节检测器存在两个或多个万向节结构，如果出现卡球进行反推时万向节结构容易卡死，因此从收球端发检测器进行反推的方法存在操作困难。所以对一些卡球风险大的输油管道就会慎重用内检测器检测，从而造成不能进行定期检测。

同时，传统的压电超声波内检测器只能进行腐蚀壁厚或内部裂纹的检测，管道的几何变形测量还需要专门的管道几何变形内检测器完成，常规的几何变形内检测器也是由多节通过万向节连接而成。因而传统的检测方法管道至少需要跑两边内检测器才能完成壁厚腐蚀和几何变形的检测，不仅费时费力，而且增加了卡堵的风险。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高通过性管道超声波单节内检测装置及检测方法，用于解决现有技术中长距离输油管道的超声波内检测的通过性问题以及检测效率问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种高通过性管道超声波单节内检测装置，包括集成为一体的舱体外壳，所述舱体外壳内部为电子舱，所述舱体外壳的外部安装有多个皮碗，所述舱体外壳的外部安装有超声探头，所述舱体外壳的后端安装有里程轮，前端安装有防撞头；所述超声探头为由沿圆周方向均匀排列的阵列式探头组成的环形探头组，所有探头沿圆周方向等距离排列，组合在一起能够实现对管道圆周方向的全覆盖检测。

进一步的，所述超声探头可以放在电子舱的前端、中部或者后端；所述超声探头的环形探头组可以为单排设置，也可以为两排或多排环形阵列式探头组合在一起的设置。

进一步的，每个阵列式探头包含多个晶片，每个晶片可以单独激发也可以一起激发；每个阵列式探头的发射面具有一定的弯曲弧度，所有探头组合在一起形成一个规则的圆。

进一步的，所述电子舱的内部设置有与检测有关的器件和模块，包括电池包、电子包和姿态传感器，所述电池包用于为同属舱体内部的电子包供电，所述姿态传感器用来记录内检测装置的姿态数据。

进一步的，所述舱体外壳的外部安装有探头连接器，所述超声探头通过所述探头连接器与所述电子包电性连接，所述电子包能够控制阵列式探头的发射；

所述电子包采用了基于芯片的操作系统，即将一个芯片整合了操作系统、软件执行和数据采集与分析处理功能，芯片既具有信号处理功能，也整合了操作系统。

进一步的，每个探头晶片可以通过激励和接收管道反射的超声回波，得到的反射回的超声波脉冲信号，包括管道内壁反射信号和管道外壁反射信号，通过测量管道内壁反射信号的到达时间可以得到探头面与管道内壁的距离，通过测量管道内壁与外壁反射信号的时间差可以得到管道的壁厚数据。

进一步的，所述里程轮的数量为三个，三个里程轮以所述舱体外壳的轴线为中心沿圆周方向均匀阵列分布；所述防撞头上安装有牵拉头。

一种利用上述高通过性管道超声波单节内检测装置的高通过性管道超声波检测方法，包括以下步骤：

S1：对设备进行发球前检查；

S2：内检测装置检查完毕后，把内检测装置运到发球筒进行发球，内检测装置在管道内运行；

S3：内检测装置在运行过程中对管道几何变形与壁厚腐蚀同时进行检测；里程轮自带的里程系统记录里程，姿态传感器记录内检测装置的姿态数据，所有数据均存储到内检测装置的硬盘中；

S4：内检测装置到达收球筒，取出内检测装置收球；

S5：对数据进行分析，出检测报告。

进一步的，内检测装置在管道内运行过程中，通过调节内检测装置首尾两端的输送介质的压力，能够实现内检测装置的正推或反推。

进一步的，步骤S3具体为：

内检测装置边行走边进行检测，每隔一事先设定的轴向移动距离就对管道检测一次，每个轴向位置检测一次所有的探头都要依次激发一遍实现沿圆周方向的扫描，然后再等到移到下一个距离时再做同样的动作；

环形探头组的晶片可以依次激发，也可以同时激发，也可以分批依次激发，根据检测速度要求和电子包的设置而定；

每个探头晶片可以通过激励和接收管道内壁反射的超声回波以测量管道内壁离探头表面的距离，所有探头表面距相应管道内壁的距离组合在一起可以得到管道内壁的几何特征，每个探头还可以接收到管道外壁的反射信号，通过测量管道外壁和内壁反射信号的时间差可以得到管道的壁厚信息。

相对于现有技术，本发明所述的高通过性管道超声波单节内检测装置及检测方法具有以下优势：

(1)本发明采用了单体式内检测装置，把以往由三节组成的内检测装置浓缩集成到一节上，从而构成为一个单体式压电超声波内检测装置，内检测装置加皮碗后可正推可反推，在内检测装置出现卡球时可通过反推内检测装置将其反推出来，降低了内检测装置卡堵带来的风险，解决了传统多节超声波内检测装置卡球后必须破管才能取出的风险；

(2)本发明的超声探头为环形阵列式探头，环形探头组所有晶片的探头面组合在一起形成一规则的圆，能够实现管道的全覆盖检测，可以实现管道内壁几何形状变形测量与管壁壁厚的同时检测，提高了检测效率；

(3)本发明所述内检测装置结构简单，具备在管道内卡球时正推与反推的能力，其通过性大大提高，通过性跟皮碗清管球相当，降低了用户的作业风险和检测成本，也扩大了压电超声波内检测装置的管道适用范围，可以检测常规智能检测器由于通过性的问题不敢检测的管线，比如海底管道中有很多大变形的管道、以及变径管道或者其他异形管道；

(4)内检测装置的长度大大缩短，对收发球筒的长度要求降低，甚至在没有收发球筒的情况下也可以使用，增加了适用范围；

(5)本发明所述内检测装置结构简单，体积小，便于携带、安装和转运。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的高通过性管道超声波单节内检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的高通过性管道超声波单节内检测装置的主视图；

图3为本发明实施例所述的高通过性管道超声波单节内检测装置的俯视图；

图4为本发明实施例所述的高通过性管道超声波单节内检测装置的左视图；

图5为所有探头组合在一起构成信号发射全覆盖的示意图；

图6为超声脉冲回波波形图。

附图标记说明：

1、舱体外壳；2、皮碗；3、里程轮；4、超声探头；5、防撞头；6、电池包；7、电子包；8、探头连接器；9、牵拉头；10、检测管道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图4所示，本发明为一种高通过性管道超声波单节内检测装置，包括集成为一体的舱体外壳1，所述舱体外壳1内部为电子舱，所述舱体外壳1的外部安装有多个皮碗2，使得内检测装置能够实现正推或反推，降低了内检测装置卡堵带来的风险，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。所示皮碗2的直径略大于管道内径，优选地，所述皮碗2的数量为三个，其中设置在舱体外壳1最前端的皮碗2具有动力作用，能够帮助内检测装置实现正推或反推，设置在舱体外壳1中部和后端的两个皮碗2上贯通设置有通孔，这两个皮碗2具有支撑作用，能够使内检测装置稳定可靠地在管道内行走。内检测装置在管道内运行过程中，通过调节内检测装置首尾两端的输送介质的压力，能够实现内检测装置的正推或反推。当内检测装置正推时，管道输送介质经后面两个皮碗2上的通孔会对前端第一个皮碗2起到推动作用，从而使得第一个皮碗2实现动力作用；当内检测装置反推时，第一个皮碗2依靠内检测装置两端的输送介质压力差使得其碗口反转，碗口由朝向后面改为朝向前面，从而使得输送介质能够推动靠近防撞头5的皮碗2，使其保持动力作用，实现内检测装置的反推。所述舱体外壳1的外部安装有超声探头4，用于对管道进行检测，所述舱体外壳1的后端安装有里程轮3，里程轮3自带里程系统，用于记录内检测装置的行进里程，所述舱体外壳1的前端安装有防撞头5，用来避免内检测装置因碰撞发生损坏；该单体式内检测装置采用把以前复杂的探头节结构浓缩成一个圆盘式环形阵列式探头，即该探头为一环形的圆盘式结构，所述超声探头4为由沿圆周方向均匀排列的阵列式探头组成的环形探头组，所有探头沿圆周方向等距离排列，组合在一起能够实现对管道圆周方向的全覆盖检测，可以实现管道内壁几何形状与管壁壁厚的同时检测，检测效率高。本发明所述内检测装置电池、电子包7及探头整合在一起，采用了单体式结构，其与皮碗2清管球通过性相当，解决了传统多节超声波内检测装置卡球后必须破管才能取出的风险，可实现内检测装置的正推或反推。同时，由于内检测装置结构简单，具备在管道内卡球时正推与反推的能力，其通过性大大提高，降低了用户的作业风险和检测成本，可以检测常规智能检测器由于通过性的问题不敢检测的管线，比如海底管道中有很多大变形的管道、以及变径管道或者其他异形管道，扩大了压电超声波内检测装置的管道适用范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

所述超声探头4可以放在电子舱的前端、中部或者后端，环形探头组固定在电子舱上，可以和电子舱的前后法兰安装在一起；所述超声探头4的环形探头组可以为单排设置，也可以为两排或多排环形阵列式探头组合在一起的设置，所有探头晶片沿圆周方向等距离排列，并组合在一起完成管道圆周方向的全覆盖。

每个阵列式探头包含多个晶片，每个晶片可以单独激发也可以一起激发；每个阵列式探头的发射面具有一定的弯曲弧度，每个探头组覆盖一定的圆周区域，所有探头组合在一起形成一个规则的圆，构成了对管道圆周方向的全覆盖检测，由于内检测装置沿管道轴线方向前进，在前进的过程中探头组完成了对所经过管道的全覆盖检测。内检测装置可以通过测量每个探头相应的管道内壁回波到达时间，测量出探头面与管道内壁的距离从而得到管道几何变形测量信息。如图5所示，由于探头面是圆的，通过检测管道10的管壁到探头面的距离分布可以得出管壁的几何形状。

由于内检测装置在行进的过程中，随着内检测装置的探头与管道内表面之间的距离，也就是提离距离会发生改变，提离距离改变后反射回波的到达时间也就会发生改变，因此电子包7的数据处理单元设置的检测窗闸门也要相应地做出改变，对腐蚀检测探头由于探头直入射到管壁上会收到稳定的界面波，根据界面波的到达时间相应设置检测窗闸门。

所述电子舱的内部设置有与检测有关的所有器件和模块，包括电池包6、电子包7和姿态传感器，所述电池包6用于为同属舱体内部的电子包7供电，所述姿态传感器用来记录内检测装置的姿态数据。低功耗和高度集成化的检测电子包7大大缩小了检测电子模块的体积，使该模块可以和电池包6一起安装在一个电子舱中，最终和环形探头组一起实现了单体式内检测装置，从而使得内检测装置的长度大大缩短，对收发球筒的长度要求降低，甚至在没有收发球筒的情况下也可以使用，增加了适用范围。

所述舱体外壳1的外部安装有探头连接器8，每个阵列式探头由一根多芯电缆引出，并通过一个耐高压水密探头连接器8连到电子舱内部，即所述超声探头4通过所述探头连接器8与所述电子包7电性连接，所述电子包7能够控制阵列式探头的发射；内检测装置边行走边进行检测，每隔一事先设定的轴向移动距离就对管道检测一次，每个轴向位置检测一次所有的探头都要依次激发一遍实现沿圆周方向的扫描，然后再等到移到下一个距离时再做同样的动作；环形探头组的晶片可以依次激发，也可以同时激发，也可以分批依次激发，视检测速度要求和电子包7的设置而定；检测结果自动存到内检测装置舱体内部设置的存储硬盘中。

所述电子包7采用了基于芯片的操作系统，即将一个芯片整合了操作系统、软件执行和数据采集与分析处理功能，芯片既具有信号处理功能，也整合了操作系统。

如图6所示，内检测装置采用的同时得到管道内壁几何变形以及管道壁厚的信号处理算法，每个探头晶片可以通过激励和接收管道反射的超声回波，得到的反射回的超声波脉冲信号，包括管道内壁反射信号和管道外壁反射信号，通过测量管道内壁反射信号的到达时间可以得到探头面与管道内壁的距离，通过测量管道内壁与外壁反射信号的时间差可以得到管道的壁厚数据。

所述里程轮3的数量为三个，三个里程轮3以所述舱体外壳1的轴线为中心沿圆周方向均匀阵列分布，当管道内检测器置入管道中以后，三个里程轮3的滚轮分别与管道内壁接触，伴随着管道内检测器的前进，所述里程轮3的滚轮也会进行滚动，所述里程轮3自带里程系统，能够进行里程测量与数据存储功能，所述里程轮3是用来记录里程的，所述里程轮3上自带弹簧会使得里程轮3与管壁紧密接触，保证里程轮3能够有效计数，当工作人员将管道内检测器从管道内取出时，分别读取三个里程轮3的读数，为避免里程轮3偶尔存在打滑不计数的现象，故取里程轮3计量里程数值最大的数值进行使用；所述防撞头5上安装有牵拉头9，所述牵拉头9为钢丝绳材质，不仅能够起到碰撞缓冲的作用，同时，方便工作人员在收球筒将管道内检测器取出。

本发明的电子电路结构设计较以往的设计体积大大缩小，以往的超声电子包7设计由多个模块组成，包括超声波激励接收模块，数据采集与处理模块，操作系统与数据存储模块、以及电源管理模块等。其中数据采集处理模块负责超声数据的采集与实时处理，操作系统与存储模块负责整个电子系统的管理与对外接口，以及超声波姿态里程轮3温度等数据的提取与存储，这两个电路模块是电子模块的核心部分，占用体积多，功耗大。

本发明实现了集成度更高的电子系统设计，采用了信号采集处理与操作系统一体的CPU芯片与电路设计，该电路设计的特点是采用了基于芯片的操作系统，也就是一个芯片整合了操作系统，软件执行和数据采集与分析处理功能。芯片既具有信号处理功能，也整合了操作系统。所以新型的电子设计使一个芯片取代了常规的信号处理芯片和微型电脑主板两大模块的功能，这样不仅会大大减小功耗，也会大大缩小电子包7的体积，达到新型内检测器的体积和功耗要求。

一种利用上述高通过性管道超声波单节内检测装置的高通过性管道超声波检测方法，包括以下步骤：

S1：对设备进行发球前检查；具体为，首先将内检测装置防撞头5上的防撞帽拆下来，然后连接电源线接头，使得内检测装置上电；然后把内检测装置的调试口插上调试线插头，需要注意的是，如果内检测装置用电池上电，需要把调试线的另一端连接在笔记本电脑上，然后再对设备进行发球前检查。电源线、调试线、笔记本电脑分别为现有基础。

S2：设备检查完毕后断开内检测装置与笔记本电脑的连接，拔掉调试线，在调试口上安装保护帽，内检测装置检查完毕后，把内检测装置运到发球筒进行发球，内检测装置在管道内运行，内检测装置在管道内运行过程中，通过调节内检测装置首尾两端的输送介质的压力，能够实现内检测装置的正推或反推；保护帽、发球筒分别为现有基础。

内检测装置运行过程中，为内检测装置正推状态，此时管道输送介质经后面两个皮碗2上的通孔会对前端第一个皮碗2起到推动作用，从而使得第一个皮碗2实现动力作用，内检测装置会向前运行；当需要反推内检测装置时，工作人员通过改变内检测装置两端的输送介质压力，可以实现内检测装置两端的压差，由于内检测装置后端的输送介质可以由工作人员进行控制，故工作人员可以通过排放内检测装置后端的输送介质实现内检测装置两端的压差，当压差达到一定值时，由于最前端的皮碗2具有一定的柔韧度，其受外力作用能够变形，故最前端的皮碗2在输送介质压差作用下会使得其碗口反转，碗口由原来的朝向后面改为朝向前面，从而使得内检测装置前端的输送介质能够推动靠近防撞头5的皮碗2，使其继续保持动力作用，进而实现内检测装置的反推。

S3：内检测装置在运行过程中超声探头4持续发送信号对管道几何变形与壁厚腐蚀同时进行检测；里程轮3自带的里程系统记录里程，姿态传感器记录内检测装置的姿态数据，所有数据均存储到内检测装置的硬盘中；步骤S3具体为：

内检测装置边行走边进行检测，每隔一事先设定的轴向移动距离就对管道检测一次，每个轴向位置检测一次所有的探头都要依次激发一遍实现沿圆周方向的扫描，然后再等到移到下一个距离时再做同样的动作；

环形探头组的晶片可以依次激发，也可以同时激发，也可以分批依次激发，根据检测速度要求和电子包7的设置而定；

每个探头晶片可以通过激励和接收管道内壁反射的超声回波以测量管道内壁离探头表面的距离，所有探头表面距相应管道内壁的距离组合在一起可以得到管道内壁的几何特征，每个探头还可以接收到管道外壁的反射信号，通过测量管道外壁和内壁反射信号的时间差可以得到管道的壁厚信息。

S4：内检测装置到达收球筒，取出内检测装置收球；

S5：内检测装置连上调试线和电脑，拷数据，然后对数据进行分析，出检测报告。

在实际工作过程中，检测调试好的内检测装置由工作人员在发球筒进行发球，使得内检测装置在管道内运行。内检测装置在运行过程中超声探头4持续发送信号对管道几何变形与壁厚腐蚀同时进行检测，里程轮3记录里程，姿态传感器记录内检测装置的姿态数据，所有数据均存储到内检测装置的硬盘中，内检测装置运行过程中，为内检测装置正推状态，此时管道输送介质经后面两个皮碗2上的通孔会对前端第一个皮碗2起到推动作用，从而使得第一个皮碗2实现动力作用，内检测装置会向前运行；当内检测装置出现卡球时，可通过反推将内检测装置反推出来，具体操作为，工作人员通过改变内检测装置两端的输送介质压力，可以实现内检测装置两端的压差，由于内检测装置后端的输送介质可以由工作人员进行控制，故工作人员可以通过排放内检测装置后端的输送介质实现内检测装置两端的压差，当压差达到一定值时，由于皮碗2具有一定的柔韧度，其受外力作用能够变形，故最前端的皮碗2在输送介质压差作用下会使得其碗口反转，碗口由原来的朝向后面改为朝向前面，从而使得内检测装置前端的输送介质能够推动靠近防撞头5的皮碗2，使其继续保持动力作用，进而实现内检测装置的反推。正常运行过程中，待内检测装置在管线内运行一段距离到达收球筒后，将内检测装置取出，内检测装置连上调试线和电脑，拷数据，然后对数据进行分析，出检测报告即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。