基于超声检测的管道内腐蚀缺陷识别研究

1、54石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2005年第33卷第11期!检测诊断#基于超声检测的管道内腐蚀缺陷识别研究汤楠穆向阳徐娟(西安石油大学电子工程学院自动化系)3摘要研究了石油天然气长输管道内腐蚀超声检测中的表面缺陷识别问题。应用求取检测信号与标准信号的相关函数和被测管壁的系统脉冲响应函数的信号处理方法,使缺陷定性定量判断的准确性得到了提高,实验结果表明,采用相关分析和计算系统脉冲响应的方法、原理和算法既不复杂,软件实现也较容易,可以在实际工况下提高管道表面缺陷的定量和定性分析的可靠性,较好解决管道内腐蚀缺陷的识别问题。关键词超声检测管道内腐蚀表面缺陷。因此,爬机引,已经

2、在工。但是采用直探头接触法对薄壁钢管表面缺陷进行测量,其识别能力比较有限,检测准确性主要取决于检测人员的技术水平及专业经验。特别是对于一些微小的浅形及非均匀的陆架型和阶梯型腐蚀缺陷定性和定量分析,目前通用的识别方式主要是根据回波波形变化的动态和静态特征来实现。由于其分析过程难以建立准确的数学描述,即使是人工检测时比较容易解释和识别的典型问题,也很难用计算机实现稳定可靠的识别。在石油天然气长输管道由于内腐蚀而产生的管壁内表面缺陷的检测中,由于现有的一些分析方法在应用上存在着的局限性,无法完全保证检测结果的准确程1度。特别是当内腐蚀为不规则缺陷时,有可能由于不规则的多次反射波而导致误判率较高。目前

3、国内外在役石油天然气长输管道的缺陷检测,一般都是采用被称为爬机的自动检测系统来完3成。由于数据传输的困难,爬机在检测过程中需要将检测信号存储在系统中,待检测结束再进行回放处理。显然如果在爬机的软件系统中能够实现简单可靠的识别和筛选过程,将会大大减少数据存储量,从而也提高了检测距离及检测精度,同42量都具有十分重要的意义。另外,地面上的二次分析软件也需要进一步提高定型定量分析的准确性及其智能化水平,不仅需要确定缺陷的存在,也需要确定缺陷的类型、大小及分布等要素。因此,在役管道内腐蚀缺陷的识别技术一直是一个热点问题。管壁腐蚀缺陷的识别和分析,原则上可以采用各次回波间隔时间及前2次反射回波的相对幅值

4、作为基本依据5。但是在应用中常会遇到各次回波靠得很近相互干扰或受到其它干扰而不易清楚地区分的情况。这也是超声爬机检测可能出现误判的一个重要原因2。而且此时对信号同步准确程度的67要求也比较高。工程上已经得到应用的以无缺陷的表面回波为参考信号的反卷积法密度得到壁厚频率数值的频域法和利于功率谱,有时也会受到激励信号类型及检测过程中各种干扰信号的影响,而使结果中腐蚀缺陷特征并不明显。特别是管道爬机检测部分的多元蜂窝式结构使各探头间也存在相互干扰,使许多技术的应用受到一定的限制。笔者在总结现有方法的基础上针对钢管内腐蚀缺陷检测中的识别问题进行了一些研究探索,希望能对爬机检测系统中的机载识别过程的更加简

5、单化及识别结果准确性的进一步提高提供帮助。3基金项目:陕西省自然基金项目(2000C33)资助课题。© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005年第33卷第11期汤楠等:基于超声检测的管道内腐蚀缺陷识别研究55实验数据研究实验中使用PT12超声探头。试块为一段石油长输管道用钢材,2处表面缺陷均为锥状浅凹坑,缺陷1直径6mm,最大深度为3mm;缺陷2直径4mm,最大深度为2mm。对检测到的超声回波信号做简单的预处理,得到实验数据结果如图1所示。其中图(a

6、)和图(b)中曲线d1和x1分别代表在两不同缺陷处采集到的检测信号,图(c)和图(d)中曲线w1和w2分别为在2处没有缺陷区域检测所得的结果。在w1和w2中第1个波峰为起始波,其它2个波峰为反射波。通过各波峰的间距可以计算出管壁的壁厚。号中信噪比较高或者信号同步不好时,在回波曲线上的缺陷判别难度将进一步加大。相关分析识别法为了准确地对缺陷特征进行识别,可以采用波形的相似性来定性或定量比较分析。研究中选取了1组没有缺陷时的检测数据(如w2)作为标准参照信号。检测中每采到1组检测数据,都与标准信号比较相似程度。在同样工作条件下,相似程度差别越大的,可以认为具有较大的缺陷。由于单独的管道外壁腐蚀缺陷

7、的特征比较明显容易辨别,所以在上述相似度比较前最好首先剔除外壁缺陷数据,以便以后的识别结果完全区分开,。,xy()定义为)y(+,即)=Rxy(Ni=16N)x(i)y(i+(1)Rxy()全面地描述了信号的相似性,因此可以用来定量地衡量信号间的相似程度,为内壁的腐蚀缺陷分析提供可靠的依据。图2所示分别w1,x1和d1三组典型数据与w2互相关函数的图形。由图可以区分出3组数据与w2的相似程度。显然通过求取检测信号与w2归一化的相关系数就可以定量地分析出缺陷的大小。在研究中则采用互相关函数的最大值作为简单判断依据。例如根据图2中3组互相关函数的最大值分别为:5212127,4414201,351

8、5652。图14组典型实验检测数据曲线缺陷回波的形态受到缺陷方向、位置、形状、面积、深度和管壁光洁程度、检测设备工作状态及各回波间的相互作用等诸多因素的影响,给定性和定量分析识别准确度的提高带来了一定的困难。例如由于上述因素的存在,在有缺陷处得到的检测数据缺陷本身及其类型的时域特征值特别是定量分析的特征并不是十分明显,很容易产生误判断。同时也会造成缺陷处的厚度检测误差。应用FFT对信号进行简单的频域分析,误判率接近30%,仍不能得到较为满意的结果。研究中还通过简单的技术手段模拟爬机实际工作时探头抖动干扰、气泡及蜡片等杂质干扰、多探头间相互干扰等实际工况,分别得到了相应的检测信号。研究结果表明,

9、在上述干扰情况下,引起信图2实验典型数据所得到的互相关函数图由图1可看到,实验中数据采集时信号同步效果很好,所以图2所示的相关函数最大值位于t=0处。尤其值得一提的是,由于互相关函数也描述了© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 56石油机械2005年第33卷第11期信号在不同时刻的相似性,所以采用相关分析法识别内腐蚀缺陷,在信号同步效果较差时同样可以得到满意的效果。同样是比较信号的相似性,还采用可以计算两信号的方差和方法来分析检测信号与标准信号的差别大小

10、。研究中使用的计算公式为E=n=1中相应y(t)曲线更加明显的缺陷特征,适合在超声反射信号的多次回波信号中分析表面结构的特征。所以可以方便地用来作为进一步定性定量分析和识别的依据。利用得到的系统脉冲相应结果再用引言中所提到的时域和频域的方法进行表面缺陷的识别,其准确程度明显好于用原始检测数据计算的结果。分析过程的抗干扰能力也有一定提高。6Nx(n)-y(n)2(2)使用1组没有缺陷时的检测数据作为标准信号,将不同的回波信号数据代入式(2)中比较,也可以得到比较满意的识别效果。例如用采集到的w2为参照,用式(2)分别计算图1中的典型信号w1,x1和d1与w2的相似程度。得出的结果分别为41546

11、6,816963和1513754。由此即可得到腐蚀缺陷的分析初步定量结论。系统脉冲响应识别法数h(t),。对于LTI系统,x(t)的响应y(t)应该等于x(t)和h(t)的卷积。上述关系在频域中表示为(3)Y()=H()X()缺陷本身可认为是一个信号处理器,缺陷本身根据其位置、种类、大小的不同对超声信号进行相应加工和处理。在时域中,信号x(t)经过相应的处理变成y(t)。在频域中,系统对输入信号的各个频率成分进行加工,变输入信号频谱X()为相应的H()。所以系统脉冲函数h(t)及频率响应H()都可以作为表征缺陷特征的参量。一般的情况下,它应该与缺陷位置、性质、面积及填充物等参数有关,可以用来对

12、缺陷的定性、定量分析。缺陷分析软件中以FFT为主要数学工具,通过快速傅里叶变换实现时频转换和反卷积运算。得到的研究结果可以由图3为例简单说明。图3所示为用超声激励信号作为系统输入,以图1中组回波信号作为系统输出y(t)。采用上述方法得到的相应的系统脉冲响应即h(t)的图形。其中(a)(b)为利用FFT通过反卷积得到的2个缺陷处的系统脉冲响应,图(c)和图(d)分别为2处没有缺陷处的系统脉冲响应。比较h(t)和y(t)两信号,显然图3所示四组h(t)曲线具有比图1图3实验典型数据的系统脉冲相应函数由于表征缺陷的特征本身就不是一个清晰的概念,所以在管道爬机采集数据的二次处理中采用模式识别技术对检测

13、到的数据进行比较、判别和归类处理时,就十分适合利用模糊集合来描述,这也是研究小组下一步的工作方向。研究结果表明,使用相关累计平均法对数据进行预处理,可以较好地抑制爬机工作时常见的干扰。结论:研究结果说明采用相关分析和计算系统脉冲响应的方法、原理和算法都不复杂,软件实现也比较容易,可以在实际工况下提高管道内表面缺陷的定性和定量分析的可靠性,较好地解决管道内腐蚀缺陷的识别问题。目前的研究工作为管道超声爬机检测系统内部在线处理部分提供了简单实用甄别算法。进一步的研究将是模式识别、模糊理论及人工神经网络等智能技术在管道内腐蚀缺陷类型识别及腐蚀度评价上的应用。参考文献1WilliamsonGCIII,B

14、ohonWM1Evaluationofultrasonicin2telligentpigperformance:Inherenttechnicalproblemsasa(下转第71页)© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005年第33卷第11期朱继红等:连续重整加热炉吹灰与监控的PCBCS设计71在PCBCS中Modbus通讯可用CommControl控件实现。PCBCS在本系统中作为从机的通讯流程如图4所示。TPS3000DCS作为主机,可在Mod

15、busAddressMap中的地址5000159999中通过DCS组态实现与PCBCS的通讯。中将CRC校验编成子程序,每次校验时进行调用即可。具体CRC16码校验的实现算法可根据CRC校验的定义公式进行编程计算。结束语基于以太网的PCBCS系统于2005年1月在金陵石化公司炼油厂的连续催化重整加热炉的吹灰与监控系统中得到应用。实际运行表明,该系统完全满足自动吹灰的要求,同时还能对吹灰效果进行监控,为优化吹灰提供了条件,大大降低了劳动强度,提高了生产效益。由于PCBCS系统具有可扩展性好,开放性高,维护性强等特点,对锅炉和管价值。参11山东省东营:石油,19982韩秋野1计算机控制系统发展方向

16、的探讨1山西冶金,2002,(3):4749通讯程序流程图3Think&DoUsersGuideVersion515Entivity,Inc120034何衍庆,俞金寿1集散控制系统原理及应用1北京:化在PCBCS上实现ModbusRTU协议的关键是循环冗余校验,即CRC校验的实现。国际标准中有4种CRC码,即CRC12、CRC16、CRCCCITT、CRC32,ModbusRTU中使用CRC16码,包括2个字节即16为二进制数。DCS将要发送的数据进行循环冗余校验,得到的数据即为CRC码,将该码放置于发送信息帧的尾部,PCBCS收到数据后重新计算CRC码,比较计算的结果与接收到的CRC

17、码是否相同。如果二者不同,则表明出错,PCBCS发送出错功能码+80H给DCS,DCS将根据实际情况选择重发或忽略,二者如果相学工业出版社,20025李志刚,汪小澄,方强1PLC与支持MODBUS协议的DCS系统的综合1工业控制计算机,2001,14(11):6365作者简介:朱继红,工程师,生于1972年,现攻读硕士学位。地址:(214122)江苏省无锡市江南大学。电话:(0510)5911430。E-mail:jihongfulyahoo1com1cn。收稿日期:2005-05-25(本文编辑王志权)同,PCBCS将把CRC码发回DCS。本PCBCS程序(上接第56页)pipelinein

18、spectiontool1CorrosionPrevention&Control,1995,42(2):8122GoedeckeH1Corrosionsurveyswiththeultrascanpig1CorrosionPrevention&Control,1990,37(2):33析研究1仪器仪表学报,2003,23(2):1311346周光平,李坚1超声信号处理法检测表面缺陷1无损检测,1996,18(12):3313347盛沙,戴波1超声波智能清管器信号处理技术研究1北京石油化工学院学报,2004,12(1):3841作者简介:汤楠,教授,生于1956年,现从事教学和科研工作。地址:(710065)陕西省西安市。电话:(029)88382649。E-mail:ntangxsyu1edu1cn。363何宏,李琳1管道内腐蚀检测技术进展,西安