管道腐蚀超声波在线检测技术

杨理践，王 健，高松巍

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

管道腐蚀超声波在线检测技术

杨理践，王 健，高松巍

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

提出一种用于管道在线腐蚀检测的方法，基于超声波脉冲反射法检测原理，依据超声波在介质中的传播特性，研究系统的超声波发射电路和程控放大电路。实验结果表明：发射电路产生的高压负脉冲信号能够有效激励超声探头；程控放大电路可以解决回波信号因深度增加能量衰减的问题，获得的信号达到技术要求。系统能够完成管道在线腐蚀检测的需要，具有良好的应用价值。

腐蚀检测；超声测厚；高压负脉冲；可变增益放大；增益控制

0 引言

管道破损主要是由于管道内部潜在的缺陷，在长时间的腐蚀、冲刷后造成的。石油化工行业使用的管道大部分都是高温高压管道，管道壁的减薄和破损基本是由于腐蚀造成的，管道腐蚀使生产过程存在相当大的危险性，工业事故屡有发生，不仅造成巨大的经济损失，同时给社会和环境带来严重的影响[1]。因此，为保障生产的连续性，防止安全事故的发生，超声波测厚技术在腐蚀检测上的应用越来越广泛[2-3]。

在管道的日常维护和检测过程中，需要对管道的腐蚀程度进行定期检测。其检测过程中，常用的具体方法有超声测厚技术、红外成像技术、声发射技术。超声测厚技术以检测速度快、灵敏度高、操作方便等优点，成为石油化工行业最主要的腐蚀检测手段[4]。现代电子检测技术应用于超声检测中，无论是检测精度、检测速度，还是检测范围和检测效率都有了很大的提高。因此，超声波检测技术无论在国内还是国外都是无损检测技术中使用频率最高、范围最广、发展最快、应用前景最广泛的。

本文基于超声波脉冲反射法测厚原理提出管道在线腐蚀检测方法，论述在线腐蚀检测系统的工作

原理，同时对超声波腐蚀检测硬件系统的发射电路、程控放大电路进行具体说明，并采用超声波腐蚀定点测厚检测设备对CSK-1检测试件进行实际测量。

1 超声波腐蚀检测原理

1.1 超声波脉冲反射法测厚原理

超声波脉冲反射法测厚是一种常规的无损检测方法，通过超声换能器把超声波打入工件内，超声波在工件表面和底面反射、折射、散射的信号会通过超声波接收换能器接收，由于声学特征及探测距离的原因，回波信号会产生一定的衰减现象。经过超声波接收电路的处理，就能获得有关材料厚度变化的信息。超声波脉冲反射法测厚原理示意图如图1所示。

图1 超声波脉冲反射法测厚的基本原理

1.2 测厚的分类及测厚点的选择

根据所测量的管壁的温度将测厚分为普通温度测厚和特殊温度测厚两类。普通温度范围是0～50℃，温度超过50℃时，称为特殊温度。测厚技术整体上有两种方式，其一为人工巡查方式，其二为超声波定点测厚。定点测厚又有3种方式，即检修期定点测厚、定期定点测厚以及在线实时测厚[5]。其中在线定点测厚方法能够满足管道腐蚀超声波在线检测的要求。

在炼化企业的管道，流体流过弯头、三通和管道变径处，流体的流速会显著变化，高速流体中夹杂的气泡和微小颗粒不断冲击金属表面，在管壁特殊部位腐蚀速度比普通部位要快。所以在线定点测厚的位置通常要选择在这些易发生泄漏的位置即特殊管段部位。

1.3 超声波在线检测系统工作原理

超声波定点测厚是腐蚀在线检测的一种有效辅助手段，通过定期或连续的超声定点测厚达到管道关键部位腐蚀监测的目的。系统工作示意图如图2所示。

管道在线超声波腐蚀监测系统把管道内外壁的腐蚀信息以超声回波形式体现出来。超声回波经过程控放大电路、A/D转换电路以及通信电路最终送到PC进行显示处理。管道在线超声波检测是通过超声波对管道壁进行扫描检测，接收到管道壁的回波信号，记录由于管道壁破损、腐蚀引起的几何形状变化从而引起的超声波回波幅度和传播时间两个参数的变化，获取管道壁的声阻抗信息，从而检测出管道壁破损情况。由于接收到的回波信号反映管道腐蚀程度和腐蚀速率。所以，对管道腐蚀情况的检测可以实现两方面的功能：一是评定管道高风险部位是否存在腐蚀；二是通过对腐蚀缺陷部位的检测，管理管道的薄弱环节的厚度变化，降低管道破损情况发生的概率。

图2 检测系统工作示意图

2 硬件方案

2.1 系统总体结构

硬件系统总体结构如图3所示。

图3 系统总体结构框图

系统电路的整个工作流程是：高压模块为发射电路提供高压电源，单片机定时发送脉冲信号，经过驱动电路，控制发射电路中场效应管的关断，进而产生高压负脉冲信号。高压负脉冲信号是激发超声探头的必要条件，对超声探头进行激励，产生自由衰减的超声回波信号。为了防止高压信号进入后续电路，在程控放大之前需加入限幅电路进行限幅，限幅电路可以有效地防止发射电路中的高压脉冲对后级电路的破坏性影响。超声回波信号通过限幅电路之后，输入到放大滤波电路进行后续处理；然后将回波信号经过A/D处理。通信电路可以实时地将超声数据发送至上位机。

2.2 发射电路

发射电路主要由场效应管、场效应管驱动器、阻尼电阻、高压模块、高压充电电容等组成。通过各部分的协调工作，产生超声激励脉冲。超声发射电路的实际电路图如图4所示，“开关信号”为单片机的控制信号，当该信号为低电平的时候，场效应管Q2截止，Q1导通，此时，高压模块产生的600 V高压电平可以对高压电容C3进行充电，直至电容C3两端的电压为600V。反之，当“开关信号”为高电平时，场效应管Q2导通，Q1截止，由于电容两端的电压不能突变，故电容C3的另一端会形成-600 V的高压，并通过后续电路进行放电，发射电路将产生一个高压负脉冲信号，高压负脉冲信号加在超声波探头的两端就能激发出中心频率为2.5MHz的超声波。

2.3 程控放大电路

2.3.1 可变增益放大电路

超声波在介质中传播时会造成能量的损失，其损失程度会随着深度的增加而增大，尤其是在高频率的超声波发射环境下，能量的衰减会特别严重。因此采用可变增益放大的方式，可以解决深度的增加带来能量衰减问题，从而有效处理回波信号[6]。本设计中，采用了可变增益放大电路的设计方案，实现了对增益的补偿。

AD604是增益可调的运算放大器，其典型的供电电压选用±5 V，单位增益带宽为40 MHz[7]。回波信号进入1通道的主放大器之前，由PAI管脚进入AD604的第1通道的前置放大器，固定放大14 dB，信号进入2通道的主放大器之前，增益放大倍数可以通过VGN1进行调节，2通道是通过VGN2连接增益控制电路进行调节，信号最终从15管脚输出[8]。此设计放大的最大增益数为82dB左右，可调节的范围为14～82dB，该范围可以满足程控放大的技术要求。

图4 超声发射电路图

2.3.2 增益调节电路

增益调节电路的核心芯片采用高速数模转换器完成，实际设计中，选用AD9708芯片，该芯片为8位的DA变换器，其转换速率为125M/s，可以通过3.3V或者5V供电。可变增益放大电路图如图5所示。

单片机控制AD9708完成系统的程控放大过程，AD9708是电流输出型数模转换器，但是可变增益放大器的增益控制端需电压输入，故实际设计时，在其IOUT引脚处，对地接有合适的电阻，从而完成电流-电压的转换。若回波信号的幅值小于设定的阈值时，为了控制放大器的增益，单片机控制

D/A变换器输出线性增长的电压信号，直至经过放大器的回波信号幅度满足采集要求。增益控制电路如图6所示。

图5 可变增益放大电路图

图6 增益调节电路

在增益调节电路中，首先需要对AD9708的参考电流进行设置。

输出电流满量程的值为

输出电流值的范围

式中：DACCODE——D/A数值输入量。

输出电压的最大电压值为

式中：RLOAD——用于电流转换成电压的外接电阻。

AD604的VREF引脚接2.5V时，即对应于20dB/V的增益档而言，VGAN增益电压的范围为0.2～1.2V。为了使得AD9708的输出电压范围与可变增益放大器的VGAN输入端电压匹配，而AD9708中IOUTA外接电阻为50Ω，故需要单片机控制AD9708输出电流范围为4～24mA[9]。实际应用中，单片机中的数字量取值范围为60～255。电流分辨力为0.075mA，电压分辨力为3.75mV。

2.3.3 增益控制程序流程图

为了管道超声检测设备具有较大的检测范围，采用增益控制方式来满足对不同厚度的检测要求，增益控制程序流程图如图7所示。

图7 增益控制程序流程图

通过在AD9708中写入数据，输出线性增长电压信号，完成对可变增益放大器的增益调节。

3 实验与结果分析

通常在炼化企业进行现场检测时，使用超声波

定点测厚的手段，定期或连续检测管道壁厚度的变化，为了证明超声波定点测厚是管道腐蚀检测的有效手段，能够对管壁的腐蚀速率进行判定，为生产管理提供安全依据。同时验证超声波腐蚀检测系统的性能，更直观地说明现场检测的可行性，选用国家颁布的标准检测试块CSK-1试件进行实际测试实验。试件宽度为100mm，在半圆处的宽度为91mm，选择厚度变化比较大的两个位置模拟厚度变化时检测设备的可使用性。已知在这种试块中，超声波的声速是5900m/s。通过检测厚度与试块的已知厚度进行比较，从而判定检测系统的性能。回波信号波形图如图8、图9所示。

图8 91mm厚度回波信号波形图

图9 100mm厚度回波信号波形图

测量厚度的计算公式为

式中：V——超声波在试块中的传播速度；

T——头波与一次回波之间的时间间隔；

L——实际检测的厚度。

表1 CSK-1厚度检测结果

由式（5）对回波信号计算，结果如表1所示。

实验结果表明：由于存在读数的人为误差、测试设备自有误差等原因，测量误差存在一定的差别，但基本达到误差率3%的设计要求，虽然对厚钢板进行的检测实验，但对管道腐蚀超声波检测系统具有一定的通用性。可应用于超声波定点测厚、定期或连续检测管道壁厚度的变化，通过厚度变化判断管壁腐蚀状况。

4 结束语

对管道腐蚀超声波在线检测系统的电路进行详细的分析，经过实验验证，高压负脉冲信号有效激励了超声换能器，得到的回波信号通过程控放大等信号处理环节后，能够比较准确地反映出管道的腐蚀情况，实现了管道腐蚀超声波在线检测的目的。

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

[2]张磊，黄悦.化工区公共管廊危险品物流管道实施在线腐蚀检测与长期监测的探讨：MsS长距离超声导波检测与长期监测技术[J].化工装备技术，2010，31（1）：40-42.

[3]宋日生，喻建胜，何莎，等.低频导波在场站管道检测中的应用研究[J].中国测试，2012，38（5）：32-35.

[4]Michael M.Re-thinking possible in in-line inspection[J]. Flowlines&Pipelines，2012（5）：125-128.

[5]郭庆云，王亚权.工业管道测厚的几点问题探讨[J].石油化工腐蚀与防护，2006（6）：26-28.

[6]陈晓东，付永强，温世杰.医学超声内窥成像系统的数字增益补偿[J].纳米技术与精密工程，2009，1（7）：85-89.

[7]王锦清，韦文仁，李斌.四通道高动态范围自动增益控制电路的设计与实现[J].天文研究与技术，2010，7（3）：207-213.

[8]孙颖，李醒飞，张国雄.AD604及其在医用超声系统中的应用[J].应用与设计，2009（2）：29-31.

[9]隋卫平，潘仲明，王跃科.一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路设计 [J].国防科技大学学报，2004，26（3）：107-111.

On-line ultrasonic detecting technology for pipe-line corrosion

YANG Li-jian，WANG Jian，GAO Song-wei
（School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

This paper puts forward an online method for detecting pipeline corrosion.On the basis of the detection principle of ultrasonic pulse reflection method and the ultrasonic propagation characteristics of the medium， the paper investigated the ultrasonic transmitting circuit，programmable amplifying circuit and data acquisition circuit of the system.The experimental results show that the ultrasonic probe can be effectively excited by the pulse waveform signal generated by the transmitting circuit，and programmable amplification circuit solved the problem of echo signal energy attenuation due to the depth increased.The obtained signal met technical requirements.The system fulfills the needs of the pipe-line corrosion monitoring，and has a good application value.

corrosion detection；ultrasonic inspection；high negative pulse；VGA；gain control

TG115.285；TG111；TG172；TB302

：A

：1674-5124（2014）01-0088-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.023

2012-12-11；

：2013-02-03

国家自然科学基金项目（60927004、61141004）十二五国家科技部支撑计划项目（2011BAK06B01-03）

杨理践（1957-），男，湖南长沙市人，教授，博士生导师，主要从事管道检测及无损检测技术等方面的研究。