油气管道螺旋导波缺陷三维成像检测方法研究

Pipelines are important means of oil and gas transmission, while there are inevitable defects and since the demand for pipeline security becomes more and more serious, the detection for pipeline must be developed from judging existence or nonexistence of defect to the accurate defect imaging. Therefore, this project will research on oil and gas pipeline defect three dimensional imaging method based on helical guided waves, and it includes the following contents: transducing mechanism of magnetoacoustic transducer based on array detection; theoretical fluctuation model and propagation characteristic of magnetoacoustic helical guided wave in pipes, accurate extraction of the projection data; helical guided wave three dimensional imaging model and accurate algorithm; magnetoacoustic array helical guided wave imaging equipment and experiments to verify and amend the theoretical results. Innovations are the fluctuation theoretical model of helical ultrasonic guided waves, imaging model and methods for helical ultrasonic guided waves based on magnetoacoustic array, the complete theoretical magnetostriction model of non-axisymmetric transmitting and receiving transducers in array. The achievements of this project will be of important theoretical significance for pipe defects imaging based on electromagnetic ultrasonic guided wave detection and have broad prospects for engineering applications.

石油和天然气主要通过管道输送，在役管道不可避免会产生缺陷，随着对管道安全要求的日益严格，管道缺陷检测必须由判断缺陷有无向缺陷形状定量描述及高精度成像方向发展。为此，本项目拟研究基于油气管道螺旋导波的缺陷三维成像方法，主要包括：研究基于管道缺陷阵列检测的磁声换能器换能机理；研究管道磁声螺旋导波波动理论模型、传播特性和投影数据精确提取方法；研究管道缺陷螺旋导波三维成像模型及高精度算法；研制管道缺陷磁声阵列螺旋导波三维成像检测装置，实验验证理论研究成果并对其进行修正。项目中螺旋超声导波在管壁中传播的波动理论模型研究、基于磁声阵列的管道螺旋导波三维成像模型和方法的研究、磁声阵列中换能器磁致伸缩非轴对称激发和接收过程完整理论模型的研究具有一定理论创新性。项目成果对基于电磁超声导波的管道缺陷成像检测具有重要的理论意义和广阔的工程应用前景。

管道不仅可以运输流体物质，也可运输固体物质，特别地，由铁磁性材料制成的油气长输管道，承担着输送油气资源的任务，在油气安全生产运输中起着至关重要的作用。管道在长期使用过程中，不可避免地会发生老化、腐蚀等现象，一旦发生泄漏，往往会造成巨大的经济损失，而且破坏生态环境。因此，定期对管道进行检测，在保障国家能源安全、保护自然环境和维护人身财产安全等方面具有重要意义。超声导波可以传播较长距离且能量衰减小，从而有利于检测管道结构。与沿管道轴向传播的导波相比，螺旋导波可以从更多的角度穿过检测区域，因此可获得有关缺陷的更多信息，有助于构建更准确的缺陷图像。.本项目深入研究螺旋导波在油气管道缺陷检测中的方法。提出一种用于管道结构的新颖螺旋Lamb波换能器设计，与传统换能器相比，设计的换能器具有更大的半发散角，更易于产生螺旋导波。提出一种基于时频脊线分析的走时提取方法。该方法利用Lamb波的频散特性，从而在时频域上形成脊线。结果表明，该方法可以有效地提取出Lamb波检测信号的走时。与传统的希尔伯特变换方法相比，脊线分析具有更高的准确性。提出一种新的导波多模态分离和识别方案，并进一步精确地定位缺陷位置，在不同的缺陷位置情况下，所提出方法估计的走时优于传统方法。当波传播长距离时，优势愈发明显。提出一种新的多频导波利用方法。多频激励允许使用多个频率的Lamb波进行检测。实验研究表明，通过施加多频激励可以检测到两个缺陷，而单频激励只检出一个缺陷。提出采用压缩感知的方案进行管道长期监测。基于信息采样的思想，降低采样率。与现有的导波监测相比，存储的数据较少，等效采样率低于奈奎斯特率，也远低于实际的采集系统。提出一种利用多螺旋Lamb波的成像方法，考虑利用总共三阶次螺旋导波，以提供高分辨率的成像。在转换为缺陷深度值之后，对于缺陷最深处的定位，多螺旋方案还具有较高的精度。项目成果具有广阔的工程应用前景。