具有校正功能的超声波管道腐蚀监测系统

张荣海，廖俊必，徐涛

（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）

具有校正功能的超声波管道腐蚀监测系统

张荣海，廖俊必，徐涛

（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）

针对油气管道因腐蚀引起的管壁减薄的现象，研究了超声波腐蚀监测技术，实现对管道腐蚀的长期监测。基于超声波脉冲反射法原理，提出了具有校正功能的测厚方法，给出了超声波腐蚀监测系统的具体设计方案。系统引入与管道相同材质标准厚度试块，对管道与标准厚度块的超声波回波信号进行采样，用无线传输模块将采样数据发送至上位机进行分析处理，得出管道的厚度。

超声波测厚；腐蚀监测；校正；采样

油气的储存运输中，因为管道腐蚀因素所造成的事故非常多，加上我国正处于石油天然气开采的高速发展阶段，因此对管道腐蚀的检测与监测显得极为重要［1］。腐蚀监测技术目前采用的主要方法有：挂片法、电阻探针法、电化学法、磁感法、超声波法，涡流法等。与其它技术相比超声波法以其检测速度快、可靠、准确等优点成为石化行业的主要腐蚀检测手段［2］。

传统超声波腐蚀检测技术是用超声波测厚仪对管道待测点进行测量，优点是测量位置较为灵活，缺点是对于埋地或有保护层的管道测量不便，耗费人力较大［1］。相对于超声波检测，超声波监测系统是对管道上容易发生泄漏的位置进行长期在线监测，而超声波监测由于不能及时对系统进行校准，使得其受温度变化、电路漂移等因素影响较大。为解决超声波监测系统的长期稳定性问题，文中提出一种带校正功能的超声波管道在线腐蚀监测系统，论述了系统的工作原理，同时对信号采集电路进行具体说明，并进一步对所做实验的结果进行分析。

1　监测系统原理

1.1超声波脉冲反射法原理

超声波脉冲反射法测厚是一种比较常用的方法，通过超声探头将超声波注入待测物内，超声波信号在待测物表面和底面的反射、散射、折射的信号通过探头接收。由于声学特征接收到的信号会有一定的衰减［3］。探头接收到的回波信号包含有待测物体的厚度信息，超声波脉冲反射法的原理如图1所示：

图1　超声波脉冲反射法原理

1.2具有校正功能的超声波腐蚀监测系统工作原理

超声波腐蚀在线监测系统主要用来监测油气管道的焊缝、弯头、三通、变径等腐蚀较严重容易发生泄露部位。对管道指定部位进行连续测量，监控管道腐蚀状况。系统将管壁和标准块的超声回波信息用监测设备转换为数字信号，再通过GPRS无线数据传输给上位机进行处理。超声波在线监测系统工作示意图如图2所示:

图2　监测系统示意图

传统超声波检测是在已知声速的情况下，通过测量一次回波与二次回波间的时间长度进而得出待测物体的厚度，厚度的计算公式为：

式中：d：检测得到的厚度；V：超声波在待测物中的传播速度；T：超声波一次回波与二次回波间的时间差。

本系统测量管壁厚度的方法与传统超声波测厚方法不同之处在于不需计算一次回波与二次回波间的时间差，只需求出标准厚度块与管道的超声波一次回波与二次回波间的采样个数，进行比较即可得出管道的壁厚，该测厚方法与传统方法相比，减小了温度变化、电路漂移等对测量结果的影响，结果更准确。厚度的计算公式为：

式中：D管：管道壁厚；D标：标准块厚度；N管：管道一次回波与二次回波间采样点个数；N标：标准块一次回波与二次回波间采样点个数。

2　实现方案

2.1总体结构

系统的总体结构如图3所示，单片机采用速度较快的STC12C5A60S2。由于超声波发射电路需要高电压脉冲达到150V，所以选用继电器作为切换开关，再通过译码器实现各路之间轮换开通。发射电路发出一个高压负脉冲，对超声波探头进行激励，产生超声波信号，回波信号经过放大滤波后，经A/D采样并存储在缓存中，再由GPRS无线数据传输模块将采样数据传给上位机。每路完成发射、接收、采样和数据传输后，模拟开关切换至下一路，直至完成所有点的测量任务。上位机通过分析的采样数据，可以得出各点的壁厚，回放采样的波形，同时对管道长期厚度数据分析进而得出管道的腐蚀趋势为腐蚀防护工作提供依据。

2.2发射电路

发射电路如图4所示，74HC14是六路施密特反相器，发射电路的设计是将U0的反相输出端经RC积分电路接回输入端，组成施密特触发器。因为电容的初始电压是零，当接通电源后电容C1便一遍一遍的充放电不停地震荡。在电路中通过调节电阻VR1的大小，可以改变振荡周期。经过自激震荡产生的方波脉冲，在经过U1的反相放大后从输出端输出。电感L1的电流随着输入电压的增加，不断地储能，周而复返，形成交变电流。利用二极管的单向导电性，把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。采用单片机经过U2的反相控制Q2的导通和闭合，从而控制发射电路向超声波探头施加高电压的脉冲信号。电容C2用来储能，电感L2两端连接超声波探头的两端，可以使电压进一步变大，增加脉冲的幅值［4］。实验得出该电路可产生约150V高压。

图3　总体结构

图4　发射电路

2.3信号采集电路

2.3.1信号采集电路原理

超声波探头选用5 MHz，根据奈奎斯特采样定理采样频率至少为信号频率2倍。为保证系统的精度，采样频率设计为50 MHz。单片机的P3.4脚通过与门与外部时钟相连，这样单片机就可以控制A/D的采样。当单片机P3.4引脚为高电平时进行采样，当P3.4引脚为低电平时A/D的CLK端没有脉冲，采样停止。采用这种方式A/D转换后的数字量信号可同步存入FIFO中，不受单片机速度影响［5］。若A/D的采样时序与FIFO的存储时序相反只需在FIFO的LDCK前加一反相器即可。信号采集原理如图5所示。

图5　信号采集原理图

2.3.2主要芯片介绍

根据设计要求，选用TI公司的ADS831与SN74ACT-7808芯片。ADS831是一种高速8位CMOS工艺的模数转换器（ADC）。该芯片采用单一+5V供电，内部带有取样保持电路。与早期的ADC芯片相比，ADS831采用流水线结构，因而具有极高的采样速率和转换速度、采样速率可高达80 MHz。SN74ACT7808是2 048字节9位可以实现先进先出异步读写操作的双端口存储器，其存取速度可以达到15 ns。提供“空”（EMPTY）、“满”（FULL）、“半满”（HF）、以及可编程控制的“几乎空与几乎满”（AF/AE）等状标志。ADS831与SN74ACT7808的引脚图如图6所示，（a）为ADS831，（b）为SN74ACT7808。

图6ADS831和SN74ACT7808

2.3.3信号采集电路设计

采用ADS831、SN74ACT7808、SN74LVC1G08、50 MHz有源晶振等器件，搭建信号采集电路，实现了对超声波回波信号的高速采集。当单片机发出超声波激励信号的同时，P3.4引脚置为高电平，打开与门开始采样，待到FIFO存满时将P3.4置为低电平，关闭与门停止采样。这样经过放大滤波后的超声波回波信号被存入FIFO中。再通过单片机P1口将存入FIFO的数据读出。信号采集电路如图7所示。

图7　信号采集电路

3　实验与分析

通常在油气管道的腐蚀监测中需要长期对管道壁厚进行测量，为了验证超声波腐蚀监测系统的性能，在实验室内搭建测试平台长期测量。使用标准厚度的钢制工件进行试验，选择10 mm厚工件作为标准块，厚度为4 mm、8 mm、15 mm、20 mm、35 mm的工件作为待测工件，通过测得厚度与已知厚度进行对比从而得出检测系统的性能。工件的厚度计算方法是通过测量在标准块和工件中超声波一次回波与二次回波间的采样点数，根据公式2计算得出。试验与分析结果如表1所示。

表1　试验数据分析

测量结果表明：测量误差在±3%以内，能够满足使用要求。虽然试验是针对一定厚度钢制工件，但是对管道腐蚀系统具有通用性，可用于油气管道腐蚀的长期在线监测。

4　结束语

文中研究了具有校正功能的超声波管道腐蚀监测系统。通过对标准厚度试块和管道的超声波回波信号进行高速采样，使用上文提出的计算方法，计算出管道的当前壁厚。较好的克服了温度变化、电路漂移等因素对超声波在线监测系统的影响。利用无线数据传输模块，可对偏远地区管道腐蚀情况进行实时监控。

［1］王文明，王晓华，张仕民，等.长输管道超声波内检测现状［J］.油气储运，2014，33（1）:5-9.

［2］丁守宝，叶宇峰，夏立.高温管道腐蚀在线监测［J］.无损检测，2011，33（11）:46-51.

［3］杨理践，王健，高松巍.管道腐蚀超声波在线检测技术［J］.中国测试，2014，40（1）:88-92.

［4］王占元.基于单片机的便携式超声波测厚仪的研制［D］.北京：北京化工大学，2008.

［5］石磊，贺定球，王利猛.一种基于单片机的数据高速采集系统的设计与实现［J］.电测与表，2005，42（469）53-54.

［6］赵冲.基于超声技术的海底管道检测系统的研究［D］.青岛：青岛科技大学，2010.

Ultrasonic pipeline corrosion monitoring system with function of calibration and compensation

ZHANG Rong-hai，LIAO Jun-bi，XU Tao
（School of Manufacturing Sci.and Eng.，Si Chuan Univ.，Chengdu 610065，China）

In term of the thinning phenomenon of oil and gas pipelines wall due to the corrosion，to realize the long time monitoring for the pipeline corrosion，the system of ultrasonic corrosion monitoring was studied.Based on the principle of ultrasonic thickness measurement，the method of thickness measurement with function of calibration and compensation was proposed，and the concrete design plan of ultrasonic pipeline corrosion monitoring system was given.The standard thickness briquette having same material with the pipelines was bring in this system.Sample to the standard thickness briquette and the pipelines'signal of ultrasonic echo，the sampling data will send to the upper computer by wireless transmission module for processing analysis，then get the current thickness of the pipelines.

ultrasonic thickness measurement；corrosion monitoring；calibration and compensation；sampling

TN911

B

1674－6236（2016）17-0119-03

2015-09-06稿件编号：201509042

张荣海（1988—），男，河南南阳人，硕士研究生。研究方向：石化行业腐蚀监测。