超声波检测输油管道中的裂纹

引言

在世界各地，安装了数百万公里的高压管道。一般说来管道输送原油是最安全的方法。然而，管道的缺陷可能出现和成长，直到管道破裂。人们必须关注裂缝的出现，尤其是应力腐蚀裂纹。管线内超声波技术检测装置可用检测管壁裂纹。这种设备可以随原油一起运送，在运送的同时做裂纹检测。这种方法可一次检测多达数百公里的管道。

下图是这种装置的示意图，图示装置是由两个压力容器和尾部的传感器承载体组成。各单元之间用万向节连接，可弯曲。第一个压力容器（A）装有电池，可确保长达数天的供电。第二个压力容器（B）装有超声波电子设备和记录单元。传感器承载体（C）带有众多的传感器（T），用以保证检测管壁内360度所有方向。

仿真模型

在本例中，我们将告诉您如何创建一个电脑仿真模型，演示如何用超声波检测出管壁中的裂纹。在下图中，上半部分显示了一段管道，它与平面“A”垂直相交。下半部显示了放大的剖面图，圆圈代表管道的钢壁，其中充满石油（灰色），而外侧被水包围。（请注意，这里的水可以替换成另一种材料，例如，空气代替水）。字母“T”表示管内放置有一个超声波传感器，它向管壁发射出超声波信号，并接收反射回来的信号，即传感器工作在脉冲 - 回波模式。标记为ROI所指的矩形是在本例中被仿真的区域。

下图是仿真模型，仿真的区域如上图中所示的ROI是一样的。釆用程序是Wave2000 Plus。在这二维模型中，有三层材料，顶层为1毫米的水，中间层是6.34毫米的钢板，底层是5.66毫米石油。无限边界条件（绿色）是用来模拟仿真的区域之外的大区域。该图显示了管道钢壁有一条2毫米长的垂直裂纹，裂纹厚为0.008毫米，假设其中充满水（同上述，很容易用任何物质替代水充满裂缝，包括空气） 。信号源传感器（9.54毫米长）被放置在石油中，斜角为16.5度。它发出一个中心频率为5 MHz“正弦高斯脉冲”（Sine Gaussian Pulse）。一个信号接收器被放置在与信号源相同的位置。信号源 - 接收器组合工作于脉冲回波模式。为了便于比较，我们还仿真了另一个基本相同的模型，只是没有裂纹。

仿真结果

在一台台式电脑（Intel CORE i7 970，3.2GHz 6核CPU）上，每个Wave2000 Plus模型需要约10分钟完成15微秒的仿真。仿真结果的动画GIF图像显示如下。下图显示了带裂纹模型的仿真结果：

上图清楚地显示，超声波信号传播到裂纹，然后被反射回传感器。为了进行比较，无裂纹模型的仿真结果如下图所示。可以看到的，没有信号从裂纹反射回来。

为了定量测量反射信号，下图分别显示了带有和没有裂纹仿真模型接收到的两个时域信号。（请注意，本软件允许用户保存所接收的时域波形，以备后处理和分析。）

上图显示，在管壁带裂纹的模型中，“裂纹信号”出现在大约13微秒；而在无裂纹仿真模型中，不存在这样的信号。“裂纹信号”的强度和形状会受到裂纹的尺寸、形状、位置和方向的影响，而所有这些参数都可以通过简单修改仿真模型来得到。

Wave2000 Plus 模型

上述两个模型的Wave2000 Plus模型文件可以从我们的下载页面下载，选择"Download ultrasound detecting a crack in an oil pipeline model files"。如果您想运行仿真或创建自己的模型，您可以使用Wave2000 Plus的免费的评估许可证。欲了解更多信息，请访问下载及安装页面。

如果您想自己尝试管道裂纹检测的仿真，请留意以下这些重要提示：

(1) 当你在 Source Configuration 中添加信号源时, 请勾选"Shear Mode"，并用 "None" 作为 Time Function;

(2) 此外，在 Source Configuration 中，在完成信号源"xmitter"所有参数的设置后，勾选 "Pulse-Echo" 然后点击"Apply" 及"OK"。 然后打开 Receiver Configuration, 将 "xmitter Echo" 更名，例如，"xmitter_echo", 将 Data Type 改为 "Pressure",然后点击 "Apply" 及"OK"。最后一步是新打开，清除 "Pulse Echo" 的勾选，然后点击 "Apply" 及"OK"。