基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測方法與系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的多通道信號控制與處理模塊由多通道激勵信號發(fā)生單元、多通道回波信號處理單元和時序控制單元組成；上位機(jī)與多通道信號控制與處理模塊相連，多通道激勵信號發(fā)生單元與功率放大模塊相連，功率放大模塊與換能器陣列相連，將經(jīng)過功率放大且經(jīng)時序調(diào)整的激勵信號輸入到換能器陣列中，換能器陣列與前置放大模塊相連，前置放大模塊與多通道回波信號處理單元相連，多通道回波處理單元與上位機(jī)相連，多通道回波處理單元將經(jīng)過處理的回波信號上傳到上位機(jī)；本發(fā)明僅激勵一次即可完成對導(dǎo)波覆蓋區(qū)域的完整檢測；本發(fā)明使用的成像算法的運(yùn)算效率遠(yuǎn)快于常用的導(dǎo)波時域成像算法。
【專利說明】
基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于超聲導(dǎo)波測量與壓力容器無損檢測領(lǐng)域，具體涉及一種利用磁致式水平剪切波實(shí)現(xiàn)對儲罐底板腐蝕缺陷在役檢測成像的系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油工業(yè)的發(fā)展，儲罐作為生產(chǎn)、輸運(yùn)中常見的存儲設(shè)備，其應(yīng)用正在不斷地增加。儲罐中存儲的一般為石油化工產(chǎn)品，長期服役過程中，儲罐底板因多種因素作用而產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致最終的儲存介質(zhì)泄漏以及結(jié)構(gòu)失效。根據(jù)相關(guān)資料分析，在儲罐的腐蝕失效中，儲罐底板的腐蝕失效占80%。當(dāng)前，世界各國都愈加重視儲罐的結(jié)構(gòu)健康檢測與監(jiān)測，而儲罐底板正是關(guān)注的重點(diǎn)。
[0003]對于儲罐底板的腐蝕缺陷檢測常用的方法有漏磁、滲透、超聲、射線等。這些方法都為逐點(diǎn)式檢測方法。檢測進(jìn)行前需要將儲罐清空，清理，然后再由人員進(jìn)入儲罐內(nèi)部，使用相關(guān)設(shè)備對儲罐底板進(jìn)行每個區(qū)域的檢測。這些方法的檢測成本高、準(zhǔn)備工作多、檢測效率低、影響儲罐的正常使用。當(dāng)前，研發(fā)一種簡單高效、低成本、能夠?qū)崿F(xiàn)對儲罐底板的在役檢測的無損檢測技術(shù)成為石油化工行業(yè)中研究的熱點(diǎn)之一。
[0004]導(dǎo)波以其傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、對于缺陷敏感等優(yōu)點(diǎn)使其適合儲罐底板的大范圍快速檢測。然而目前我國對于儲罐底板超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)的研究較少。
[0005]專利號為CN2011012810762的發(fā)明專利《基于超聲Lamb波的儲罐底板腐蝕檢測系統(tǒng)及方法》提出了一種使用Iamb波對于儲罐底板腐蝕缺陷進(jìn)行檢測并成像的方法，然而Lamb波存在頻散，檢測信號存在失真。在板類結(jié)構(gòu)浸液環(huán)境中Lamb波能量泄漏嚴(yán)重，傳播距離不長，專利中使用的成像方法為時域成像算法，成像速度慢，并不適用于大面積檢測范圍的缺陷成像。
[0006]專利號CN2011101246471的發(fā)明專利《石油儲罐底板超聲導(dǎo)波檢測方法和系統(tǒng)》提出使用換能器陣列實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波聚焦的檢測方法。然而這種方法對于延時精度要求高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，檢測時需要多次發(fā)射使焦點(diǎn)在檢測范圍內(nèi)移動，檢測效率低。
[0007]現(xiàn)有的技術(shù)對于儲觸底板的超聲導(dǎo)波檢測，尚無一種快速尚效、檢測范圍大、缺陷定位準(zhǔn)確、精度高的檢測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種快速尚效，檢測范圍大、缺陷檢測精度尚、定位準(zhǔn)確的基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)與方法。
[0009]本發(fā)明按以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0010]本發(fā)明使用水平剪切波對儲罐底板的腐蝕缺陷進(jìn)行無損檢測，具體過程為，使用磁致伸縮式換能器線型陣列在儲罐壁板外的邊緣板上激發(fā)低頻(20KHZ?250KHZ)的零階水平剪切波(SH0波)，水平剪切波與腐蝕缺陷相互作用產(chǎn)生回波。使用換能器陣列接收回波信號后，運(yùn)用導(dǎo)波反演算法進(jìn)行檢測區(qū)域的圖像重建。
[0011]—種基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上位機(jī)、多通道信號控制與處理模塊、功率放大模塊、前置放大模塊和換能器陣列;所述多通道信號控制與處理模塊由多通道激勵信號發(fā)生單元、多通道回波信號處理單元和時序控制單元組成；所述上位機(jī)與多通道信號控制與處理模塊相連，所述多通道激勵信號發(fā)生單元與功率放大模塊相連，所述功率放大模塊與換能器陣列相連，將經(jīng)過功率放大且經(jīng)時序調(diào)整的激勵信號輸入到換能器陣列中，所述換能器陣列與前置放大模塊相連，所述前置放大模塊與多通道回波信號處理單元相連，多通道回波處理單元與上位機(jī)相連，多通道回波處理單元將經(jīng)過處理的回波信號上傳到上位機(jī)。
[0012]優(yōu)選的是，所述換能器陣列采用的是磁致伸縮式換能器，每個磁致伸縮式換能器能夠收發(fā)兩路信號，實(shí)現(xiàn)激勵導(dǎo)波的方向控制。
[0013]優(yōu)選的是，所述換能器陣列排布在壁板外的邊緣板上。
[0014]優(yōu)選的是，所述換能器陣列中的換能器呈線型排布。
[0015]—種基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)的方法，該方法包括以下步驟:
[0016]步驟一:換能器陣列設(shè)置，將整個儲罐底板劃分成多個扇形區(qū)域，每個扇形區(qū)域中在壁板外側(cè)的邊緣板上設(shè)定線型換能器陣列的放置位置，以儲罐底板中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，記錄每個扇形區(qū)域中設(shè)置的換能器陣列位置的坐標(biāo)，然后將換能器安裝于其中一個位置；
[0017]步驟二:換能器陣列中所有換能器同時激勵導(dǎo)波，每個換能器中通入兩路經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的5個周期的正弦電信號，這兩路信號的相位差為90°，從而使激勵的向著儲罐底板外部傳播的導(dǎo)波相互抵消，而向儲罐底板內(nèi)部傳播的導(dǎo)波相干疊加，達(dá)到方向控制的目的，每次激勵過程中，陣列中的換能器同時開始接收信號，將陣列中每個換能器編號N1Q =1，2，3-_11，11為陣列中換能器的個數(shù))，每個換能器接收到兩路信號，這兩路信號經(jīng)過時序控制后疊加在一起作為該換能器的接收信號，每次激勵后，換能器陣列接收到η個信號，構(gòu)成該扇形檢測區(qū)域的原始采集數(shù)據(jù)矩陣S;
[0018]步驟三:將換能器陣列移動到下一個扇形檢測區(qū)域的換能器陣列安裝位置，重復(fù)步驟二的過程，直到獲得所有扇形檢測區(qū)域的原始采集數(shù)據(jù)矩陣&(」=1，2，3...!!!，!!!為劃分的扇形區(qū)域個數(shù))；
[0019]步驟四:利用每個扇形檢測區(qū)域的原始采集數(shù)據(jù)矩陣&和采集參數(shù)矩陣P即可通過導(dǎo)波反演聚焦算法進(jìn)行每個區(qū)域的圖像重建，再通過步驟一中每個扇形檢測區(qū)域中換能器陣列的安裝坐標(biāo)將區(qū)域重建圖像組裝成整個儲罐底板的檢測圖像。
[0020]所述反演聚焦算法包括以下步驟:
[0021]步驟一:輸入原始采集數(shù)據(jù)矩陣S、采集參數(shù)矩陣P;
[0022]步驟二:二維傅里葉變換，得到原始數(shù)據(jù)的頻域矩陣FS，信號截取，得到主頻帶的數(shù)據(jù)矩陣FS(O);
[0023]步驟三:檢測距離均勻離散化，離散成N段，計(jì)算傳遞矩陣H，計(jì)數(shù)Indz= I;
[0024]步驟四:計(jì)算第Indz段頻域數(shù)據(jù)矩陣FS(Indz) =FS(Indz_l)*H;
[0025]步驟五:如果Indz多N時，每個頻域數(shù)據(jù)矩陣沿著頻率方向求和，再進(jìn)行傅里葉變換，得到每一段的圖像數(shù)據(jù)矢量CV(Indz)，輸出反演聚焦圖像C;
[0026]如果Indz<N時，返回到步驟四繼續(xù)執(zhí)行。
[0027]本發(fā)明有益效果:
[0028]第一，本發(fā)明的方法實(shí)施可在儲罐正常工作下進(jìn)行，無需對儲罐進(jìn)行清罐處理，無需進(jìn)入儲罐內(nèi)部；
[0029]第二，本發(fā)明僅激勵一次即可完成對導(dǎo)波覆蓋區(qū)域的完整檢測；
[0030]第三，本發(fā)明使用的成像算法的運(yùn)算效率遠(yuǎn)快于常用的導(dǎo)波時域成像算法，符合實(shí)際檢測工作需求。
【附圖說明】
[0031 ]圖1:多通道檢測系統(tǒng)框圖；
[0032]圖2:檢測區(qū)域劃分示意圖；
[0033]圖3:換能器陣列安裝示意圖；
[0034]圖4:反演聚焦算法原理示意圖；
[0035]圖5:成像算法流程圖；
[0036]圖6:厚度12mm的鋼板的SH波群速度頻散曲線；
[0037]圖7:零階水平剪切波(SHO)的位移結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖中:1、上位機(jī)，2、多通道激勵信號發(fā)生單元，3、功率放大模塊，4、換能器陣列，5、邊緣板，6、中幅板，7、壁板，8、前置放大模塊，9、多通道回波信號處理單元，10、時序控制單元，11、多通道信號控制與處理模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。權(quán)利要求中構(gòu)成要件和實(shí)施例中具體實(shí)例之間的對應(yīng)關(guān)系可以如下例證。這里的描述意圖在于確認(rèn)在實(shí)施例中描述了用來支持在權(quán)利要求中陳述的主題的具體實(shí)例，由于在實(shí)施例中描述了實(shí)例，不意味著該具體實(shí)例不表示構(gòu)成要件。相反地，即使在此包含了具體實(shí)例作為對應(yīng)一個構(gòu)成要件的要素特征，也不意味著該具體實(shí)例不表示任何其它構(gòu)成要件。
[0040]此外，這里的描述不意味著對應(yīng)于實(shí)施例中陳述的具體實(shí)例的所有主題都在權(quán)利要求中引用了。換句話說，這里的描述不否認(rèn)這種實(shí)體，即對應(yīng)實(shí)施例包含的具體實(shí)例，但不包含在其任何一項(xiàng)權(quán)利要求中，即，能夠在以后的修正被分案并申請、或增加的可能發(fā)明的實(shí)體。
[0041 ] 實(shí)施例:
[0042]如圖1所示，一種基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上位機(jī)1、多通道信號控制與處理模塊11、功率放大模塊3、前置放大模塊8和換能器陣列4;多通道信號控制與處理模塊11由多通道激勵信號發(fā)生單元2、多通道回波信號處理單元9和時序控制單元10組成;上位機(jī)I與多通道信號控制與處理模塊11相連，多通道激勵信號發(fā)生單元2與功率放大模塊3相連，功率放大模塊3與換能器陣列4相連，將經(jīng)過功率放大且經(jīng)時序調(diào)整的激勵信號輸入到換能器陣列4中，換能器陣列4與前置放大模塊8相連，前置放大模塊8與多通道回波信號處理單元9相連，多通道回波處理單元9與上位機(jī)I相連，多通道回波處理單元9將經(jīng)過處理的回波信號上傳到上位機(jī)I。
[0043]以浮頂油罐為例，其儲罐底板為圓形，如圖2所示，對于要檢測的儲罐底板，以儲罐底板中心為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系。將整個儲罐底板劃分為多個扇形檢測區(qū)域，劃分的個數(shù)根據(jù)儲罐底板的面積來確定。在極坐標(biāo)系中確定每個扇形區(qū)域中換能器陣列4安裝位置的極坐標(biāo)，以此作為最終儲罐底板缺陷檢測成像的坐標(biāo)依據(jù)。如圖3所示，每個扇形檢測區(qū)域中，換能器陣列4都安裝在壁板7外的邊緣板5上，換能器陣列4中換能器呈線型排布。
[0044]檢測中選擇激勵的導(dǎo)波為零階水平剪切波(S卩SHO波)。選擇SHO波的原因?yàn)?第一，如圖6所示，SHO波是不頻散的，其群速度不隨激勵頻率而變化，從而保證在接收到的信號不會出現(xiàn)波包的時域延拓，降低了后期信號處理的復(fù)雜性，有利于對于信號中有用信息的提取;第二，如圖7所示，SHO波對于板厚方向的各位置的位移振幅保持一致，傳播過程中覆蓋檢測區(qū)域的整個橫截面，保證了對于板中不同深度的缺陷有相同的檢測靈敏度;第三，相對于Lamb波來說，SHO波只存在面內(nèi)位移，理論上來說，其在儲罐底板的傳播過程中不受儲罐中的液體或者儲罐底板下側(cè)的起支撐左右的泥沙的影響，從而保證板中的導(dǎo)波能量的最小程度的損失，使檢測距離顯著提高。
[0045]對于某一扇形檢測區(qū)域，在保證成像分辨率的情況下，根據(jù)其面積確定排布的換能器陣列中換能器的個數(shù)與換能器之間的間距，所采用的換能器為磁致伸縮式導(dǎo)波換能器，該種換能器能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)波的定向發(fā)射，使換能器陣列4激勵的導(dǎo)波僅向儲罐底板內(nèi)部傳播。在某一扇形檢測區(qū)域的指定位置安裝好換能器陣列4。激勵信號為5個周期的經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的正弦信號，換能器陣列4中的所有換能器同時激勵，然后開始接收，得到的接收信號即為該區(qū)域的原始采集數(shù)據(jù)矩陣S。對于一個扇形檢測區(qū)域，只需一次激勵即可完成檢測。將換能器陣列4移動到下一個扇形區(qū)域，重復(fù)以上過程即可完成對于儲罐的全部檢測。假設(shè)整個儲罐被劃分為m個扇形檢測區(qū)域，使用的換能器陣列4中有η個換能器，那么，對于第j個扇形檢測區(qū)域，其原始采集數(shù)據(jù)矩陣為SK j = l，2，3，…，m)，包含η組時域信號。對于整個儲罐底板，僅需m次激勵即可完成全部檢測，總的數(shù)據(jù)量為m*n組時域信號。
[0046]對于每個扇形檢測區(qū)域，使用的成像算法為反演聚焦算法，其基本原理如圖4所示，假設(shè)換能器陣列所在的位置為X軸上，導(dǎo)波發(fā)射方向?yàn)閦軸正向，當(dāng)檢測區(qū)域存在缺陷時，缺陷的回波信號沿著z軸負(fù)向傳播，被位于Z = O的換能器陣列接收到，假設(shè)其經(jīng)過二維傅里葉變換后的頻域矩陣為FSz=o，若將換能器陣列向z軸正向移動到2 = 21上，對于同一個缺陷的回波信號的頻域矩陣為FSz=zi，則存在傳遞矩陣Hzi，滿足FSZ=Z1 = FSZ=Q*HZ1，那么當(dāng)移動換能器陣列與缺陷處于相同的z向位置時，接收到的缺陷信號有最大的橫向分辨率，從而達(dá)到了聚焦的目的。具體的步驟為:首先確定Z向的檢測范圍，將檢測范圍沿著z軸劃分為N段，換能器陣列可認(rèn)為位于第O段;根據(jù)每一段的檢測距離可確定傳遞矩陣H，然后利用設(shè)定的采集參數(shù)矩陣P，通過二維傅里葉變換計(jì)算第O段接收信號的頻域矩陣FS(O)，再計(jì)算每一段頻域矩陣，第indz段的頻域矩陣等于第indz-Ι段的頻域矩陣與傳遞矩陣H的乘積，SPFS(indz)=FS(indz-l)*H。最后將每一段的頻域矩陣經(jīng)過逆變換再組裝在一起即為該檢測區(qū)域的反演聚焦圖像。詳細(xì)步驟如圖5所示。
[0047]在得到每個扇形檢測區(qū)域的缺陷檢測圖像后，根據(jù)每個區(qū)域的換能器陣列的極坐標(biāo)，即可將所有的區(qū)域缺陷檢測圖像組裝成整個儲罐底板的缺陷檢測圖像。以上所有成像過程都在上位機(jī)I中完成。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括上位機(jī)(1)、多通道信號控制與處理模塊(11)、功率放大模塊(3)、前置放大模塊(8)和換能器陣列(4); 所述多通道信號控制與處理模塊(11)由多通道激勵信號發(fā)生單元(2)、多通道回波信號處理單元(9)和時序控制單元(10)組成； 所述上位機(jī)(I)與多通道信號控制與處理模塊(11)相連，所述多通道激勵信號發(fā)生單元(2)與功率放大模塊(3)相連，所述功率放大模塊(3)與換能器陣列(4)相連，將經(jīng)過功率放大且經(jīng)時序調(diào)整的激勵信號輸入到換能器陣列(4)中，所述換能器陣列(4)與前置放大模塊(8)相連，所述前置放大模塊(8)與多通道回波信號處理單元(9)相連，多通道回波處理單元(9)與上位機(jī)(I)相連，多通道回波處理單元(9)將經(jīng)過處理的回波信號上傳到上位機(jī)(I)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述換能器陣列(4)采用的是磁致伸縮式換能器，每個磁致伸縮式換能器能夠收發(fā)兩路信號，實(shí)現(xiàn)激勵導(dǎo)波的方向控制。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述換能器陣列(4)排布在壁板(7)外的邊緣板(5)上。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述換能器陣列(4)中的換能器呈線型排布。5.—種利用權(quán)利要求1所述的基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測系統(tǒng)的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟， 步驟一:換能器陣列(4)設(shè)置，將整個儲罐底板劃分成多個扇形區(qū)域，每個扇形區(qū)域中在壁板(7)外側(cè)的邊緣板(5)上設(shè)定線型換能器陣列的放置位置，以儲罐底板中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，記錄每個扇形區(qū)域中設(shè)置的換能器陣列(4)位置的坐標(biāo)，然后將換能器安裝于其中一個位置； 步驟二:換能器陣列(4)中所有換能器同時激勵導(dǎo)波，每個換能器中通入兩路經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的5個周期的正弦電信號，這兩路信號的相位差為90°，從而使激勵的向著儲罐底板外部傳播的導(dǎo)波相互抵消，而向儲罐底板內(nèi)部傳播的導(dǎo)波相干疊加，達(dá)到方向控制的目的，每次激勵過程中，陣列中的換能器同時開始接收信號，將陣列中每個換能器編號N1，每個換能器接收到兩路信號，這兩路信號經(jīng)過時序控制后疊加在一起作為該換能器的接收信號，每次激勵后，換能器陣列接收到多個信號，構(gòu)成該扇形檢測區(qū)域的原始采集數(shù)據(jù)矩陣S; 步驟三:將換能器陣列(4)移動到下一個扇形檢測區(qū)域的換能器陣列安裝位置，重復(fù)步驟二的過程，直到獲得所有扇形檢測區(qū)域的原始采集數(shù)據(jù)矩陣&; 步驟四:利用每個扇形檢測區(qū)域的原始采集數(shù)據(jù)矩陣&和采集參數(shù)矩陣P即可通過導(dǎo)波反演聚焦算法進(jìn)行每個區(qū)域的圖像重建，再通過步驟一中每個扇形檢測區(qū)域中換能器陣列(4)的安裝坐標(biāo)將區(qū)域重建圖像組裝成整個儲罐底板的檢測圖像。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于磁致式水平剪切波的儲罐底板在役檢測方法，其特征在于，所述反演聚焦算法包括以下步驟， 步驟一:輸入原始采集數(shù)據(jù)矩陣S、采集參數(shù)矩陣P; 步驟二: 二維傅里葉變換，得到原始數(shù)據(jù)的頻域矩陣FS，信號截取，得到主頻帶的數(shù)據(jù)矩陣FS(O); 步驟三:檢測距離均勻離散化，離散成N段，計(jì)算傳遞矩陣H，計(jì)數(shù)Indz = I; 步驟四:計(jì)算第Indz段頻域數(shù)據(jù)矩陣FS(Indz) =FS(Indz-1 )*H; 步驟五:如果Indz多N時，每個頻域數(shù)據(jù)矩陣沿著頻率方向求和，再進(jìn)行傅里葉變換，得到每一段的圖像數(shù)據(jù)矢量CV(Indz)，輸出反演聚焦圖像C; 如果Indz<N時，返回到步驟四繼續(xù)執(zhí)行。
【文檔編號】G01N29/06GK106066365SQ201610700776
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年8月22日
【發(fā)明人】薛正林, 韓燁, 駱蘇軍, 袁方, 劉覺非, 馬云修, 李健, 袁龍春, 劉洋, 成文峰, 鄭樹林, 王書增, 楊永前
【申請人】中國石油化工股份有限公司, 中石化長輸油氣管道檢測有限公司, 杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司, 中國石化管道儲運(yùn)有限公司