一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统及其设计方法，该探头系统包括多个探头系统单元模块、快锁机构、连接轴和容设在探头系统单元模块中的气囊，各个探头系统单元模块通过连接轴连接，且相邻的两个探头系统单元模块能绕连接轴旋转，构成柔性结构；连接成一体的各个探头系统单元模块圈裹在被测海洋管道外表面周向上，由快锁机构将首尾两个探头系统单元模块连接卡紧，呈环状定位在被测海洋管道外表面周向上；探头系统单元模块还以防水材料密封。其设计方法是将探头系统的探头环及探头环卡具系统采用模块化结构，探头环由多个探头系统单元模块组成，探头环卡具系统由各个卡具模块构成，通过连接轴互相连接，首尾用快锁机构锁紧，构成具有一定柔性的探头系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于管道无损检测领域，涉及。
技术介绍
在海洋油气资源开发中，管道是油气输运的主要形式，是海上油气田开发和运输的生命线。管道腐蚀是海洋油气生产的重大安全隐患，在管道运行过程中若不能及时发现这些潜在危险，就可能引发油气泄露，发生管道事故，造成经济上的重大损失及社会负面影响。因此为保障海洋管道在服役期间的安全运行，延长其使用寿命，对在役管道进行安全检测已成为世界各国研究的重要课题。随着超声导波理论的发展，将超声导波技术用于不同类型管道的损伤检测在国际上已趋于成熟，并应用于工程实际，且取得了较好的效果。导波检测技术利用固定在管道周围的探头环发射适当模式的低频声波(属超声波范畴)，该频率范围不需要液体进行耦合， 采用机械或气体施加到探头的背面以保证探头与管道表面接触，从而达到超声波良好的耦合。固定在管道环向的超声波探头均勻的间隔排列，使得声波以管道轴芯为对称传播。超声导波检测与传统检测技术相比有如下优势(1)只需在管道一处激励超声导波，由于导波沿传播路径衰减很小，能够同时检测或扫描长距离管道，最远可达百米；(2) 超声导波在管道的内、外表面和中部均有质点的振动，声场遍及整个壁厚或管道截面，可同时检测长距离管道内部和表面的缺陷；C3)通过速度模式控制和频率选择，可提高管道缺陷的检测精度；(4)通用性较好，适合水下、覆盖物下或绝缘层下的管道而无精度损失；(5) 使为了确定缺陷分类和尺寸而经常需要进行的多模式/频率诊断成为可能；(6)结构简单， 降低检测费用。超声导波检测系统主要由以下几部分组成1)以压电晶片为核心元件、用于发射和接受检测信号的探头；幻均勻布置在管道周向的探头系统(探头环和夹具)；幻数据采集和处理系统；4)数据传输和损伤诊断系统。探头系统作为超声导波检测系统的核心部件，其设计对超声导波系统检测性能有重要影响。探头系统设计主要包括探头安装设计(如何实现探头布置和固定，主要是考虑探头在管道周向和径向两个方向上安装，构成探头环)、探头环夹具设计。探头环的作用主要是布置和安装探头，实现探头和管道的能量耦合；探头环卡具的功能是将探头环固定在管道上，保证探头系统在工作时，探头与被测管道紧密接触。对于海洋管道超声导波检测，还要求探头系统既能防水，又能耐高压。目前现有的陆地管道超声导波检测的探头系统主要是采用一体化固定式探头系统和柔性探头系统。若要用于海洋管道的超声导波检测，不仅要在防水设计上加以改进，而且还要考虑水下安装的要求，即如何用水下机器人进行探头系统安装，或便于潜水员水下作业安装。一体化固定式探头系统是根据被测管道外径直径将探头的固定装置做成环状，根据探头固定环直径尺寸，在其圆周方向上均勻地铣出若干个槽以放置对应数量的单个探头。为了便于安装，一般是将探头固定环分解为两个半圆式探头固定环，两个探头固定环采用螺栓连接夹在管道上，即实现探头固定装置(探头环)和卡具一体化。在每个探头槽上装有压紧装置(主要是采用弹簧)，利用弹簧压缩对探头施加压紧力。因此，这种一体化固定式探头系统可扩展性差，只适合特定外径的管道，且制造复杂，工艺要求高。随着径向探头增加或外径增加，便会导致探头系统体积大，质量大。柔性探头系统主要是采用柔性卡具。这种柔性卡具主要有两类一是带有可首尾连接成环状的气囊，且环状气囊的内侧可安装探头固定装置，并对气囊进行充气，气囊膨胀对探头固定装置施加预紧力；二是采用高弹性碳纤维材料作为包覆层，包覆层上可安装探头固定装置，探头固定装置和包覆层之间装有气囊；利用快锁机构将包覆层卡紧在管道上。 上述两类柔性探头系统安装比较复杂，不适合海洋管道检测，而且柔性卡具是针对特定外径的管道，这也限制了柔性探头系统的整体扩展性。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供，其可使探头系统具有柔性和整体可扩展性，并可适应不同外径的管道超声导波检测。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于其包括多个探头系统单元模块、快锁机构、连接轴和容设在所述探头系统单元模块中的气囊，各个所述探头系统单元模块通过所述连接轴连接，且相邻的两个所述探头系统单元模块能绕所述连接轴旋转，构成柔性结构；连接成一体的各个所述探头系统单元模块圈裹在被测海洋管道外表面周向上，由所述快锁机构将首尾两个所述探头系统单元模块连接卡紧，呈环状定位在所述被测海洋管道外表面周向上；所述探头系统单元模块还以防水材料密封。每一所述探头系统单元模块由一多模式探头模块和一卡具模块构成，所述多模式探头模块和所述卡具模块通过两个定位销连接固定。所述多模式探头模块具有一探头模块基座，所述探头模块基座为长方体，其与所述被测海洋管道接触的面上开设有一个以上用于安装探头的探头凹槽，所述探头凹槽成线性阵列，纵波探头和扭转波探头间隔设置在各所述探头凹槽中，所述探头凹槽的深度小于各所述纵波探头和扭转波探头的高度，所述探头凹槽底部还开设有一用于安装探头电源接口的探头电源安装槽，所述探头模块基座内部开设有电源线槽与所述探头电源安装槽连通，所述探头模块基座的另一侧面上开设有两个连接所述卡具模块的盲孔，所述探头模块基座的一端面上还开设有一安装多模式探头模块外部电源接口的凹槽，所述凹槽的底部与所述电源线槽连通。所述卡具模块具有一卡具模块基座和两个卡具模块连接件，所述卡具模块基座为一中段向内凹的长方块体，两个所述卡具模块连接件分别固定在所述卡具模块基座两侧， 所述卡具模块连接件朝向外侧的一面上分别设有供所述连接轴穿设的安装件，所述卡具模块基座两端设有与所述探头模块基座的盲孔相对应的通孔，两所述通孔中心轴线之间的距离由所检测的管道外径和设置的多模式探头模块数量确定。所述气囊设置在所述卡具模块基座中段的内凹处，所述气囊能首尾连接成环状，所述气囊上装有气嘴，以连接外部充气装置进行充气。所述探头系统单元模块上的防水材料设置在所述多模式探头模块中的每一探头与所述探头凹槽接合的部位、所述探头模块基座的电源线槽与所述多模式探头模块外部电源接口的接合部位。所述防水材料为聚氨酯防水材料。所述快锁机构由移动快锁座、固定快锁座、快锁连接件及快锁手柄组成，所述移动快锁座和固定快锁座分别安装在首尾两个卡具模块基座上；所述快锁手柄一端通过销轴安装在所述固定快锁座上，并能绕所述销轴的中心旋转；所述快锁连接件一端为可转动的连接在所述快锁手柄上，另一端卡放在所述移动快锁座的卡座中。所述连接轴为U型连接轴，其两端的直径小于所述卡具模块连接件上铰接头上的通孔的直径，并设有螺纹，所述U型连接轴的两端分别穿设在相邻两个所述卡具模块连接件的铰接头的通孔中，将两个相邻的所述卡具模块连接在一起。本专利技术还提供了一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统的设计方法，其特征在于所述探头系统的探头环及探头环卡具系统采用模块化结构，所述探头环由多个探头系统单元模块组成，每个所述探头系统单元模块包括一个多模式探头模块和一个卡具模块，所述多模式探头模块中安装有不同类型和数量的探头，构成扭转波检测模式、纵波检测模式、扭转波和纵波相组合的多种检测模式；所述探头环卡具系统由各个所述卡具模块构成，各个所述卡具模块之间通过连接轴互相连接，多个连接起来的所述探头系统单元模块的首尾用快锁机构锁紧，构成均勻安装在管道环向本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于海洋管道超声导波检测的探头系统，其特征在于：其包括多个探头系统单元模块、快锁机构、连接轴和容设在所述探头系统单元模块中的气囊，各个所述探头系统单元模块通过所述连接轴连接，且相邻的两个所述探头系统单元模块能绕所述连接轴旋转，构成柔性结构；连接成一体的各个所述探头系统单元模块圈裹在被测海洋管道外表面周向上，由所述快锁机构将首尾两个所述探头系统单元模块连接卡紧，呈环状定位在所述被测海洋管道外表面周向上；所述探头系统单元模块还以防水材料密封。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹静，武湛君，张恩勇，王奕首，陈严飞，柳敏静，马书义，沙勇，赵剑，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海石油研究中心，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：11