竖直管道的管壁检测装置、检测系统及检测方法与流程

本发明涉及竖直管道的管壁检测技术领域，特别是涉及一种竖直管道的管壁检测装置、检测系统及检测方法。

背景技术：

近年来，随着我国国民经济的高速发展，对能源的需求也日益增长，在国家能源环保政策引导下，天然气作为清洁能源用于汽车燃料也得到了快速发展，天然气在我国的能源消费结构中的比例大幅度增长，预计2020年，我国天然气将达到2000亿立方米左右，届时，天然气在我国一次能源消费中的比例将由目前的3％上升到10％左右。随着天然气的快速发展，近几年全国压缩天然气(cng)汽车保有量持续增加，由cng汽车带动的cng加气站也迅速发展起来。作为加气站储气设备，高压地下储气井(以下简称储气井)及高压地上储气瓶组是cng加气站内以储存压缩天然气体为目的主要使用手段。

其中高压地下储气井(以下简称储气井)，是以储存压缩天然气体为目的的一种特殊的安装在地下的、管状立式压力容器，井身结构采用螺纹(无焊接)连接，工作压力高达25mpa，具有占地面积小、安全性强、运行费用低、操作维护简便等优点。但储气井套管深埋地下(最深达260m)，由于地层电化学、疲劳腐蚀等原因，会造成局部区域壁厚减薄，存在极大的安全隐患，因而对储气井进行定期的状况检测显得至关重要。

目前，国内采用超声波技术作为储气井套管检验的主要手段，但采用的检测方法均选用常规超声检测技术进行检测。比如中国专利201310030654.4公开了一种地下储气井井壁自动化综合检测系统及检测方法，采用呈环状分布的常规超声阵列式探头组合；该探头组合分0角度纵波探头组和45度横波裂纹检测探头组两种。这两种探头组分别放入储气井中进行检测以完成壁厚腐蚀和裂纹的检测。这种阵列式检测方式实现方式简单，检测操作方便，已经在高压地下储气井的定期检验中得到了广泛的应用。

但这种方式有几个缺点，一是由于每个常规超声波探头在圆周分布中仅检测一个点，所以一个圆周上检测的点数取决与阵列式常规超声探头的数目，近年来，由于储气井管壁上点状腐蚀的出现，在管壁扫描的过程中要检测点状腐蚀就要使扫描的点数特别密，这样会造成常规超声探头的数目就非常庞大。比如如果想在157毫米直径的管壁上实现圆周方向上1毫米的检测分辨率的话就需要高达500个探头，如果算上裂纹检测探头需要1000个常规超声探头。这种庞大数目的探头实现高分辨率储气井壁厚扫描时已不具备可行性。

因此，需要一种可实现高精度检测的地下储气井井壁检测装置。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种竖直管道的管壁检测装置、检测系统及检测方法，用于解决现有技术中地下储气井井壁精度低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种竖直管道的管壁检测装置，其包括：

检测探头，包括主体，以及嵌设在主体上的相控阵探头组，相控阵探头组中所有压电晶片沿主体的圆周方向排布且形成闭合的环状检测部；

电子舱，电子舱内设有数据传输模块、数据记录与存储模块以及超声波相控阵模组，超声波相控阵模组与所述相控阵探头组相连，所述超声波相控阵模组根据电子聚焦法则驱动相控阵探头组发出波束直接入射至管壁上，对管壁进行圆周方向上的全覆盖检测。

优选的，所述超声波相控阵模组根据电子聚焦法则驱动相控阵探头组以不同入射角度进行扫描，依次实现0角度纵波360°扫描和45度横波的360°全覆盖双向扫描。

优选的，所述相控阵探头组由一个环状的探头构成。

优选的，所述相控阵探头组由至少两个弧形的探头沿所述主体的周向环向排列构成。

优选的，相邻的所述弧形的探头具有重叠区，以保证全覆盖检测。

优选的，还包括置于所述检测探头与所述电子舱之间、以及所述电子舱顶部的导向机构，所述导向机构包括连接主体，以及绕连接主体分布的多个导向轮，所有导向轮位于同一圆周上。

优选的，所述电子舱顶部的导向机构上方连设有连接端。

本发明还提供一种竖直管道的管壁检测系统，其包括：

上位机、

如上所述的竖直管道的管壁检测装置，

以及升降装置，用于将所述竖直管道的管壁检测装置匀速送入待检测的竖直管道内，

所述竖直管道的管壁检测装置通过铠装电缆与所述上位机相连，且所述铠装电缆绕设有位置测量装置，位置测量装置用于竖直管道的管壁检测装置的位置测量。

优选的，所述升降装置包括位于井口一侧的第一滚轮和位于井口正上方的第二滚轮，所述竖直管道的管壁检测装置置于井口，所述铠装电缆绕经所述第一滚轮和第二滚轮后与卷绕装置相连。

本发明还提供一种竖直管道的管壁检测方法，其采用如上所述的竖直管道的管壁检测系统，包括如下步骤：

开启所述升降装置，将竖直管道的管壁检测装置吊入竖直管道的管口内，并使检测探头没入竖直管道内水面，启动升降装置使竖直管道的管壁检测装置匀速下降；下降的同时对竖直管道的每个横截面进行检测，具体为：超声波相控阵模组按指令依次根据0角度纵波检测聚焦法则和45度横波检测聚焦法则激励相控阵探头组中的不同压电晶片组合，实现对管壁的全覆盖0角度纵波和45度横波扫描检测；检测结果实时存储到数据记录与存储模块中，并且通过数据传输模块传输至上位机中进行监控。

如上所述，本发明的竖直管道的管壁检测装置、检测系统以及检测方法，具有以下有益效果：其中竖直管道可为地下储气井，储油管道等等，其采用相控阵探头组，且相控阵探头组中的所有压电晶片沿主体的圆周方向排布，形成一个闭合的环状，其在超声波相控阵模组的驱动下，可以将波束直接入射到管壁上，提高了超声波检测的灵敏度和可靠性；同一探头可以依据不同的电子聚焦法则，依次实现壁厚腐蚀和裂纹的检测，这样不仅实现了竖直管道管壁的高分辨率检测，也可利用不同的相控阵聚焦法则使同一组相控阵探头组实现0角度纵波高分辨检测和45度横波高分辨率检测；壁厚腐蚀和裂纹的检测一次下井即可完成。

附图说明

图1显示为本发明的竖直管道的管壁检测装置示意图。

图2显示为本发明的竖直管道的管壁检测装置的局部放大图。

图3显示为本发明的检测探头的检测状态示意图。

图4显示为本发明的检测探头的所发射线示意图。

元件标号说明

100连接端

200导向机构

210连接主体

220导向轮

300电子舱

400检测探头

410弧形的探头

411压电晶片

420主体

500井壁

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1及图2所示，本发明提供一种竖直管道的管壁检测装置，本实施例中竖直管道其可以为地下储气井，也可以为储油管道，或者其他埋设于地下的竖直设置的金属管道，下面以竖直管道为地下储气井进行描述，其包括：

检测探头400，包括主体420，以及嵌设在主体420上的相控阵探头组，见图3所示，相控阵探头组中所有压电晶片411沿主体420的圆周方向排布且形成闭合的环状检测部；

电子舱300，电子舱300内设有数据传输模块、数据记录与存储模块以及超声波相控阵模组，超声波相控阵模组与所述相控阵探头组相连，所述超声波相控阵模组根据电子聚焦法则驱动相控阵探头组发出波束直接入射至竖直管道的管壁(即地下储气井的井壁)上，对井壁500进行圆周方向上的全覆盖检测。

本发明采用相控阵探头组，且相控阵探头组中的所有压电晶片411沿主体的圆周方向排布，形成一个闭合的环状，其在超声波相控阵模组的驱动下，可以将波束直接入射到井壁500上，提高了超声波检测的灵敏度和可靠性；同一探头可以依据不同的电子聚焦法则，依次实现壁厚腐蚀和裂纹的检测，这样不仅实现了储气井井壁的高分辨率检测，也可利用不同的相控阵聚焦法则使同一组相控阵探头组实现0角度纵波高分辨检测和45度横波高分辨率检测；壁厚腐蚀和裂纹的检测一次下井即可完成。

为更高效的对井壁进行检测，本实施例中超声波相控阵模组根据电子聚焦法则驱动相控阵探头组以不同入射角度进行扫描，依次实现0角度纵波360°扫描和45度横波的360°全覆盖双向扫描。本实施例中在进行检测时，可将所有压电晶片411按周向依次激活n个，如先激活第1-n个压电晶片，再激活第2-n+1个，再激活3-n+2个依次激活所有压电晶片，在激活过程中每组压电晶片可以依次实现三种模式检测，实现裂纹、壁厚腐蚀的检测，如：见图4所示，图中波束c为纵波模式，波束b为正向45度横波模式，波束a为反向45度横波模式。

本实施例中上述相控阵探头组由一个环状的探头构成，即相控阵探头组为一体式结构，其为环形可直接嵌设在上述主体420的周向面上。

上述相控阵探头组也可以由至少两个弧形的探头410沿所述主体420的周向环向排列构成，见图1及图2所示，本实施例中相控阵探头组由四个弧形的探头410周向排列而成，每个弧形的探头410其上具有多个压电晶片411沿弧形并排分布，本实施例相控阵探头组为分体式的，其可以根据需要设置每个弧形的探头410的弧长，可形成二个、四个、八个或其他个数组合形成的相控阵探头组。为提高检测，相邻的弧形的探头410具有重叠区，即弧形的探头410嵌设在上述主体上420时可在轴向上错层分布在不同的圆周上，形成上下两层，使其在衔接的地方具有重叠区，形成一个类似环形的探头，避免在同一圆周上分布存在衔接盲区。无论是一个环状的探头还是弧形的探头所形成的相控阵探头组，需确保在主体的周向面上具有一圈压电晶片，使其可对井壁进行360°全覆盖检测。

为确保检测时，上述竖直管道的管壁检测装置可沿管壁直线下降，本实施例还包括置于所述检测探头400与所述电子舱300之间、以及所述电子舱顶部的导向机构200，见图1及图2所示，所述导向机构200包括连接主体210，以及绕连接主体210分布的多个导向轮220，所有导向轮220位于同一圆周上。在对储气井井壁进行检测时，可先调节所有导向轮220，使所有导向轮220组成的圆周直径与储气井的内径相同或相近，以此使导向轮与井壁接触可沿井壁向下运动，确保检测探头的平稳下降，提高对井壁检测的精度。

为便于竖直管道的管壁检测装置与地面的上位机进行通讯，以及便于为电子舱内的各模块供电，本实施例还在电子舱顶部的导向机构200上方连设有连接端100，连接端100内具有快接插头，比如通讯接头、电源连线接头等。本实施例中连接端100可直接与铠装电缆相连。

为更好的检测和对所检测到的数据进行存储分析，本实施例中超声波相控阵模组包括相控阵发射与接收电子模块、数据采集与波束形成模块。本实施例中竖直管道的管壁检测装置通过铠装电缆与井上的上位机和直流电源连接得到供电，并通过数据传输模块与铠装电缆与地面的上位机进行通讯，相控阵发射与接收模块与上述相控阵探头组相连，以驱动相控阵探头组发出波束直接入射至地下储气井的井壁上，对井壁500进行圆周方向上的全覆盖检测。其中电子舱300内的数据记录与存储模块与数据采集与波束形成模块相连，可实时将检测到的检测结果和波形进行存储，确保竖直管道的管壁检测装置检测完后，将所有检测数据导出，进行后续分析处理。本实施例的竖直管道的管壁检测装置还配有调试端口，可在检测前或完成检测后在地面上实现检测参数设置或检测数据的导出。

上述超声波相控阵模组通过数据传输模块和铠装电缆实现检测数据的实时传输，传输方式包括远距离串口通讯，网络或其它长距离数据传输的方式。

本发明还提供一种竖直管道的管壁检测系统，其包括：

上位机、

如上所述的竖直管道的管壁检测装置，

以及升降装置，用于将所述竖直管道的管壁检测装置匀速送入竖直管道内，

所述竖直管道的管壁检测装置通过铠装电缆与所述上位机相连，且所述铠装电缆绕设有位置测量装置，位置测量装置用于竖直管道的管壁检测装置的位置测量。

本发明通过升降装置匀速将竖直管道的管壁检测装置送入竖直管道内，且边下降边对管道壁进行检测，实现对管道壁的壁厚腐蚀及裂纹检测。

为使上述竖直管道的管壁检测装置平稳匀速的下降，本实施例中上述升降装置包括位于井口一侧的第一滚轮和位于井口正上方的第二滚轮，所述竖直管道的管壁检测装置置于井口，所述铠装电缆绕经所述第一滚轮和第二滚轮后与卷绕装置相连。

本发明还提供一种竖直管道的管壁检测方法，本实施例为对地下储气井井壁的检测，其采用如上所述的竖直管道的管壁检测系统，包括如下步骤：

开启所述升降装置，将竖直管道的管壁检测装置吊入储气井井口，并使检测探头没入井内水面，启动升降装置使竖直管道的管壁检测装置匀速下降；下降的同时对储气井的每个横截面进行检测，具体为：超声波相控阵模组按指令依次根据0角度纵波检测聚焦法则和45度横波检测聚焦法则激励相控阵探头组中的不同晶片组合，实现对井壁的全覆盖0角度纵波和45度横波扫描检测；检测结果实时存储到数据记录与存储模块中，并且通过数据传输模块传输至上位机中进行监控。

具体检测过程可为：先现将上述竖直管道的管壁检测装置上的连接端100与铠装电缆相连，再与上位机、电源等相连；打开电源，启动上述电子舱300内的超声波相控阵电子模组，进行初始化设置，设置完毕后竖直管道的管壁检测装置进入自动扫描模式；打开位于井上的上位机的检测数据显示软件，显示软件开始实时显示检测探头所检测结果；开启上述升降装置，将竖直管道的管壁检测装置吊入储气井井口，并使检测探头没入井内水面，启动升降装置使竖直管道的管壁检测装置匀速下降；超声波相控阵电子模组按指令依次根据0角度纵波检测聚焦法则和45度横波检测聚焦法则激励相控阵探头组内的不同压电晶片组合，实现对井壁的全覆盖0角度纵波和45度横波扫描检测；检测结果实时存储到上述数据记录与存储模块中，部分数据通过数据传输模块传到上位机供检测人员监控；检测探头到达井底，自动扫描结束，等存储扫描结果后升至地面，在地面上可通过竖直管道的管壁检测装置的调试端口连接显示屏和键盘把数据导出，利用数据浏览软件进行数据后处理和浏览。检测完毕后，移动至下一个井口进行检测。本实施例对储气井井壁的整个检测过程中，检测探头所发波束直接射入井壁，无需经过反射等元件，提高了超声波传导效率，且确保了检测精度。

综上所述，本发明的竖直管道的管壁检测装置、检测系统及检测方法，采用相控阵探头组，且相控阵探头组中的所有压电晶片411沿主体的圆周方向排布，形成一个闭合的环状，其在超声波相控阵模组的驱动下，可以将波束直接入射到井壁500上，提高了超声波检测的灵敏度和可靠性；同一探头可以依据不同的电子聚焦法则，依次实现壁厚腐蚀和裂纹的检测，这样不仅实现了储气井井壁的高分辨率检测，也可利用不同的相控阵聚焦法则使同一组相控阵探头组实现0角度纵波高分辨检测和45度横波高分辨率检测；壁厚腐蚀和裂纹的检测一次下井即可完成。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。