CN102183229B - 一种管道内垢层厚度的超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

一种管道内垢层厚度的超声波检测方法，本发明方法是利用两次不同角度的超声波分别入射，通过测量出两次入射时超声波在充满液体的管道内的穿透时间，在已知超声波在管壁和填充液体中的传播速度、超声波入射角和折射角关系的基础上联立方程组，进而计算出管道内垢层的速度和厚度。该方法可以在未知垢层性质的情况下测量出垢层厚度，可以实现管道的在役检测，无破坏性，精度可靠。

Description

一种管道内垢层厚度的超声波检测方法

技术领域

本发明涉及一种管道内垢层厚度的超声波检测方法，属于无损检测领域。

背景技术

在石油化工、冶金、热电等众多行业中，各种设备及管道内普遍存在结垢问题。垢层会缩小管道流通面积，增加输送阻力，结垢严重的部位甚至会造成堵塞；在一些热交换***中，由于垢的导热系数很小，垢层会降低受热面热量传递速度，致使受热面温度异常升高，破坏了管道的机械强度，大大缩短了管道的使用寿命，甚至会造成爆管事故。

为了预防事故，减少耗能，需要对管道及时酸洗除垢。这就必须实时了解管道内垢层的情况。管道内壁的结垢情况主要跟输送介质、工作环境、在役使用时间等多个因素有关，目前工程上主要采用割管方式了解结垢情况，该方法工期长、破坏性大、成本高，严重影响设备的正常运行，且无法有效了解整个管道内壁的结垢情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种管道内垢层厚度的超声波检测方法，它对管道没有破坏性，且可以管道在役检测。

本发明方法是利用两次不同角度的超声波分别入射，通过测量出两次入射时超声波在充满液体的管道内的穿透时间，在已知超声波在管壁和填充液体中的传播速度、超声波入射角和折射角关系的基础上联立方程组，进而计算出管道内垢层的速度和厚度的一种超声测垢方法。

具体地，本发明的技术方案依次包括以下步骤：

(1)考虑超声波在探头中的传播时间，采用标准试块进行仪器零点校核；

(2)在被测管道上选择表面光洁且轴向平直的一段安装探测夹具，对被测管道进行打磨预处理；

(3)测量相近4点管道外径值和管道壁厚，通过离散系数小于0.8％的条件，初步选择探测点；

(4)在初步选择探测点附近取4点，测量垂直穿透时间，通过离散系数小于0.1％的条件，最终定位探测点；

(5)探测点处管道壁厚以及声波穿透路径的测量

用超声测厚仪分别测出探测点两端的管道壁厚δ₁₁、δ₁₂，两者的和即为探测点处管道壁厚和δ₁；从管道打磨处的两端测出垂直穿透检测时管道的声波传播路径D；

(6)垢层超声波传播速度值的假设及垢层厚度值的预估；

根据管道的使用环境和经验数据假设出垢层的超声波传播速度v₂，根据直穿透的传播规律预估出垢层厚度：

$\mathrm{\δ}=\frac{v_2{v}_3}{2(v_3-v_2)}(T_1-\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1}-\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1}{v_3})\·\·\·\·\·\·\left(a\right)$

式中：T₁：垂直入射时超声波在管道内的传播时间，单位：秒；

D：超声传播路径，单位：米；

δ₁：管壁的厚度和，单位：米；

δ：垢的厚度，单位：米；

v₁：超声波在管壁中传播的速度，单位：米/秒；

v₂：超声波在垢中传播的速度，单位：米/秒；

v₃：超声波在液体中传播的速度，单位：米/秒；

然后，根据式(a)可对垢厚度值作出预先估算；

(7)根据上一步垢层厚度的预估值，预判断出斜探头入射方向的偏移值；采用直入射和斜入射方式分别测量超声波穿透管道的时间T1和T2；

(8)探测点处垢层速度值及厚度值的初步确定

根据直透射传播规律可以得到公式(b)：

$T_1=\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1}+\frac{2\mathrm{\δ}}{v_2}+\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1-2\mathrm{\δ}}{v_3}\·\·\·\·\·\·\left(b\right)$

根据斜透射传播规律可以得到公式(c)：

$T_2=\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{2\mathrm{\δ}}{v_2\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_2}+\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1-2\mathrm{\δ}}{v_3\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_3}\·\·\·\·\·\·\left(c\right)$

根据超声波在不同界面传播规律，可以得到折射角和入射角的关系式(d)：

Sinθ₁/v₁＝Sinθ₂/v₂＝Sinθ₃/v₃ ……(d)

式中T₂：斜穿透检测时超声波在管道内的传播时间，单位：秒；

θ₁：斜入射超声波在在钢/垢界面的入射角；

θ₂：斜入射超声波在在钢/垢界面的折射角，和斜入射超声波在垢/液体界面的入射角；

θ₃：斜入射超声波在在垢/液体界面的折射角；

根据K＝tanθ₁，得出θ₁的值，然后联立(b)、(c)、(d)三式，采用迭代法计算得出超声波在垢层中的传播角度θ₂、速度v₂以及垢层厚度δ₂；

(9)探测点处垢层速度值及厚度值的最终确定

根据算出的速度和厚度值，重新判断接收探头的安置位置，然后再次进行直、斜透射，测量穿透时间，根据公式(a)、(b)和(c)重新计算出垢速度值和厚度值；

若两次计算的速度值相差小于平均值的0.1％，则该值就是超声波在垢层中传播的速度值；否则再次重新定位、测量，直至两次测量所计算出的速度值相差小于平均值的0.1％，此时所得到的速度值就是超声波在垢层中传播的速度值；

根据所确定的垢的速度值，采用直入射法于探测点处对待测管道进行垂直穿透检测，根据式(a)可计算出垢的厚度值。

上述技术方案中，需要说明的是，在用(a)式计算垢层厚度时，由于超声波在液体中的传播速度会随着液体温度的变化而变化，所以上式在计算时必须注意温度补偿。利用感温器件测温来实现声速间接补偿，消除温度对检测带来的影响，以提高测量精度。

与现有技术相比，本发明取得了以下技术效果：

(1)在未知垢层性质的情况下测量出垢层厚度。在以往的无损检测手段中，要探测出管道结垢情况，必须先弄清楚管道中垢的性质。而本发明可以在未知垢层性质的情况下利用超声波穿透信号测量出垢层速度，解决了垢层性质未知的问题，进而测量出垢层厚度。

(2)实现了管道在役检测。管道在线运行时，内部充满液体，检测时无需放空内部液体，超声波可以借助液体沿直径方向穿透管道，从而利用超声波穿透信号测量出垢层厚度。

(3)无破坏性。该技术无需割管了解结垢情况，能够动态掌握整个设备的管道垢层厚度的分布，大幅降低了检测成本。另外，由于割管会对管道的再次修复利用埋下安全隐患，而本文所述的检测技术则避免了该问题。

(4)精度高。该方法借助超声波穿透检测的优势，能很好地消除垢分层等其他因素的干扰，提高垢层速度的准确度，从而提高垢层厚度测量精度，为除垢提供科学有效的参考依据，避免了工程上的盲目除垢，保证了管道的安全运行。

附图说明

图1为初步选择探测点过程示意图

图2为本发明方法的原理示意图

图3为图2的局部放大图

其中：1-管壁、2-垢、3-液体、4-直探头、5-斜探头。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步对本发明进一步的做详细说明。

本发明的具体实施方法如下：

(1)采用标准试块进行零点校核

实际检测中，超声波在探头中有一段传播路径，该段声时会影响垢层厚度值测量的精确性。因此，为了提高检测精度，我们采用标准试块来进行零点校核。

选用一个已知声速已知厚度的标准试块，以方便明确超声波在标准试块中直穿透及以不同路径斜穿透所需的传播时间；然后计算出实际检测时穿透总时间与相应检测方式下超声波在试块中传播时间的差值，即得到不同检测方式下超声波在探头中的传播时间；最后，在对工件进行检测前，根据检测方式和相应检测方式下的差值直接以数字方式输入零位偏移。

(2)安装探测夹具

在被测管道上选择表面光洁且轴向平直的一段安装探测夹具，探测夹具主要用来进行打磨预处理和探头定位。首先启动打磨设备对管道进行轴向平行打磨加工，一方面保证了发射面和接收面的平行性；另一方面增加了探头和管道的接触面积，改善了检测时的声耦合效果。打磨加工完毕后，于打磨面上涂抹耦合剂，并在探测夹具上安装探头，根据夹具上的刻度尺对探头精确定位；探测夹具同时也避免了检测中因探头的按压力度、探头的按压角度等人为因素的影响。

(3)初步选择探测点，保证检测部位管道外径和管壁的均匀性

参见图1，将磨削面上一点初步选为探测点，然后评估该点是否符合探测要求。第一步，用千分尺测量该点处两平行打磨面间的距离d₁，然后在打磨面上该点的一侧再选择与该点靠近的3点，分别测出这几点处两平行打磨面间的距离d₂、d₃、d₄，如果d₁、d₂、d₃、d₄之间的离散系数小于0.8％，则可进行下一步操作，否则重新选点。第二步，在初步选择的探测点上，用超声测厚仪测出附近4点所对应的管道壁厚，如果所测4点处的管道壁厚离散系数小于0.8％，则表示此打磨面上该段管道的管壁较均匀；同理评估另一打磨面上该段管道的管壁均匀与否。若以上两步评估符合要求，则表示之前的选择可初步定为探测点。

(4)最终定位探测点，保证检测部位管道垢层厚度的均匀性

选用规格、频率相同的一对直探头，于探测点处对管道进行垂直穿透检测，根据垂直透射首波得出穿透时间T₁。采用同样的方法，在打磨面上探测点附近沿直线每10mm进行一次穿透，并比较它们的穿透时间。初步选择探测点时已保证了打磨面的平行性、管壁厚度的均匀性，取4个连续的探测点，若这些点所测的穿透时间的离散系数小于0.1％，则表示管道垢层厚度均匀。此时，初定点就可最终选为探测点。

(5)探测点处管道壁厚以及声波穿透路径的测量

用超声测厚仪分别测出探测点两端的管道壁厚δ₁₁、δ₁₂，两者的和即为探测点处管道壁厚和δ₁；用千分尺从管道打磨处的两端测出垂直穿透检测时管道的声波传播路径D。

(6)垢速度值的假设及垢厚度值的预估

根据管道的使用环境大体估出垢层的超声波传播速度。

根据直穿透检测的传播规律可以得出垢层厚度的计算公式(a)：

$\mathrm{\δ}=\frac{v_2{v}_3}{2(v_3-v_2)}(T_1-\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1}-\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1}{v_3})\·\·\·\·\·\·\left(a\right)$

式中：T₁：垂直入射时超声波在管道内的传播时间，单位：秒；

D：超声传播路径，单位：米；

δ₁：管壁的厚度和，单位：米；

δ：垢的厚度，单位：米；

v₁：超声波在管壁中传播的速度，单位：米/秒；

v₂：超声波在垢中传播的速度，单位：米/秒；

v₃：超声波在液体中传播的速度，单位：米/秒；

然后，根据式(a)可对垢厚度值作出预先估算。需要说明的是，由于超声波在液体中的传播速度会随着液体温度的变化而变化，所以上式在计算时必须注意温度补偿。

(7)公式计算时的温度补偿

超声波在液体中的传播速度随着液体温度的不同而不同，且受温度的影响较大。所以，在公式计算时，根据液体声速与温度之间的关系，利用感温器件测温来实现声速间接补偿，消除温度对检测带来的影响，以提高测量精度。

(8)采用斜入射方式测量超声波斜穿透管道的时间T₂

选择一对规格相同，即K值、前沿长度等参数相同的斜探头，将发射探头安置在探测点；根据上一步垢层厚度的预估值，可以预判断出斜探头入射方向的偏移值，从而找出接收的探头的安装位置；然后对工件进行斜穿透检测，根据斜透射首波得到斜穿透时间T₂。

(9)探测点处垢层速度值及厚度值的初步确定

根据直透射传播规律可以得到公式(b)：

$T_1=\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1}+\frac{2\mathrm{\δ}}{v_2}+\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1-2\mathrm{\δ}}{v_3}\·\·\·\·\·\·\left(b\right)$

根据斜透射传播规律可以得到公式(c)：

$T_2=\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{2\mathrm{\δ}}{v_2\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_2}+\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1-2\mathrm{\δ}}{v_3\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_3}\·\·\·\·\·\·\left(c\right)$

根据超声波在不同界面传播规律，可以得到折射角和入射角的关系式(d)：

Sinθ₁/v₁＝Sinθ₂/v₂＝Sinθ₃/v₃ ……(d)

式中T₂：斜穿透检测时超声波在管道内的传播时间，单位：秒；

θ₁：斜入射超声波在在管壁/垢界面的入射角；

θ₂：斜入射超声波在在管壁/垢界面的折射角，和斜入射超声波在垢/液体界面的入射角；

θ₃：斜入射超声波在在垢/液体界面的折射角；

另外，斜探头的K值已知，可以根据K＝tanθ₁，得出θ₁的值，然后联立(b)、(c)、(d)三式，采用迭代法计算得出超声波在垢层中的传播角度θ₂、速度v₂以及垢层厚度δ₂。

(10)探测点处垢层速度值及厚度值的最终确定

由于斜透射检测时灵敏度相对较低，信噪比低，接收探头的定位误差相对较大，因此需要根据算出的速度和厚度值，重新判断接收探头的安置位置。然后，再次进行直、斜透射，测量穿透时间，根据公式(a)、(b)和(c)重新计算出垢速度值和厚度值。若两次计算的速度值之差小于平均值的0.1％，则该值就是超声波在垢层中传播的速度值；否则再次重新定位、测量，直至两次测量所计算出的速度值之差小于平均值的0.1％，此时所得到的速度值就是超声波在垢层中传播的速度值。

根据所确定的垢的速度值，采用直入射法于探测点处对待测管道进行垂直穿透检测，根据式(a)可计算出垢的厚度值。

(11)探测点附近其它部位垢层厚度的确定

为了测量出垢层速度值，前面所选的探测点保证了一定的探测条件。而探测点附近的其它部位可能存在弯头或者垢厚度不均匀等情况，因管道上探测点极其附近一段工作环境相同，所形成的垢的性质相近，此时我们可以利用探测点处所测量得到的垢层速度值，对其他部位垢的厚度进行测量。

Claims (2)

1.一种管道内垢层厚度的超声波检测方法，其特征在于依次包括如下步骤：

(1)考虑超声波在探头中的传播时间，采用标准试块进行仪器零点校核；

(2)在被测管道上选择表面光洁且轴向平直的一段安装探测夹具，对被测管道进行打磨预处理；

(3)测量相近4点管道外径值和管道壁厚，通过离散系数小于0.8％的条件，初步选择探测点；

(4)在初步选择探测点附近取4点，测量垂直穿透时间，通过离散系数小于0.1％的条件，最终定位探测点；

(5)探测点处管道壁厚以及声波穿透路径的测量

用超声测厚仪分别测出探测点两端的管道壁厚δ₁₁、δ₁₂，两者的和即为探测点处管道壁厚和δ₁；从管道打磨处的两端测出垂直穿透检测时管道的声波传播路径D；

(6)垢层超声波传播速度值的假设及垢层厚度值的预估

根据管道的使用环境和经验数据假设出垢层的超声波传播速度v₂，根据直穿透的传播规律预估出垢层厚度：

$\mathrm{\δ}=\frac{v_2{v}_3}{2(v_3-v_2)}(T_1-\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1}-\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1}{v_3})\·\·\·\·\·\·\left(a\right)$

式中：T₁：垂直入射时超声波在管道内的传播时间，单位：秒；

D：超声传播路径，单位：米；

δ₁：管壁的厚度和，单位：米；

δ：垢的厚度，单位：米；

v₁：超声波在管壁中传播的速度，单位：米/秒；

v₂：超声波在垢中传播的速度，单位：米/秒；

v₃：超声波在液体中传播的速度，单位：米/秒；

然后，根据式(a)可对垢厚度值作出预先估算；

(7)根据上一步垢层厚度的预估值，预判断出斜探头入射方向的偏移值；采用直入射和斜入射方式分别测量超声波穿透管道的时间T1和T2；

(8)探测点处垢层速度值及厚度值的初步确定

根据直透射传播规律可以得到公式(b)：

$T_1=\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1}+\frac{2\mathrm{\δ}}{v_2}+\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1-2\mathrm{\δ}}{v_3}\·\·\·\·\·\·\left(b\right)$

根据斜透射传播规律可以得到公式(c)：

$T_2=\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{v_1\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{2\mathrm{\δ}}{v_2\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_2}+\frac{D-{\mathrm{\δ}}_1-2\mathrm{\δ}}{v_3\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}}_3}\·\·\·\·\·\·\left(c\right)$

根据超声波在不同界面传播规律，可以得到折射角和入射角的关系式(d)：

Sinθ₁/v₁＝Sinθ₂/v₂＝Sinθ₃/v₃                ……(d)

式中T₂：斜穿透检测时超声波在管道内的传播时间，单位：秒；

θ₁：斜入射超声波在在钢/垢界面的入射角；

θ₂：斜入射超声波在在钢/垢界面的折射角，和斜入射超声波在垢/液体界面的入射角；

θ₃：斜入射超声波在在垢/液体界面的折射角；

根据K＝tanθ₁，得出θ₁的值，然后联立(b)、(c)、(d)三式，采用迭代法计算得出超声波在垢层中的传播角度θ₂、速度v₂以及垢层厚度δ₂；

(9)探测点处垢层速度值及厚度值的最终确定

根据算出的速度和厚度值，重新判断接收探头的安置位置，然后再次进行直、斜透射，测量穿透时间，根据公式(a)、(b)和(c)重新计算出垢层速度值和厚度值；

若两次计算的速度值之差小于平均值的0.1％，则该值就是超声波在垢层中传播的速度值；否则再次重新定位、测量，直至两次测量所计算出的速度值之差小于平均值的0.1％，此时所得到的速度值就是超声波在垢层中传播的速度值；

根据所确定的垢的速度值，采用直入射法于探测点处对待测管道进行垂直穿透检测，根据式(a)可计算出垢的厚度值。

2.如权利要求1所述的超声波检测方法，其特征在于，在用(a)式计算垢层厚度时，对超声波在液体中的传播速度进行温度补偿。

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