储气井超声相控阵自动检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明涉及储气井超声相控阵自动检测装置及检测方法。目的是提供的自动检测装置及检测方法能提高检测效率高，结果准确，使用方便的特点。技术方案是：储气井超声相控阵自动检测装置，包括超声波检测仪、圆盘相控阵探头装置、曲面声反射镜、相控阵模块、牵引钢丝、编码器、扶正器以及卷绕设备。储气井超声相控阵自动检测装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)调整检测位置；2)发射超声波；3)接收反射波。
【专利说明】储气井超声相控阵自动检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声检测领域，特别涉及储气井超声相控阵检测自动检测装置及储气 井超声相控阵检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国国民经济的高速发展，对能源的需求也日益增长，天然气作为洁净环保 的优质能源，具有转换效率高，环境代价低、投资省和建设周期短等诸多优势，逐渐成为石 油的替代资源。近年来，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， 天然气在我国一次能源消费中的比例将由目前的5%上升到10%左右。
[0003] 随着天然气使用量的增加，近几年全国CNG汽车保有量和CNG加气站数量持续增 力口。目前国产储气的装置，可分为3种：储气瓶组、储气罐和高压地下储气井。高压地下储 气井（以下简称储气井）作为CNG加气站一种新型储气设备，是以储存压缩天然气体为目 的的一种特殊的地下、管状、立式压力容器，具有占地面积小、安全性较强、运行费用低、操 作维护简便等优点，是近几年迅速发展起来的一种全新储气方式，经过10多年来的开发研 究和应用，目前正逐步趋于成熟与完善。
[0004] 目前我国有82%的加气站采用地下井式储气。地下储气井是埋在地下的高压压 力容器。随着使用期增长，地下储气井使用中由于受到地层和存储气质等影响，不可避免的 出现腐蚀、裂纹等缺陷，如果对套管腐蚀或裂纹缺陷未采取维修措施，裂纹缺陷会进一步扩 展，而套管腐蚀缺陷将随套管服役年限的延伸，腐蚀区域加大，壁厚进一步减薄，到一定程 度后，套管的剩余壁厚不足以承受储气井的额定工作压力，会因为剩余强度不足而在井壁 腐蚀区域发生泄漏后破裂，甚至套管从地下冒出，导致各种储气井质量事故的发生，造成人 员的伤害和资源的浪费，因此井壁的腐蚀检测显得格外重要。
[0005]目前，国内对储气井套管检测方法主要是声学检测法、射线检测法、电学检测法、 磁学检测法、光学检测法等。这些方法各有优、缺点，而应用最广的是超声检测法。超声检 测是国内外应用最广泛而且发展较快的一种无损检测技术，具有穿透能力强、缺陷定位准 确、灵敏度高、成本低、速度快、对人体无害以及便于现场检测等优点。近年来超声检测技术 不断进步，检测标准不断完善，在输油气管道、铁路、航天和钢铁等众多工业领域得到了广 泛应用。目前CNG储气井的超声波检测系统采用直探头纵波水浸法，自动进行处理并以图 像显示井壁的超声波信号，同时将数据自动保存到数据库中，以便回放及跟踪分析。目前我 国CNG储气井的超声波检测系统主要有三种设计方式：自动悬浮式超声波探头系统，内置 旋转式超声波检测（IRIS)，超声阵列式地下储气井专用检测系统。四川理工学院提出一种 CNG地下储气井检测成像用的自动悬浮式超声波探头系统，该系统利用闭环反馈控制方法， 能自动保持超声波探头与管壁之间为较小的恒定距离，使转动的探头与壁之间有恒定厚度 的一层耦合液，解决了空气与钢管的声阻抗相差太大，超声波不能进入钢管内部的难题，并 保证旋转探头不被磨损；还设计一种惯性离心力开关，能自动地提供所需的耦合液。这种自 动悬浮式超声波探头系统在采样频率不太高时，能较准确地保持探头与壁之间有均匀的耦 合液。中国特种设备检测研究院等单位采用内置旋转式超声波检测；内置旋转式超声波检 测（IRIS)是无损检测领域的先进技术，在欧美等发达国家被广泛应用于石油化工行业热 交换器、管道等设备的检验检测，具有精度强、可靠性高、定量准确等特点，对解决高压地下 储气井不易检、检不出等问题具有积极意义。成都信息工程学院采用超声阵列式地下储气 井专用检测系统；装置中设计了多阵元超声阵列探头组件和一套匀速提升及注水的机械构 件。采用81探头的阵列结构，分三层错落放置，使换能器具有照射重叠区。考虑10°左右 的波束角，约有Imm的重叠区，基本保证每个测量高度层的全部覆盖，电路上以频率步进脉 冲调制方式，通过数字正交化、幅度均衡化以及脉冲压缩等技术的处理，获得井壁厚度探测 的较高灵敏度和分辨力。
[0006] 上述三种方法均采用常规的超声直探头，不能形成周向的自动电子扫描。超声阵 列式地下储气井专用检测系统要实现换能器检测区域一定的覆盖，不能采用水浸聚焦方 式，导致检测灵敏度和分辨力远低于聚焦探头。自动悬浮式超声波探头系统采用局部水浸 技术，存在耦合可靠性问题，且周向的机械旋转扫查检测效率较低。内置旋转式超声波检测 (IRIS)虽然检测效率较高，但超声波探头放在中间位置，又经45°镜面反射，使焦距变长， 一方面不利于检测灵敏度的提高，另一方面不利于横向分辨力的提高。
【发明内容】
[0007] 本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供能实现储气井超声相控阵检 测自动检测装置及检测方法，能提高检测效率高，结果准确，使用方便的特点。
[0008] 为实现以上目的，本发明采用了以下的技术方案：
[0009] 储气井超声相控阵自动检测装置，其特征在于：包括超声波检测仪、圆盘相控阵探 头装置、曲面声反射镜、相控阵模块、牵引钢丝、编码器、扶正器以及卷绕设备；扶正器布置 在储气井中，扶正器从上至下依次安装有相控阵模块、圆盘相控阵探头装置以及曲面声反 射镜，圆盘相控阵探头装置的轴线以及曲面声反射镜的轴线均与储气井的轴线重合，圆盘 相控阵探头装置的底面安装有排列成环形相控阵阵列的若干个压电晶片，所述若干压电晶 片均与超声波检测仪以及相控阵模块连接，各压电晶片发射的超声波先经过曲面声反射镜 再对储气井周向的钢管井壁扫查；
[0010] 所述若干个压电晶片的长度方向与储气井的横截面平行，以使各探头发射的超声 波平行于储气井的轴线，并采用电子聚焦法则控制各个压电晶片的发射次序，又由曲面声 反射镜使得发射的超声波在轴线方向上聚焦于同一位置。
[0011] 所述曲面声反射镜制有一凹形的旋转曲面，该旋转曲面的母线坐标公式为；
[0012] Xb = - (L2+ 3 *tan 0 !+L1=^tan 0 2),
[0013] Yb = r ；
[0014] 式中，L1为压电晶片靠近钢管井壁的一端与钢管井壁的距离，
[0015] L2为X轴与母线的交点到原点的距离，
[0016] S为钢管井壁的厚度，
[0017] e i为超声波由水进入钢管井壁时的折射角，
[0018] e 2为超声波由水进入钢管井壁时的入射角，
[0019] r的取值范围是0?1为压电晶片长度； 2
[0020] 该旋转曲面的旋转轴与储气井的轴线重合，该旋转曲面的母线上各点的坐标是 (XB，Y b)，该坐标所在坐标系的原点为压电晶片的中点，坐标系的X轴与储气井的轴线平行， 坐标系的Y轴垂直于储气井的井壁。
[0021] 所述圆盘相控阵探头装置以及曲面声反射镜通过夹持器固定在扶正器上。
[0022] 所述卷绕设备由电机驱动，电机与控制模块连接。
[0023] 储气井超声相控阵自动检测装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
[0024] 1)调整检测位置；控制模块控制电机工作，使卷绕设备拉动扶正器上下运动，调 整圆盘相控阵探头装置的位置；
[0025] 2)发射超声波；相控阵模块根据电子聚焦法则，控制圆盘相控阵探头装置的各压 电晶片在周向按一定次序和时序发射超声波，超声波经过曲面声反射镜反射、储气井的水 耦合后进入储气井的钢管井壁，并在钢管井壁的外壁聚焦于一点；
[0026] 3)接收反射波；聚焦后的超声波经过钢管井壁的外壁反射产生超声反射波，超声 反射波经过钢管井壁、水、曲面声反射镜后到达压电晶片，压电晶片产生电信号，回传到超 声波检测仪进行检测。
[0027] 本发明的工作原理是：超声波周向聚焦采用圆盘相控阵探头装置电子聚焦技术， 设计相应的聚焦法则控制相控阵列探头多个独立的压电晶片的发射，每个单元的阵列发射 超声波叠加形成一个新的波前，使之在特定位置聚焦，同时，在这个过程中反射波接收，按 照一定的规则和时序控制信号接收单元接收和合成，最后达到合成声束的结果。超声波轴 向聚焦采用曲面声反射镜聚焦，晶片发射出的纵波，倾斜人射到曲面声反射镜上，在曲面声 反射镜上产生声反射，通过曲面声反射镜曲率的设计使反射的声束汇聚，该声束在水和钢 界面上发生折射，折射后的纵波声束在钢中某一范围内聚焦。设计电子聚焦法则和曲面声 反射镜的曲率形状，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置。整个探头装置由探头 夹持装置装在扶正器上，由牵引钢丝下放在充满水的储气井底，然后由控制模块控制电机 转动，启动卷绕设备，使牵引钢丝向上移动，带动扶正器和探头装置向上移动，编码器安装 在卷绕设备上。检测时，圆盘相控阵探头装置浸在水中，超声波通过水耦合到达曲面声反射 镜，经曲面声反射镜镜面反射后方向改变并产生声束会聚，再经过水耦合剂进入工件中，进 入工件的超声波入射至缺陷或钢外壁将产生超声波反射波，反射波通过水和二次曲面声反 射镜反射回到探头中，探头和编码器用于采集信号并将信号传输至超声波检测仪。所述控 制模块包括相互连接的步进电机驱动器、PLC控制器和电源开关，步进电机驱动器和所述步 进电机相连，PLC控制器用于运动方向和速度并控制电源开关的开关情况。通过成像软件形 成实时C扫描、B扫描、D扫描图像。C扫描周向采用电子扫描，轴向采用机械扫查，将信号闸 门套在套管内部，检测并记录套管内部缺陷的位置信息和超声信息；另外，C扫描图像显示 不仅针对缺陷检测，也能以色彩方式显示套管壁厚值，具体方式是通过超声相控阵检测自 动检测装置能实现厚度的自动测量，设定系列的厚度范围，并对系列的厚度范围以不同的 色彩标识，可以实时通过在C扫描图上颜色的变化，看到整根套管的壁厚情况。B扫描图通 过环向电子线扫描实现，可以检测某一轴向位置套管周向的壁厚变化以及套管椭圆度的变 化；D扫描图针对某一周向位置，通过机械扫描来实现，可以检测套管纵向厚度的变化。通 过C扫描、B扫描、D扫描图像分析便可以检测到一些壁厚减薄类的缺陷，包括表面的腐蚀、 介质冲刷造成的冲蚀、表面损伤等。
[0028] 本发明具有的有益效果是：1、采用相控阵电子线周向扫描方式，可以避免机械周 向扫查引起的探头装置振动和液体扰动，减少上述问题对检测产生的干扰。而且电子线周 向扫描比机械周向扫查快很多，极大地提高检测效率。
[0029] 2、圆盘相控阵探头装置周向聚焦采用电子聚焦技术，轴向聚焦采用声透镜方式， 通过设计电子聚焦法则和声透镜的曲率，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置， 其效果相当于超声点聚焦，可解决钢/水界面声能损失和声波衰减过多使回波太弱的问 题；
[0030] 3、结合储气井腐蚀和缺陷检测的需求，研制专门的扫查装置，周向采用电子线扫 查技术，轴向采用机械扫查技术，达到管壁100%覆盖，不容易漏检；
[0031] 4、形成实时C扫描、B扫描、D扫描图像。可以检测某一轴向位置套管周向的壁厚 变化以及套管椭圆度的变化、套管纵向厚度的变化、整个套管的壁厚图，也能检测套管内部 的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1为本发明中的储气井超声相控阵检测自动检测装置示意图。
[0033] 图2-1、图2-2为本发明的圆盘相控阵探头装置示意图。
[0034] 图3-1、图3-2为曲面声反射镜聚焦原理图。
[0035] 图4为反射镜凹形曲面的示意图?
[0036] 图5-1为超声检测工作原理图。
[0037] 图5-2是检测时超声波的波形图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
[0039] CNG储气井是垂直埋在地下的高压压力容器，长100_300m，各段钢管之间采用套 管以螺纹连接，钢套管规格主要有0177X 10. 36mm和0244. 5XX11. 99mm两种，井外灌注 水泥进行固定并保护钢管免受地层介质腐蚀。鉴于此结构，设计的储气井超声相控阵检测 自动检测装置超声相控阵电子旋转超声反射式聚焦技术装置如图1所示，包括超声波检测 仪1、圆盘相控阵探头装置2、相控阵模块3、电机4、牵引钢丝5、编码器6、扶正器7、卷绕设 备8、控制模块9、曲面声反射镜10和夹持装置11，如图2-1、图2-2所示，圆盘相控阵探头 2包括探头外壳14,在探头外壳14底部排列成环形相控阵阵列13的若干个压电晶片、同轴 电缆15、各阵元信号线16(处于同轴电缆内，与压电晶片一对一连接）和阻尼块17。超声 波周向聚焦采用圆盘相控阵探头装置电子聚焦技术（常规技术），设计相应的聚焦法则（常 规法则）控制相控阵列探头多个独立的压电晶片的发射，每个单元的阵列发射超声波叠加 形成一个新的波前，使之在特定位置聚焦，同时，在这个过程中反射波接收，按照一定的规 则和时序控制信号接收单元接收和合成，最后达到合成声束的结果。超声波轴向聚焦采用 曲面声反射镜聚焦，其聚焦原理如图3-1、图3-2所示，检测时，圆盘相控阵探头装置浸在水 中，超声波通过水耦合到达曲面声反射镜，经曲面声反射镜镜面反射后方向改变并产生声 束会聚，再经过水耦合剂进入工件中，进入工件的超声波入射至缺陷或钢外壁将产生超声 波反射波，反射波通过水和二次曲面声反射镜反射回到探头中。设计电子聚焦法则和曲面 声反射镜的曲率形状，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置。
[0040] 所述曲面声反射镜制有一凹形的旋转曲面，该旋转曲面的旋转轴与储气井的轴线 重合，该旋转曲面的母线上各点的坐标是（X B，Yb)，该坐标所在坐标系的原点为压电晶片的 中点，坐标系的X轴与储气井的轴线平行，坐标系的Y轴垂直于储气井的井壁，为了将矩形 超声波压电晶片发出的超声波经过凹形的旋转曲面反射后，进入水中，然后经过储气井内 壁折射后聚焦于储气井外壁，需对凹形曲面进行模型设计，凹形曲面设计示意如图4所示：
[0041] 其中，RROR '表示压电晶片，BBOB '为凹形曲面，井外壁0点为聚焦点；
[0042] 从压电晶片中心点RO发射出来的声波经凹形曲面BO点反射至井壁，然后沿原路 线返回，从压电晶片上端点R发射出的声波，经凹形曲面B点，反射至井壁内壁A点，然后折 射至聚焦点0。
[0043] 对于BBO段曲面，为保证晶片发出的声波都能聚焦于焦点0,需要点R和RO至焦点 0点的声程相同。
[0044] RO 点的声程 JO = R0B0+B0D+D0 = L2+r+Ll+ S ;
[0045] R 点的声程 JR = RB+BA+AO = RD+DC+CB+BA+A0 ;
[0046]
【权利要求】
1. 储气井超声相控阵自动检测装置，其特征在于：包括超声波检测仪、圆盘相控阵探 头装置、曲面声反射镜、相控阵模块、牵引钢丝、编码器、扶正器以及卷绕设备；扶正器布置 在储气井中，扶正器从上至下依次安装有相控阵模块、圆盘相控阵探头装置以及曲面声反 射镜，圆盘相控阵探头装置的轴线以及曲面声反射镜的轴线均与储气井的轴线重合，圆盘 相控阵探头装置的底面安装有排列成环形相控阵阵列的若干个压电晶片，所述若干压电晶 片均与超声波检测仪以及相控阵模块连接，各压电晶片发射的超声波先经过曲面声反射镜 再对储气井周向的钢管井壁扫查； 所述若干个压电晶片的长度方向与储气井的横截面平行，以使各探头发射的超声波平 行于储气井的轴线，并采用电子聚焦法则控制各个压电晶片的发射次序，又由曲面声反射 镜使得发射的超声波在轴线方向上聚焦于同一位置。
2. 根据权利要求1所述的储气井超声相控阵自动检测装置，其特征在于：所述曲面声 反射镜制有一凹形的旋转曲面，该旋转曲面的母线坐标公式为； Xb = - (L2+ δ *tan Θ i+Lftan Θ 2)， Yb = r ； 式中，L1为压电晶片靠近钢管井壁的一端与钢管井壁的距离， L2为X轴与母线的交点到原点的距离， S为钢管井壁的厚度， Θ i为超声波由水进入钢管井壁时的折射角， Θ 2为超声波由水进入钢管井壁时的入射角， r的取值范围是〇?|/，1为压电晶片长度； 该旋转曲面的旋转轴与储气井的轴线重合，该旋转曲面的母线上各点的坐标是（XB， YB)，该坐标所在坐标系的原点为压电晶片的中点，坐标系的X轴与储气井的轴线平行，坐标 系的Y轴垂直于储气井的井壁。
3. 根据权利要求1或2所述的储气井超声相控阵自动检测装置，其特征在于：所述圆 盘相控阵探头装置以及曲面声反射镜通过夹持器固定在扶正器上。
4. 根据权利要求3所述的储气井超声相控阵自动检测装置，其特征在于：所述卷绕设 备由电机驱动，电机与控制模块连接。
5. 如权利要求1所述储气井超声相控阵自动检测装置的检测方法，其特征在于包括以 下步骤： 1) 调整检测位置；控制模块控制电机工作，使卷绕设备拉动扶正器上下运动，调整圆 盘相控阵探头装置的位置； 2) 发射超声波；相控阵模块根据电子聚焦法则，控制圆盘相控阵探头装置的各压电晶 片在周向按一定次序和时序发射超声波，超声波经过曲面声反射镜反射、储气井的水耦合 后进入储气井的钢管井壁，并在钢管井壁的外壁聚焦于一点； 3) 接收反射波；聚焦后的超声波经过钢管井壁的外壁反射产生超声反射波，超声反射 波经过钢管井壁、水、曲面声反射镜后到达压电晶片，压电晶片产生电信号，回传到超声波 检测仪进行检测。
【文档编号】G01N29/04GK104374825SQ201410662270
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】郭伟灿, 蔡鹏武, 叶宇峰 申请人:浙江省特种设备检验研究院