专利名称：石油储罐底板超声导波检测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种大型平板类构件或石油储罐底板超声导波检测方法和系统，涉及超声波的测量和管道系统技术领域。
背景技术：
石油储罐作为国家石油战略储备的重要设备，其作用对战略目标实现有着重要意义。随着我国石油战略储备计划的实施，大型石油储罐的容量和数量将进一步增加。大型石油储罐长年在自然环境和液位变化条件下运行，受到多种不利因素影响，不可避免地受到各种损伤。特别是环境中的化学腐蚀和电化学腐蚀所引发的腐蚀穿孔、裂纹扩展以及破裂等，造成介质泄漏，引起严重灾害和环境污染，给国家财产造成巨大损失。根据有关调查资料，在油罐腐蚀中，底板腐蚀占80%。因此，储罐底板的腐蚀情况已成为评价整个储罐使用寿命的依据。世界各国均以法律的形式要求必须对储罐进行定期的检查， 而检查的重点就是储罐的底板。然而，常规的储罐罐底检测方法均要停止油罐收发作业和清罐、除锈、甚至拆保温等工序，其油品损失和施工措施费用很高，并且耗时长、效率低。因此，研发一种能够对储罐底板实现在役检测的低损耗无损检测方法，已经成为石化行业无损检测研究的热点之一。CN101762635A公开了一种油罐底板超声导波检测方法。CN101666783A公开了一种用于油罐罐底板超声导波检测方法。《无损检测》第32卷第11期公开了一种储罐底板缺陷的相控阵超声导波的图像重建方法。这些方法虽然对储罐底板缺陷的检测有一定效果，但检测距离不长，精度和定位准确度都有限。
发明内容
本发明的目的是发明一种激发能量大、检测距离长、精度和定位准确的石油储罐底板超声导波检测方法和系统。针对上述实际检测需要，根据储罐底板的形状特征，即典型的薄板结构，本发明利用超声导波对储罐底板进行检测，即在储罐底板的不同位置，安装超声传感器，使超声导波聚焦于储罐底板的各个位置。图4-图8给出了各种超声传感器的安装位置和聚焦的示意图。本石油储罐底板超声导波检测方法见图I，数据采集总流程为I)参数设定总发射通道数M，总接收通道数N，数据长度，增益等；2)设定当前激励通道(通道号…)，当前接收通道(通道号…)；3)进入单次采集循环；4)是否所有接收通道完成，未完成，则返回设定；完成，则进入下步；5)是否所有发射通道完成，未完成，则返回设定；完成，则结束。其中单次采集循环流程(见图2)为I)指定通道激励；
2)设定通道延时接收(一个或多个);3)原始数据上传至软件部分；4)数据拼合；5)是否达到预定采集长度？如是，则结束采集，形成波形文件；如否，则接收延时增加后返回指定通道激励。超声检测信号的采集和存储过程通过三个嵌套的循环过程来实现，按照嵌套层次由外及内分别为发射循环、接收循环、单次采集循环；在完成超声导波传感器阵列的布置，并在软件界面上完成总发射通道数、总接收通道数、各通道发射延时，采集数据长度、通道 接收增益等参数的设定后，系统即进入发射循环过程；发射循环依次对设定的激励通道进行设置和触发，直到设定的所用发射通道均已完成，结束循环；接收循环为第二层循环，当某一设定的激励通道或激励通道组合进行发射时，所有设定的对应的接收通道依次进行接收，直到所有设定的接收组合完成后，跳出该循环；单次采集循环为最内层循环，实现在指定激励通道和指定接收通道条件下的数据采集。由于石油储罐底板检测的数据量较大，一般超声电子系统的板上缓存不能满足数据转存要求，因此采用分时采集拼接的方法进行数据的采集。通过改变接收通道的延时来获得更大时间范围内的检测信号，每次延时采集完成后即将数据上传到上位计算机，由数据拼接模块完成拼接，并反馈已采集的数据长度，如果已采集的数据长度未达到预设长度，则增加延时值，进行下一次延时采集；如果已采集的数据长度已达到预设长度，则结束采集，并自动生成存储文件，将采集的数据存储到预设目录下。依照上述方法，本发明的石油储罐底板超声导波检测系统(见图3)的组成包括三部分超声导波传感器阵列、多通道超声电子系统以及硬件部分的检测数据的处理和声成像系统。所述多通道超声电子系统由激励部分和接收部分组成；所述检测数据的处理和声成像系统由检测参数设置模块、数据采集和拼接模块、数据处理和声成像模块三部分组成。超声导波传感器阵列输出接多通道超声电子系统的接收部分，接收部分的输出接数组采集和拼接模块，数组采集和拼接模块输出接数据处理和声成像模块；检测参数设置模块输出接多通道超声电子系统的激励部分，激励部分的输出接超声导波传感器阵列。所述超声导波传感器阵列的布置检测传感器采用粘接的方式布置于储罐底板的边缘板处，如图4所示，粘接前需对粘接表面做简单处理，以保证传感器与边缘板的紧密接触；根据被检底板的直径、衰减、缺陷特征等参数，选择合适的传感器分组(每组的传感器数，以及该组传感器用于发射、接收、或者自发自收等)和检测位置，在保证检测灵敏度的前提下，实现最大的检测范围；根据被检储罐底板的不同直径和衰减情况，可以选择下述四种检测方式图5所示，对于较小直径的储罐底板，将若干个/组传感器均布在边缘板的圆周上，每个传感器依次发射，所有传感器接收；图6所示为所有传感器布置在底板的一侧，根据检测深度不同，按照不同的激励规则，形成不同深度的焦点；接收检测信号时则根据需要，选择某几个位置的传感器进行综合孔径接收，或使用全部传感器进行接收；图7所示为过直径的透射式检测，对于直径较大，或衰减较严重的储罐底板，采用此方式；将所有传感器分为两组，分别用作相控发射和相控接收，在圆周上依次进行180°扫描，实现对底板内部缺陷的检测；对于直径很大，衰减严重的储罐底板，采用图8的方式进行检测；在保证检测灵敏度的前提下，将传感器分为两组，按一定角度布置在圆周上，这两组传感器的公共覆盖范围即为有效检测区域；通过将被检底板划分为不同区域，则依次完成各区域的检测；对于在当前灵敏度下无法检测的部分，则需要切换较低频率的传感器，牺牲检测灵敏度以换取更大的检测范围；
所述多通道超声电子系统为为便于扩展和降低成本，多通道超声电子系统由16个模拟通道和4个数字通道组成，各通道间的工作参数和时序由软件部分来控制；由于各模拟通道和数字通道的相互之间的独立性，该检测系统较为方便的扩展到更多通道，而控制软件基本不需要修改；所述检测数据的处理和声成像系统为由于本检测系统对超声波检测信号采用全波列采集的信号存储方式，保存了可获得的最原始的射频信号；因此在后处理软件中对检测信号采用多种处理方式；使用的信号处理方法包括各种滤波、差值、抽取、自相关和互相关、功率谱分析、小波变换、傅里叶分析、短时傅里叶分析等；采用的声成像方式包括B扫描成像、C扫描成像、P扫描成像等；其中本发明的石油储罐底板超声导波检测系统中的多通道超声电子系统以及检测数据的处理和声成像系统的电原理如图9所示；有主控软件控制的上位机通过网络接口与下位机控制核心CPU连接，有矩阵健盘输入、液晶显示输出、储存单元及电源单元供电的CPU总线接口与多个四通道超声信号卡连接；上位机通过网络接口与下位机控制核心(CPU(ARM9))通信，写入由主控软件设定的各项检测参数；CPU(ARM9)根据检测参数控制各超声信号卡工作，按照时序激励和接收超声，同时对接收到的超声信号进行缓存，并在上位机允许中断时，传输给上位机，由主控软件进行进一步的分析；四通道超声信号卡为该系统硬件的重要组成部分，其电原理如图10所示；与CPU总线接口连接的FPGA(EP2C8Q)输出接高压模块，高压模块输出接多个发射单元；多个接收单元输出接4选I通道选择器，4选I通道选择器输出依次串接程控放大器、信号滤波器、A/D转换器，A/D转换器输出接FPGA，程控放大器、信号滤波器也有输出接FPGA ；该四通道超声信号卡的控制核心为FPGA，并通过CPU总线与下位机控制核心ARM通信。FPGA从总线上读入各项检测参数后，控制高压模块和通道选择器，按照时序对各通道发射单元进行激励，并采集相应通道的信号；在设定的时域长度内，超声信号卡按照预定参数对信号进行程控放大，滤波，最后进行A/D转换，转换为数字信号的超声检测信号通过FPGA传输给下位机控制核心CPU(ARM)。本检测系统针对石油储罐的底板检测需求而研制，但也可应用于其他大型板类构件的超声无损检测。本发明适用于储罐底板缺陷的检测，本方法激发能量更大(400W)、检测距离更长(大于3米)、精度和定位更准确(小于10厘米)，可为储罐底板缺陷检测提供更快更经济的方式。
图I检测系统控制流程图(外层循环)图2检测系统控制流程图(内层循环)图3石油储罐底板超声导波检测系统原理框4传感器阵列布置示意 图5小直径底板的检测方法示意6针对不同位置的聚焦7过中心的聚焦发射和接收示意8某靶点的偏转聚焦发射和接收示意9检测系统电路原理10四通道超声信号卡电路原理11被检试件成像区域示意12检测成像结果图
具体实施例方式实施例.以本例来说明本发明的具体实施方式
并对本发明作进一步的说明。本例是一实验样机，其构成如图3所示，由超声导波传感器阵列、多通道超声电子系统以及硬件部分的检测数据的处理和声成像系统组成。本例的多通道超声电子系统以及检测数据的处理和声成像系统的电原理如图9所示；有主控软件控制的上位机通过网络接口与下位机控制核心CPU连接，有矩阵健盘输入、液晶显示输出、储存单元及电源单元供电的CPU总线接口与多个四通道超声信号卡连接;四通道超声信号卡为该系统硬件的重要组成部分，其电原理如图10所示；与CPU总线接口连接的FPGA(EP2C8Q)输出接高压模块，高压模块输出接多个发射单元；多个接收单元输出接4选I通道选择器，4选I通道选择器输出依次串接程控放大器、信号滤波器、A/D转换器，A/D转换器输出接FPGA，程控放大器、信号滤波器也有输出接FPGA ；其中上位机选；上位机选A-790可扩展军用加固笔记本；FPGA 选 EP2C8Q ；高压模块选500V ACDC模块；发射单元选 IRF 840s ；接收单元选RLC传感器阻抗匹配网络；4选I通道选择器选74HC4051 ；程控放大器选AD603 ；信号滤波器选无源二级π形网络；
A/D 转换器选 AD9215。本例在一 5万立方米的原油储罐的底板作试验。被检试件成像区域示意图如图11所示。图12所示为对本系统的检测信号应用数字聚焦反演成像算法进行声成像处理的结果O实验所使用的探头阵列由10个超声导波传感器组成，布置采用图6的方式。检测试件的材料与石油储罐边缘板的材料相同，厚度为10mm。在距探头前沿2500mm处加工有如下人工缺陷，如图4所示1，直径5mm的通孔；2，尺寸为30mmX4mmX 2. 5mm的刻槽,2. 5mm为槽深；3，直径IOmm的通孔；4，直径20mm的通孔。四个人工缺陷间的水平间距如下1和2之间相差IOOmm ；2和3之间相差IOOmm ；3和4之间相差200臟，缺陷3与传感器阵列前沿距离为2500mm。数据采集总流程为I)参数设定总发射通道数M，总接收通道数N，数据长度，增益等； 2)设定当前激励通道(通道号…)，当前接收通道(通道号…)；3)进入单次采集循环；4)是否所有接收通道完成，未完成，则返回设定；完成，则进入下步；5)是否所有发射通道完成，未完成，则返回设定；完成，则结束。其中单次采集循环流程(见图2)为I)指定通道激励；2)设定通道延时接收(一个或多个)；3)原始数据上传至软件部分；4)数据拼合；5)是否达到预定采集长度？如是，则结束采集，形成波形文件；如否，则接收延时增加后返回指定通道激励。应用数字聚焦反演成像算法得出的声成像结果如图5所示，各人工缺陷的声成像结果以对应的数字标出。成像结果正确反映了各个人工缺陷间的相对位置关系，但是成像的横向分辨率尚有待改善。通过修正成像算法，或者选用其他更合适的成像算法，则可以有效的改善成像结果。
权利要求
1.一种石油储罐底板超声导波检测方法，其特征是在储罐底板的不同位置，安装超声传感器，使超声导波聚焦于储罐底板的各个位置；超声检测信号的采集和存储过程通过三个嵌套的循环过程来实现，按照嵌套层次由外及内分别为发射循环、接收循环、单次采集循环；在完成超声导波传感器阵列的布置，并在软件界面上完成总发射通道数、总接收通道数、各通道发射延时，采集数据长度、通道接收增益参数的设定后，系统即进入发射循环过程; 发射循环依次对设定的激励通道进行设置和触发，直到设定的所用发射通道均已完成，结束循环； 接收循环为第二层循环，当某一设定的激励通道或激励通道组合进行发射时，所有设定的对应的接收通道依次进行接收，直到所有设定的接收组合完成后，跳出该循环； 检测方法的流程为 1)参数设定总发射通道数M，总接收通道数N，数据长度，增益； 2)设定当前激励通道，当前接收通道； 3)进入单次采集循环； 4)是否所有接收通道完成，未完成，则返回设定；完成，则进入下步； 5)是否所有发射通道完成，未完成，则返回设定；完成，则结束。
2.根据权利要求I所述的石油储罐底板超声导波检测方法，其特征是所述单次采集循环为最内层循环，采用分时采集拼接的方法进行数据的采集；通过改变接收通道的延时来获得更大时间范围内的检测信号，每次延时采集完成后即将数据上传到上位计算机，由数据拼接模块完成拼接，并反馈已采集的数据长度，如果已采集的数据长度未达到预设长度，则增加延时值，进行下一次延时采集；如果已采集的数据长度已达到预设长度，则结束采集，并自动生成存储文件，将采集的数据存储到预设目录下；其流程为 1)指定通道激励； 2)设定通道延时接收； 3)原始数据上传至软件部分； 4)数据拼合； 5)是否达到预定采集长度？如是，则结束采集，形成波形文件；如否，则接收延时增加后返回指定通道激励。
3.一种使用权利要求I所述方法的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是它包括超声导波传感器阵列、多通道超声电子系统以及硬件部分的检测数据的处理和声成像系统三部分。
4.根据权利要求3所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所述多通道超声电子系统由激励部分和接收部分组成；所述检测数据的处理和声成像系统由检测参数设置模块、数据采集和拼接模块、数据处理和声成像模块三部分组成； 超声导波传感器阵列输出接多通道超声电子系统的接收部分，接收部分的输出接数组采集和拼接模块，数组采集和拼接模块输出接数据处理和声成像模块；检测参数设置模块输出接多通道超声电子系统的激励部分，激励部分的输出接超声导波传感器阵列。
5.根据权利要求3所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所述超声导波传感器阵列的布置根据被检底板的直径、衰减、缺陷特征参数，选择合适的传感器分组和检测位置，在保证检测灵敏度的前提下，实现最大的检测范围； 检测传感器采用粘接的方式布置于储罐底板的边缘板处，粘接前需对粘接表面做简单处理，传感器与边缘板的紧密接触。
6.根据权利要求3或5所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是对于较小直径的储罐底板，将若干个/组传感器均布在边缘板的圆周上，每个传感器依次发射，所有传感器接收。
7.根据权利要求3或5所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所有传感器布置在底板的一侧，根据检测深度不同，按照不同的激励规则，形成不同深度的焦点；接收检测信号时则根据需要，选择某几个位置的传感器进行综合孔径接收，或使用全部传感器进行接收。
8.根据权利要求3或5所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是过直径的透射式检测，对于直径较大，或衰减较严重的储罐底板，将所有传感器分为两组，分别用作相控发射和相控接收，在圆周上依次进行180°扫描。
9.根据权利要求3或5所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是对于直径很大，衰减严重的储罐底板，在保证检测灵敏度的前提下，将传感器分为两组，按一定角度布置在圆周上，这两组传感器的公共覆盖范围即为有效检测区域；通过将被检底板划分为不同区域，则依次完成各区域的检测；对于在当前灵敏度下无法检测的部分，则需要切换较低频率的传感器，牺牲检测灵敏度以换取更大的检测范围。
10.根据权利要求3所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所述多通道超声电子系统由16个模拟通道和4个数字通道组成，各通道间的工作参数和时序由软件部分来控制。
11.根据权利要求3所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是油储罐底板超声导波检测系统中的多通道超声电子系统以及检测数据的处理和声成像系统的电原理为有主控软件控制的上位机通过网络接口与下位机控制核心CPU连接，有矩阵健盘输入、液晶显示输出、储存单元及电源单元供电的CPU总线接口与多个四通道超声信号卡连接； 上位机通过网络接口与下位机控制核心CPU通信，写入由主控软件设定的各项检测参数；CPU根据检测参数控制各超声信号卡工作，按照时序激励和接收超声，同时对接收到的超声信号进行缓存，并在上位机允许中断时，传输给上位机，由主控软件进行进一步的分析。
12.根据权利要求11所述的石油储罐底板超声导波检测系统，其特征是所述四通道超声信号卡为与CPU总线接口连接的FPGA输出接高压模块，高压模块输出接多个发射单元；多个接收单元输出接4选I通道选择器，4选I通道选择器输出依次串接程控放大器、信号滤波器、A/D转换器，A/D转换器输出接FPGA，程控放大器、信号滤波器也有输出接FPGA ； 该四通道超声信号卡的控制核心为FPGA，并通过CPU总线与下位机控制核心ARM通信；FPGA从总线上读入各项检测参数后，控制高压模块和通道选择器，按照时序对各通道发射单元进行激励，并采集相应通道的信号；在设定的时域长度内，超声信号卡按照预定参数对信号进行程控放大，滤波，最后进行A/D转换，转换为数字信号的超声检测信号通过FPGA传输给下位机控制核心CPU。
全文摘要
本发明是一种大型平板类构件或石油储罐底板超声导波检测方法和系统。在储罐底板的不同位置，安装超声导波传感器，使超声导波聚焦于储罐底板的各个位置；检测方法的流程为1)参数设定总发射通道数M，总接收通道数N，数据长度，增益；2)设定当前激励通道，当前接收通道；3)进入单次采集循环；4)是否所有接收通道完成，未完成，则返回设定；完成，则进入下步；5)是否所有发射通道完成，未完成，则返回设定；完成，则结束。本发明激发能量大、检测距离长、精度和定位准确。
文档编号G01N29/06GK102778507SQ20111012464
公开日2012年11月14日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者佟文强, 冯展军, 刘哲, 刘广文, 王禹钦, 王维斌, 艾慕阳, 蒋先尧, 赵丑民, 陈健峰 申请人:中国石油天然气股份有限公司