专利名称：天然气管道裂纹电磁超声斜向导波检测方法
技术领域：
本发明涉及一种利用电磁超声换能器在天然气管道壁的斜向方向产生超声导波检测管道 壁内任意方向裂纹缺陷的方法，属于无损检测领域。
背景技术：
天然气管道是天然气资源长距离传输的重要工具，保证这些管道的安全、正常运行对于 维护国家能源安全和人们的正常生活至关重要。在长年的运行过程中，由于各种因素的影响， 在天然气管道的管道壁上会出现包括裂纹在内的各种类型的缺陷，如果任由这些缺陷发展下 去将可能形成天然气的泄漏，不仅造成巨大的经济损失，而且会污染周边环境，甚至发生爆 炸从而严重威胁人的生命。因此，对天然气管道缺陷的早期监控和处理就成为十分重要的课 题，而在线无损检测技术是达成这一目标的有效手段。天然气管道大多埋于地下，这种特殊 工况决定了一般使用运行于管道内部且在管内输送的天然气压力的推动下前进并同时完成检 测的内检测器进行天然气管道的缺陷检测，内检测器中包含复杂的机械和电子装置。
目前天然气管道裂纹缺陷检测的最佳方案是基于超声波的检测方案。传统的方法是使用 压电换能器产生超声体波检测管道壁上的裂纹缺陷，这种方法的问题是压电换能器必须要液 体耦合介质的支持才能工作，因而难以应用于天然气管道的在线检测。 一种解决方案是使用 电磁超声换能器产生超声波，这种换能器的最大优点是不需要液体耦合介质的支持而直接在 被检测导电材料内部完成电磁能到机械能的转化产生超声波，在非铁磁性导电材料中只依赖 于洛伦兹力效应，在铁磁材料中一般同时具有洛伦兹力和磁致伸縮效应。此外，在管道缺陷 在线检测领域，超声导波因其传播距离远和衰减小等优点逐渐获得越来越多的关注。目前已 有的使用电磁超声换能器产生超声导波在线内检测管道裂纹缺陷的方案中，往往使用严格沿 管道周向传播的超声导波，这种方案对于沿管道轴向的裂纹具有最好的检测灵敏度，但是对 周向裂纹和斜向裂纹的检测无能为力。为解决任意方向裂纹缺陷的检测问题，有必要探讨其 他检测器设计方案。
实用新型专利"管材电磁超声探伤装置"(申请号03214184. X)涉及一种适用于管材缺 陷外检测的电磁超声探伤装置，主要由探伤仪、发射接收器、高频线圈、电磁铁及随动机构 等部分组成。该装置所使用的电磁超声换能器基于涡流和磁场力产生超声波，没有考虑在铁 磁性的钢材料天然气管道壁内必然存在的磁致伸縮效应的影响。此外，该专利中未对如何产 生超声波和超声波的类型做具体描述。

发明内容
本发明的目的在于提供一种利用电磁超声换能器在天然气管道壁内产生斜向超声导波检测任意方向裂纹缺陷的方法。 本发明的技术方案如下
一种天然气管道裂纹电磁超声斜向导波检测方法，该方法从天然气管道内部检测管道壁 内各个方向的裂纹缺陷，其特征在于包括以下步骤
1)将斜向布置在内检测器上的多个发射电磁超声换能器单元4a沿管道内壁圆周环状排
列，形成发射换能器组5;所述的电磁超声换能器单元由永磁体磁块1和折线线圈2组成， 分裂式折线线圈放置在永磁体磁块的N极和S极之间，永磁体磁块在管道壁内生成平行于折 线线圈导线的恒定偏置磁场；发射电磁超声换能器单元的线圈导线和恒定偏置磁场与管道轴 向成45°夹角；
2)在所述发射换能器组的两侧分别设置接收换能器组6，接收换能器组由布置在内检 测器上的多个接收电磁超声换能器单元4b沿管道内壁圆周环状排列而成，接收电磁超声换能 器单元的折线线圈导线和恒定偏置磁场都在管道圆周方向上；
3) 在发射换能器组中的某一个发射电磁超声换能器单元的折线线圈内通入由连续的若 干个正弦波形构成的脉冲串作为激励；在交变激励电流产生的交变磁场和恒定的偏置磁场的 共同作用下，发射电磁超声换能器单元产生垂直于线圈导线和偏置磁场的沿管道壁斜向传播 的切变超声导波；然后各个发射电磁超声换能器单元间隔1 2 ms依次先后发射斜向超声导 波，从而覆盖管道的整个圆周；
4) 发射换能器组中的发射电磁超声换能器单元的斜向入射超声导波12与裂纹缺陷作用 后的反射导波13和折射导波14被接收换能器组6接收到；
5) 假设相对于裂纹上导波散射点的入射、反射和折射导波的传播距离分别为a、 6和c， 入射和折射导波传播路径夹角为"，折射和反射导波传播路径夹角为y ，反射和入射导波传 播路径夹角为;K，三个角度之和为360。；以左侧接收换能器组中具有最大响应幅度的接收电 磁超声换能器单元的位置作为反射导波到达的位置，发射电磁超声换能器单元到该位置距离 为C;以右侧接收换能器组中具有最大响应幅度的接收电磁超声换能器单元的位置作为折射 导波到达的位置，发射电磁超声换能器单元到该位置距离为接收到反射和折射导波的两 个接收电磁超声换能器单元之间距离为B;根据接收到的导波信号特征的出现时间，测得
a + 6-D和"+ C-五的值；由此建立如下含有六个未知数fl、 6、 C、"、"和/的方程组
<formula>formula see original document page 5</formula>从求解结果得到裂纹缺陷上导波散射点的位置；相邻的几个发射电磁超声换能器单元依 次发射超声导波并分别和同一个裂纹缺陷io作用，导波散射点的连线决定了裂纹缺陷的具体 位置和开裂方向；
未与裂纹缺陷作用的入射导波从裂纹缺陷两侧传播过去，与裂纹缺陷有作用的导波发生 反射和折射；从与裂纹有作用的发射电磁超声换能器单元的位置和数目估算裂纹尺寸；假设 与裂纹缺陷有作用的发射电磁超声换能器单元的周向覆盖距离为F，裂纹缺陷与斜向入射导 波传播方向的夹角为P,则裂纹尺寸的估算值为
6)所有发射电磁超声换能器发射导波结束并且散射导波被接收换能器组接收后，载有全 部电磁超声换能器的管道内检测器沿管道伸展方向前进，在内检测器上的里程轮的触发下前 进一个采样间隔的距离后开始下一次生成导波、检测裂纹缺陷的过程。
本发明所述折线线圈采用印刷电路板制作的分裂式折线线圈。所采用的若干周期正弦脉 冲串激励的频率在70 KHz~l MHz的范围，正弦周期的数目在8 10之间，幅度在10 A 20 A 之间。折线线圈的周期长度为3.2、5.7 mm，周期数目取2 5，提离值在0 2 mm的范围内； 偏置磁场的磁感应强度为1~1.5 T。
本发明的突出性的技术效果由于斜向发射超声导波和采用多个电磁超声换能器单元组 成换能器组的构建方式，本发明可以完成天然气管道壁内各个方向裂纹的内部检测。


图1为所使用的电磁超声换能器单元的结构示意图。 图2为三分裂式折线线圈的放大图。
图3为电磁超声换能器单元在管道内检测器上布置的示意图。 图4为使用斜向导波定位裂纹缺陷上导波散射点的分析示例。 图5为使用斜向导波确定裂纹缺陷尺寸的分析示例。
图中，l一永磁体磁块；2 —分裂式折线线圈；3—超声导波传播方向；4a—发射电磁超声 换能器单元；4b—接收电磁超声换能器单元；5 —发射换能器组；6—接收换能器组；7—内检
测器；8 —轴向裂纹；9一周向裂纹；IO —斜向裂纹；ll一管道壁；12 —入射超声导波；13 —
反射超声导波；14一折射超声导波。
具体实施例方式
本发明中使用基于印刷电路板的三分裂式折线线圈和钕铁硼永磁体磁块构成如附图1所
示的电磁超声换能器单元，三分裂折线线圈周期数取2 5，对于附图2中的具体形式，线圈 的周期数为3.5。永磁体提供的恒定偏置磁场在n.5 T的范围，典型值为l T，其方向平 行于折线线圈的导线方向并且位于管道壁内部，这种配置方式决定了管道壁内的偏置磁场和线圈引发的交变涡流平行，因而不存在洛伦兹力效应，即在非铁磁导电材料内不会产生超声 波。对于由铁磁性的钢材料构造的天然气管道壁，该配置方式将在磁致伸縮效应作用下产生 切变超声波。切变超声波沿着垂直于线圈导线的方向传播并为管道壁所限制，最终形成沿管 道壁传播的超声导波。换能器单元的折线线圈贴近管道内表面放置并具有弯曲的表面以适合 管道内壁的几何形状，线圈提离在0 2 mm之间，典型值为2mm。折线线圈的周期长度一般 在3.2~45.7 mm的范围，具体取值要满足匹配要求，即线圈周期D、导波波长/l、导波的相 速度Cp和导波的频率/应满足如下关系
"=;i = cP//
电磁超声换能器单元中通入的激励信号正弦波形周期数在8 10的范围，例如取连续的8 个周期的正弦波形组成激励脉冲串信号。正弦波形频率在70 kHz lMHz范围内，取值为250 KHz;对于Cp为3200 m/s的情况，线圈周期"即波长;i为12. 8 mm。脉冲串信号经过汉宁窗 调制以使得信号的频带尽可能窄，窄带信号有助于激发单一模式的超声导波并且频散现象不 明显。激励电流幅度为10 A 20 A ， 一个典型取值为10 A。
如附图3所示，发射电磁超声换能器单元在内检测器上与管道轴向成45。角沿着斜向布 置，这时发射电磁超声换能器单元产生的超声导波也与管道轴向成45。角发射出去，这样将 对纯周向和纯轴向的裂纹缺陷具有相似的灵敏度。
单个斜向发射电磁超声换能器单元产生的超声导波可以与其传播路径上的轴向、周向以 及斜向裂纹缺陷作用，因而具有对几乎任意方向裂纹缺陷的检测能力。由于斜向超声导波与 任意方向裂纹缺陷作用的散射的情况非常复杂，因而采用布置在发射电磁超声换能器单元沿 轴向两侧的两个接收换能器组从周向各个位置接收裂纹缺陷的散射导波，从而避免对带有缺 陷信息的导波信号接收的遗漏。换能器组中换能器单元的数目决定于管道周长和换能器单元 的尺寸。单个发射电磁超声换能器单元所能覆盖的范围有限，因而采用多个斜向布置的发射 电磁超声换能器单元组成发射换能器组，发射换能器组上的各个换能器单元依次先后发射超 声导波，其时间间隔为广2 ms，从而覆盖管道壁的整个圆周。
对于斜向超声导波与裂纹缺陷作用的散射点的分析示例在附图4中给出。发射电磁超声 换能器单元产生的超声导波与斜向裂纹作用后产生反射和折射超声导波。入射导波的传播距 离为a，反射和折射导波的传播距离分别为6和c，入射导波和折射导波传播路径之间的夹角 为"，折射和反射导波传播路径之间的夹角为"，反射和入射导波传播路径之间的夹角为y， 三个角度之和为360。 。 a、 6、 c、 a、"和y为6个未知数。以左侧接收换能器组中具有 最大响应幅度的接收换能器单元的位置作为反射导波到达的位置，发射电磁超声换能器单元 到该位置的距离为C ;以右侧接收换能器组中具有最大响应幅度的接收换能器单元的位置作 为折射导波到达的位置，发射电磁超声换能器单元到该位置的距离为^;接收到反射和折射 导波的两个换能器单元之间距离为S。根据接收导波信号特征的出现时间，a + 6-D和a + c-^的值可以测得。再根据三角形的余弦定理，可以得到如下含有6个未知数"、6、"
"、/ 和r的由6个方程所组成的方程组
J c2 + a2 - 2ac cos ;k = C2 a + 6 = a + c = ￡ a + y5 + ;/ = 360
从求解该方程组得到的结果可以确定裂纹缺陷上导波散射点的位置。相邻的几个发射电 磁超声换能器单元依次发射超声导波并分别和同一个裂纹缺陷作用，导波散射点的连线决定 了裂纹缺陷的具体位置和开裂方向。
如附图5所示，未与裂纹缺陷作用的入射导波从裂纹缺陷两侧传播过去，与裂纹缺陷有 作用的导波发生反射和折射，因而可从发生反射和折射的发射电磁超声换能器单元的位置和 数目估算裂纹尺寸。假设与裂纹缺陷有作用的发射电磁超声换能器单元的周向距离为F，裂
纹缺陷和斜向导波传播方向的夹角为^，则裂纹尺寸的估算值为
所有发射电磁超声换能器单元都发射导波并且裂纹缺陷的散射导波被两个接收换能器组
接收后，在当前位置的检测工作结束，内检测器继续前进，在里程轮触发下前进3cm即一个 采样间隔的距离后开始下一次导波检测过程。
如附图l所示的电磁超声换能器单元会同时向前、后两个方向发射超声导波，为对这两 个方向的裂纹缺陷作出区分，发射电磁超声换能器单元与两个接收换能器组的距离并不相同， 这样在换能器单元的前、后两个方向上的等距离等方向的两个裂纹缺陷将在接收换能器组内 引起不同的响应。
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权利要求
1. 一种天然气管道裂纹电磁超声斜向导波检测方法，该方法从天然气管道内部检测管道壁内各个方向的裂纹缺陷，其特征在于包括以下步骤1)将斜向布置在内检测器上的多个发射电磁超声换能器单元(4a)沿管道内壁圆周环状排列，形成发射换能器组(5)；所述的电磁超声换能器单元由永磁体磁块(1)和折线线圈(2)组成，分裂式折线线圈放置在永磁体磁块的N极和S极之间，永磁体磁块在管道壁内生成平行于折线线圈导线的恒定偏置磁场；发射电磁超声换能器单元的线圈导线和恒定偏置磁场与管道轴向成45°夹角；2)在所述发射换能器组的两侧分别设置接收换能器组(6)，接收换能器组由布置在内检测器上的多个接收电磁超声换能器单元(4b)沿管道内壁圆周环状排列而成，接收电磁超声换能器单元的折线线圈导线和恒定偏置磁场都在管道圆周方向上；3)在发射换能器组中的某一个发射电磁超声换能器单元的折线线圈内通入由连续的若干个正弦波形构成的脉冲串作为激励；在交变激励电流产生的交变磁场和恒定的偏置磁场的共同作用下，发射电磁超声换能器单元产生垂直于线圈导线和偏置磁场的沿管道壁斜向传播的切变超声导波；然后各个发射电磁超声换能器单元间隔1～2ms依次先后发射斜向超声导波，从而覆盖管道的整个圆周；4)发射换能器组中的发射电磁超声换能器单元的斜向入射超声导波(12)与裂纹缺陷作用后的反射导波(13)和折射导波(14)被接收换能器组(6)接收到；5)假设相对于裂纹上导波散射点的入射、反射和折射导波的传播距离分别为a、b和c，入射和折射导波传播路径夹角为α，折射和反射导波传播路径夹角为β，反射和入射导波传播路径夹角为γ，三个角度之和为360°；以左侧接收换能器组中具有最大响应幅度的接收电磁超声换能器单元的位置作为反射导波到达的位置，发射电磁超声换能器单元到该位置距离为C；以右侧接收换能器组中具有最大响应幅度的接收电磁超声换能器单元的位置作为折射导波到达的位置，发射电磁超声换能器单元到该位置距离为A；接收到反射和折射导波的两个接收电磁超声换能器单元之间距离为B；根据接收到的导波信号特征的出现时间，测得a+b＝D和a+c＝E的值；由此建立如下含有六个未知数a、b、c、α、β和γ的方程组从求解结果得到裂纹缺陷上导波散射点的位置；相邻的几个发射电磁超声换能器单元依次发射超声导波并分别和同一个裂纹缺陷(10)作用，导波散射点的连线决定了裂纹缺陷的具体位置和开裂方向；未与裂纹缺陷作用的入射导波从裂纹缺陷两侧传播过去，与裂纹缺陷有作用的导波发生反射和折射；从与裂纹有作用的发射电磁超声换能器单元的位置和数目估算裂纹尺寸；假设与裂纹缺陷有作用的发射电磁超声换能器单元的周向覆盖距离为F，裂纹缺陷与斜向入射导波传播方向的夹角为θ，则裂纹尺寸的估算值为6)所有发射电磁超声换能器发射导波结束并且散射导波被接收换能器组接收后，载有全部电磁超声换能器的管道内检测器沿管道伸展方向前进，在内检测器上的里程轮的触发下前进一个采样间隔的距离后开始下一次生成导波、检测裂纹缺陷的过程。
2. 按照权利要求l所述天然气管道裂纹电磁超声斜向导波检测方法，其特征在于，所述 折线线圈采用印刷电路板制作的分裂式折线线圈。
3. 按照权利要求l所述天然气管道裂纹电磁超声斜向导波检测方法，其特征在于，所采 用的若干周期正弦脉冲串激励的频率在70 KHz 1 MHz的范围，正弦周期的数目在8 10之 间，幅度在10 A 20 A之间。
4. 按照权利要求l所述天然气管道裂纹电磁超声斜向导波检测方法，其特征在于，折线 线圈的周期长度为3.2 45.7 ■，周期数目取2 5，提离值在0 2 mm的范围内；偏置磁场 的磁感应强度为1 1.5 T。
全文摘要
天然气管道裂纹电磁超声斜向导波检测方法，其特征在于电磁超声换能器单元采用分裂式折线线圈和永磁体磁块组成。发射电磁超声换能器单元在管道内检测器上沿斜向布置，产生的超声导波对于在其传播路径上的各个方向的裂纹都有一定的检测灵敏度。单个发射电磁超声换能器单元的斜向超声导波与裂纹作用后的散射导波被分别安置在发射电磁超声换能器单元两侧的两个环状接收换能器组所接收。多个发射换能器单元布置为环状的一组，按时间先后依次产生斜向导波从而覆盖管道壁的整个圆周，根据接收到的导波信号和换能器布置情况确定裂纹缺陷的位置和尺寸。本发明实现了对天然气管道壁内裂纹的非接触、无液体耦合检测，且可用于各种方向的裂纹缺陷。
文档编号G01N29/04GK101424663SQ20081023892
公开日2009年5月6日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者叶朝峰, 珅 王, 董甲瑞, 伟 赵, 郝宽胜, 黄松岭 申请人:清华大学