技术领域
[0001] 本
发明属于超声导波
无损检测技术领域，特别是提供了一种高温注汽管道缺陷监测方法。
背景技术
[0002] 随着国民经济的发展，管道运输的使用越来越广泛，管道运输与
铁路、公路、航空、
水运一起成为现代五大运输业。高温注汽管道广泛用于石油、化工、
冶金、
天然气、热电、核电及供热等行业，用于传送油、气、
蒸汽等介质，管道运输向着高压
力、大口径、长距离的方向发展，管道所处工作环境也越来越复杂、恶劣。由于在高温高压的条件下使用，管道很容易因
温度、压力、
流体的冲刷
腐蚀等因素产生管壁变薄、磨损、裂纹等缺陷，由此引发泄露和爆炸事故，产生人员和财产损失。为保证高温注汽管道的安全运行，有必要对在役高温注汽管道缺陷进行定期在线检测或长期监测，由于管道表面包覆有较厚的保温层，因此无法使用漏磁、
涡流、红外线等方法检测，采用射线的方法进行管道缺陷检测不仅检测周期长、检测效果差、检测距离有限，而且射线
辐射对人体有害，需采取很好的防护措施。以往检测高温注汽管道缺陷的方法是将管道保温层全部去除，逐点用超声体波测厚的方法检测缺陷，检测完成后再恢复保温层，这种传统方法检测效率非常低，浪费大量的人力物力，且检测效果差，难以达到全面地诊断评价管道缺陷和排除所有危险段的目的。
[0003] 二十世纪六十年代诞生了电磁超声检测技术，它利用
电磁感应原理、洛伦兹力和
磁致伸缩效应，在被检测体中引起局部震动，从而在检测体内激发出超声导波，超声导波在管道中传播遇到缺陷产生超声回波，通过检测超声回波状况判断管道的缺陷，电磁超声检测方法有以下几个优点：不需要耦合介质，因此
探头结构简单；检测过程非
接触，适用于高温管道的检测；对管道材料表面的光洁度要求低；对人体和环境无危害。国内外也有使用电磁超声检测技术进行缺陷检测的设备，
申请号为200910227225.X的
专利申请“电站厚壁管道超声导波检测方法”给出了用超声导波检测电站管道的方法，但该方法不是使用埋置探头，也不能适用高温在役管道；英国PI公司开发了Teletest仪器，该仪器基于
压电效应原理，在进行带包覆层高温管道检测时，必须去掉部分包覆层以安置压电
传感器，并保证管道表面光洁平整，压电晶片也不易于调节导波模态；美国西南研究院(SWRI)研制的MsS仪器需要在管道表面贴合一层磁致伸缩功能材料—铁钴条带，检测探头使用两个探头实现超声导波的发射和接收，此方法有一定的检测盲区，缺陷
定位准确性较差，包覆层破坏较多；申请号为200710053566.0的专利申请“一种管道缺陷快速扫查方法和无损检测装置”也使用双探头分别实现超声导波的发射和接收，检测盲区较大，包覆层破坏较多，在超声导波的方向控制方面，使用
编码器实现，结构复杂，检测效果差，激励源采用
单片机控制方式实现，与本方法采用的FPGA控制方式相比，处理速度慢、可靠性低；在
数据采集和处理方面，使用A/D转换模
块和
嵌入式计算机系统进行
信号采集，而本方法采用高速数据采集卡搭配基于Labview的数据采集
软件实现，具有通用性好，结构简单的优点，同时产品化的数据采集卡保证了数据采集过程的高
稳定性。另外，本方法可使用工频交流电工作也可使用
蓄电池工作，避免了野外作业缺少220伏的交流电源所带来的不便。
发明内容
[0004] 为了克服上述
现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高温注汽管道缺陷监测方法，埋置探头可以预埋于管道保温层中，基本无需破坏高温注汽管道的保温层就可实现管道缺陷的在线检测和长期监测，简单并能准确定位管道缺陷。
[0005] 为了达到目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] 一种高温注汽管道缺陷监测方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一，将埋置探头101与
耦合器102的探头
接口相连，激励
电路103与耦合器102的激励源接口连接；
[0008] 步骤二，将信号调理电路104的输入端与耦合器102的信号调理接口连接，输出端与计算机采集和处理系统105的数据采集卡接口连接；
[0009] 步骤三，激励源103通过耦合器102给埋置探头101输入脉冲
激励信号；
[0010] 步骤四，埋置探头101利用管道材料在偏置
磁场和交变磁场的作用下的磁致伸缩效应和洛伦兹力，在管道中激发出超声导波，超声导波在管道的传播过程中遇到缺陷会产生超声回波；
[0011] 步骤五，超声回波传到埋置探头101时，埋置探头101利用管道材料磁致伸缩和洛仑兹力逆效应，将超声回波转化为
电压信号，并通过耦合器102传给信号调理电路104；
[0012] 步骤六，信号调理电路104对超声回波信号进行放大、滤波和隔离处理，将处理后的信号输出到计算机采集和处理系统105；
[0013] 步骤七，计算机采集和处理系统105对含缺陷信息的超声回波信号进行采集、处理和显示。
[0014] 所述的埋置探头101、耦合器102、激励源103、信号调理电路104、计算机采集和处理系统105通过带屏蔽层
电缆连接。
[0015] 在本发明中，埋置探头101由探头线圈和
永磁体组成，探头线圈采用柔性印刷
电路板制作，精确控制线圈中
导线的宽度和线圈的间距，探头线圈扣合在待测管道的表面进行工作，通过配有可插拔的连线插头，能够长期埋置于管道中；永磁体部分为四个永磁体块，它们之间用
铰链相接，用来为探头线圈提供偏置磁场，探头线圈包括收发线圈和方向控制线圈，收发线圈通过耦合器102实现对超声导波的同发同收，即通过耦合器102接收来自激励源的激励信号，产生交变磁场，交变磁场与偏置磁场
叠加后作用于待测管道，基于洛伦兹力和磁致伸缩效应在管道材料中产生超声导波，收发线圈也可感应超声回波产生的交变磁场，产生电压信号，通过耦合器102输出给信号调理电路104；方向控制线圈应用波的叠加原理，通过合理调节与收发线圈产生的超声导波的
相位差，抵消其某一方向的超声导波，并加强另一方向的超声导波，由此实现方向控制。
[0016] 耦合器102用于协调从激励电路传给埋置探头101的激励信号和从埋置探头101传向信号调理电路104的超声回波信号，防止相互干扰，包含探头接口、激励源接口和信号调理接口，由隔离
开关电路、阻抗匹配电路、钳位限压电路组成，
隔离开关电路在埋置探头输入激励信号时关断信号调理接口，在输出超声回波信号时关断激励源接口，并防止由激励源引入干扰；阻抗匹配电路使探头线圈获得最大功率的激励信号，使超声回波信号尽量完整的输出给信号调理电路；钳位限压电路防止信号调理电路被大幅值信号击穿。
[0017] 激励源103用于发射一定周期数和
频率的大功率脉冲激励信号，由控制电路、整流滤波电路、逆变电路组成，控制电路实现与计算机通信、形成
控制信号的功能，使用FPGA做主控芯片，由VHDL
硬件编程语言实现，周期数的范围为1-8，
频率范围为20kHz-250kHz，电压范围为0-400V；整流滤波电路由隔离
变压器、单向不可控
整流桥和滤波电容实现；逆变电路用于将整流滤波电路产生的直流电压变为激励信号，通过全桥式逆变电路实现，激励电路由工频电源供电或由电池供电。
[0018] 信号调理电路104用于将超声回波信号进行放大、滤波和隔离处理，提高回波信号的
信噪比，以便于进行后续的数据采集和分析，该部分由放大电路、窄带滤波电路和隔离电路组成，放大电路使用
仪表放大器AD8421，通过串接不同阻值的
电阻可实现增益的改变；窄带滤波电路使用专用滤波芯片LTC1562，通过改变外围电路的电阻电容值可调节滤波电路的截止频率和滤波阶数；隔离电路由线性光耦HCNR201和
运算放大器组成的反馈电路组成，防止信号调理电路引入计算机的干扰，在信号调理电路输入端并联钳位电路，用以消耗掉幅值较高的信号和防止信号调理电路被高电压击穿。
[0019] 计算机采集和处理系统105实现对处理后的超声回波信号进行数据采集、处理和显示，由计算机、数据采集卡和基于Labview的数据采集和处理软件组成，采用PCI-9812型数据采集卡，该数据采集卡具有四路A/D通道、12位A/D
分辨率，最高
采样频率为20MS/s，数据采集和处理软件实现对采集过程和采集参数的控制，拥有连续触发采集和单次触发采集两种模式，对采样率、触发值和触发类型的参数进行设置。
[0020] 本发明的主要特点在于：
[0021] 1)无需破坏高温注汽管道的保温层就可实现管道缺陷的在线检测和长期监测，检测效率高、所需
费用低。
[0022] 2)适应范围广，对铁
磁性材料管道和非
铁磁性材料管道都具有检测能力，同时适用于复杂条件下工作的管道，如埋地管道、过墙管道、弯曲管道等。
[0023] 3)与其它方法相比，无需耦合剂，降低了对待测管道表面光洁度的要求。
[0024] 4)简单，通过耦合器，埋置探头用一个线圈实现
超声波的同发同收。
[0025] 5)可以使用工频电源供电，也可以使用
蓄电池供电，使用方便。
[0026] 6)利用超声导波进行管道缺陷检测，缺陷定位准确，检测距离长。
附图说明
[0028] 图2为本发明结构示意图。
[0029] 图3为
超声波在含缺陷管道中的传播示意图。
[0030] 图4为利用本发明检测含缺陷管道时记录的
波形图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和
实施例详细说明本发明。
[0032] 一种高温注汽管道缺陷监测方法，包括以下步骤：
[0033] 步骤一，将埋置探头101与耦合器102的探头接口相连，激励电路103与耦合器102的激励源接口连接；
[0034] 步骤二，将信号调理电路104的输入端与耦合器102的信号调理接口连接，输出端与计算机采集和处理系统105的数据采集卡接口连接；
[0035] 步骤三，激励源103通过耦合器102给埋置探头101输入脉冲激励信号；
[0036] 步骤四，埋置探头101利用管道材料在偏置磁场和交变磁场的作用下的磁致伸缩效应和洛伦兹力，在管道中激发出超声导波，超声导波在管道的传播过程中遇到缺陷会产生超声回波；
[0037] 步骤五，超声回波传到埋置探头101时，埋置探头101利用管道材料磁致伸缩和洛仑兹力逆效应，将超声回波转化为电压信号，并通过耦合器102传给信号调理电路104；
[0038] 步骤六，信号调理电路104对超声回波信号进行放大、滤波和隔离处理，将处理后的信号输出到计算机采集和处理系统105；
[0039] 步骤七，计算机采集和处理系统105对含缺陷信息的超声回波信号进行采集、处理和显示。
[0040] 本发明的设备包括埋置探头101、耦合器102、激励源103、信号调理电路104和计算机采集和处理系统105五部分，原理框图如附图1所示，检测原理为：激励源103发出大功率的脉冲激励信号，该信号通过耦合器102输出至埋置探头101的探头线圈，在管道中产生交变磁场，基于洛仑兹力和磁致伸缩效应，交变磁场与偏置磁场叠加后可在管道中激发产生超声导波，超声导波在管道传播过程中，遇到管道缺陷会产生超声回波，当超声回波经过埋置探头101时，基于洛伦兹力和磁致伸缩逆效应，在管道周围产生交变磁场，埋置探头101将其转化为电压信号，信号调理电路104经过耦合器102输入该电压信号，并对其进行放大、滤波、隔离处理，最后经由计算机采集和处理系统105实现对处理后
电信号的采集、处理和显示，本发明所用设备结构示意图如附图2所示。
[0041] 超声导波传播时受到传播介质边界的影响，会产生传播速度随频率变化的频散现象，同时会出现每一个频率点对应多种
波速的多模态现象。以纵波为例，在0-1MHz频率范围内，共存在L(0，1)至L(0，4)四种模态的导波，其中L(0，2)模态导波在管道中的传播速度最快，产生的缺陷反射信号易于识别，并且在100kHz-600kHz频率范围内，相速度频散曲线较为平坦，频散程度小，适合应用于缺陷快速检测，埋置探头101的探头线圈采用单簇线圈和多簇线圈两种方案，单簇线圈有较大的灵活性，可通过调节线圈宽度产生不同频率的纵向模态导波，多簇线圈可利用相长干涉原理增强所需模态导波的震动强度，线圈均采用柔性印刷电路板制作。由于磁致伸缩效应造成的形变与磁场的方向无关，对于过零的交变磁场，激发出的超声导波频率将为交变磁场频率的两倍，因此需要埋置探头101提供静态偏置磁场，以得到与交变磁场同频率的超声导波。埋置探头101如果接收左右两个方向反射的超声回波，势必增加管道缺陷判断和定位的难度，故需要对激励的超声导波进行方向控制，通过在收发线圈附近设置方向调节线圈，利用波的干涉原理合理调节两线圈间距，抵消一个方向的超声导波，同时增强另一方向的导波强度。通过四块永磁体提供所需偏置磁场，永磁体之间使用铰链连接，并以轴对称的形式布置于管道表面。
[0042] 通常，超声波无损检测装置将超声导波的发射和接收分为两个独立的部分，本发明通过使用耦合器102将超声导波的反射和接收集中于一个埋置探头101，使设备结构得到简化。埋置探头101接收的激励信号是高频率、高电压、高功率的信号，而感应出的超声回波信号则是幅值和
能量微弱的信号。因此耦合器102需要保证信号调理电路104输入端不被激励源的高电压击穿，并隔离通过激励源103引入的干扰，还要将超声回波信号尽可能完整的输出给信号调理电路104，因此耦合器102由隔离开关电路、阻抗匹配电路和钳位限压电路组成。隔离开关电路用来在激励源输入激励信号时，断开信号调理接口，在信号调理电路接收超声回波信号时断开激励源接口，隔离开关电路使用功率MOSFET作为开关器件，通过与激励源的
连接线借用一路由激励源内部产生的控制信号实现开关控制，由于该控制信号与逆变电路的控制信号同时产生，因此避免了因器件开关延迟产生的激励信号失真。由电阻电容组成阻抗匹配电路，使探头线圈产生最大强度的交变磁场，使超声回波信号尽量完整的进入信号调理电路104。在信号调理接口并联两个反向
二极管，组成钳位限压电路，实现防止高电压的激励信号击穿信号调理电路104。
[0043] 由于埋置探头101的能量转换效率低，所以需要大功率、高幅值的脉冲激励信号以产生足够强度的超声导波，对于不同材料和厚度的管道，需要选择不同频率和周期数的激励信号，以提高缺陷监测的灵敏度。激励源103主要由控制电路、整流滤波电路和逆变电路组成，控制电路支持通过串口通信和手动调节两种方式设定激励信号的频率、周期数等参数，控制电路与计算机之间的通信基于RS-232C串口通信协议实现，使用FPGA做主控芯片，控制程序采用VHDL硬件编程语言编写，可形成激励信号频率和周期数及耦合器开关控制等多路控制信号；整流滤波电路前端设置1:1的隔离变压器，实现交流配
电网与激励源之间的电气隔离，使用单相不可控整流桥并联
电解电容器整流；逆变电路使用全桥式逆变电路，采用功率MOSFET构成，功率MOSFET具有工作效率高、开关频率高的优点，该电路具有直流电源利用率高、输出功率大和
开关损耗小的特点，且便于实现多种方式控制。
[0044] 由于通常探头线圈的能量转换率较低，故输出到信号调理电路104的超声回波信号一般幅值较小，且其中还会夹杂来自于埋置探头101、耦合器102、计算机的干扰，致使超声回波信号信噪比较低，需要对其进行放大、滤波和隔离处理，提高超声回波信号的信噪比和幅值。信号调理电路104具体分为放大电路、窄带滤波电路和隔离电路三部分，放大电路使用
仪表放大器AD8421实现，通过接入不同阻值的电阻便可实现增益变化，非常方便，AD8421属于低噪声、低失真的仪表放大器，1kHz频率
输入信号时最大输入电压噪声为3.2nV/√Hz，单位增益带宽为10MHz，压摆率为35V/μs，使用低噪声集成滤波芯片LTC1562构建窄带滤波电路，
通带为100kHz-250kHz，芯片内部集成了四个独立的二阶滤波模块，可以通过改变外围电阻电容的连接方式，灵活的组建最高八阶的滤波电路；隔离电路可防止由计算机引入的干扰，由基于光耦HCNR201和运算放大器的反馈电路组成，该电路可使频率1MHz以下，幅值不大于3V的信号实现单向传输。
[0045] 计算机采集和处理系统105包括计算机、PCI-9812型数据采集卡和基于Labview的数据采集和处理软件，数据采集卡具有四路独立的A/D通道、12位的A/D分辨率和最高20MS/s的采样率，即支持超声导波信号本身作为触发信号，又支持以外部
数字信号作为触发信号，具有很强的灵活性，通过数据采集和处理软件可以设定触发类型、触发值、采样率、采集点数等采集参数，还能够对采集到的数据进行处理和分析，如
带通滤波、多次平均、求取包络等处理。
[0046] 实验中选取一根带保温层
钢管，尺寸参数为长度5m，外径100mm，壁厚10mm。钢管设置一处人为缺陷，该缺陷沿管道周向的长度为20mm，宽度3mm，最大深度为2mm，位于距管道左边界3m处。埋置探头101放置于距离管道左边界0.4m处。检测实验步骤如下：
[0047] a.进行实验前的准备，首先将待测钢管的小部分保温层去除，以留出安装埋置探头101的
位置，探头线圈扣合于钢管表面，探头线圈中心位置距管道左边界0.4m，在线圈外安装永磁体，随后按上文所述正确连接设备，即埋置探头101输出端与耦合器102探头接口相连，激励源103输出端与耦合器102激励接口连接，耦合器102信号调理接口与信号调理电路104输入端连接，信号调理电路104输出端与数据采集卡输入端连接，最后启动计算机并打开数据采集和分析软件。
[0048] b.设置激励信号和数据采集和处理软件。设定超声导波发送方向为向右；根据应用情况，设置激励源发出的激励信号的频率、周期数和激励电压幅值，设置数据采集和处理软件的采集模式、采样率、触发值、采样点数等参数，点击开始采集。
[0049] c.开始发射激励信号，使用L(0，2)模态导波进行电磁超声导波管道缺陷检测，查看分析记录到超声回波信号。
[0050] 对含缺陷管道进行缺陷检测和缺陷位置定位，设置激励信号的幅值为350V、频率为100kHz、周期数为4，设置数据采集和处理软件的采集模式为连续触发采集，采样率为4MHz，触发值为1V，采样点数为5000。对埋置探头施加激励信号后，激发出的模态导波向右传播，遇到缺陷或管道边界会产生反射波。埋置探头会接收到缺陷反射波信号(1)、右边界反射波信号(2)和左边界反射波信号(3)，超声导波在含缺陷管道中传播示意如图3所示，记录到的超声回波信号如图4所示。根据管道的结构特征，分析接收的回波信号得出了各个信号的来源，信号（1）为缺陷反射信号，由图4可得，该信号的传播时间约为1000μs，并且根据L(0，2)模态导波在管道中的平均传播速度为5337m/s，得到缺陷距离埋置探头的距离L。
[0051] L=5337×1000×10-6÷2=2.67m
[0052] 人工缺陷与与埋置探头101的实际距离为2.6m，采用L(0,2）模态导波检测到该缺陷与埋置探头的距离为2.67m，误差为2.7%，可见本发明可有效的检测出管道存在的缺陷，并具有较高的缺陷定位
精度。
[0053] 本发明中，埋置探头101的探头线圈和永磁体是可分离的，探头线圈输出端配有可插拔的连接插头，在使用中，可以将埋置探头101的探头线圈包裹在高温注汽管道的保温层内，保温层外安装永磁体，进行管道缺陷长期监测。
