压力管道焊接缺陷在线检测

2022-09-11

压力管道的安全运行对保护人们的生命和财产安全具有重要的意义, 尤其是在运送危险品时, 例如天然气等, 运送的物质具有易燃性、易爆性, 所以需要对压力管道进行实时在线监测, 保证压力管道的安全运行。管道的焊接缺陷是压力管道中常见的缺陷之一, 往往在焊接的缺陷处也容易造成腐蚀, 本文通过采用超声波检测技术, 来对压力管道的焊接缺陷进行检测。

1 压力管道常见的焊接缺陷

管道中的爆破泄漏事故常常与焊缝缺陷具有直接的关系, 焊缝是管道系统中较为薄弱的环节, 同时焊接缺陷还可能对管道的结构强度和耐腐蚀性造成不利的影响。管道的焊接缺陷主要有气孔、裂纹、夹渣、焊瘤和未焊透等。气孔主要是由于在焊接时熔池中含有过饱和氢、氮气等气体没有来得及排除, 在焊缝中形成了气孔;焊接裂纹可以分为焊接热裂纹和冷裂纹, 焊接裂纹中冷裂纹的影响较大;焊缝夹渣不仅可以导致微小裂纹的产生, 还可能对焊缝金属的耐疲劳特性产生影响, 同时夹渣还可能在造成焊缝金相组织的变化;焊瘤和未焊透也是常见的焊接缺陷, 并且不同的焊接缺陷之间是相互影响的, 一种焊接缺陷可能会伴随着其他的焊接缺陷的产生。

2 超声波检测方法概述

超声波是频率大于20KHz的一种弹性机械波, 它能够在介质中连续传播。超声波能够在介质中以多种形式进行传播, 主要的传播形式有横波、纵波、表面波和板波。超声波主要的物理量有三个, 分别是声压、声强度和超声波的阻抗。超声波的波动特性主要有交互特性, 经过叠加的超声波, 其固有的声学特性和传播特性不会改变;干涉特性, 不同的超声波汇聚到形同的质点后, 会产生干涉作用, 不同位置的超声波振动会发生变化;散射和衍射特性, 当超声波在传播的过程中遇到障碍物会发生散射和衍射。

超声波用在检测方面的原理为通过回波信息来将检测工件的表面情况表现出来, 回波信号的幅度能够表示不同的被检测物的表面情况, 超声波技术应用在无损检测中主要有脉冲反射法和透射法两种方法。

脉冲反射法是根据超声波的一次回波和二次回波在时间轴上的不同位置来确定被检测工件的表面质量。高频的负脉冲激励超声波换能器产生超声波, 超声波经过管道的焊接缺陷或腐蚀缺陷反射回来, 换能器介绍到不同路径的回波信号, 通过将该信号转变为电信号进行采集, 对信号进行分析处理就可以得到检测结果, 脉冲检测的原理图如图1所示。

脉冲透射法检测的原理是当有连续的或者是间断的超声脉冲波检测到压力管道的管壁时, 焊接缺陷或者腐蚀缺陷能够通过超声回波的形式被传感器接受并反映出来。

相对于脉冲检测法, 脉冲透射法的不同之处在于待测管道的两端需要分别布置超声波换能器。其原理图见图2。

3 基于超声波的压力管道焊接缺陷检测

本文设计的基于超声波的压力管道检测装置能够在管道中行走, 通过超声波探头对管道内部的缺陷进行检测, 通过数据分析得出缺陷的形状和位置。超声波检测装置主要由检测部分、回波信号采集装置、存储设备、驱动电源等部分组成, 每个舱室之间通过采用万向铰连接, 从而使得检测装置在压力管道中更容易通过, 检测装置的动力来源于管道内的高速的气体。同时, 由于压力管道内部往往运送易燃易爆的气体, 所以在进行检测装置的设计时, 需要对检测装置本体的密封性以及在管道内部的运行进行充分的安全分析, 选择合适的密封方式。其检测设计示意图见图3。

超声波检测系统通过数据采集得到超声波回波信号, 受到压力管道内部结构的影响, 采集的信号中往往会含有部分噪声, 噪声的产生会对管道缺陷的检测带来不利影响。为了使得检测的结果更加具有可靠性, 需要对采集的信号进行降噪处理, 通过采用有效的信号分离算法, 将有用的超声波回波信号分离出来, 从而得到压力管道的缺陷信息。常采用的信号的去噪算法主要有基于小波分析的超声波回波信号去噪算法, 信号的去噪算法如图4所示。