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CN1854683A - 利用超声扫描数据检查对象的方法和系统 - Google Patents

利用超声扫描数据检查对象的方法和系统 Download PDF

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CN1854683A
CN1854683A CNA2006100898706A CN200610089870A CN1854683A CN 1854683 A CN1854683 A CN 1854683A CN A2006100898706 A CNA2006100898706 A CN A2006100898706A CN 200610089870 A CN200610089870 A CN 200610089870A CN 1854683 A CN1854683 A CN 1854683A
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Abstract

提供一种从超声扫描数据估计裂缝(40)深度的方法和设备。该方法包括从该超声扫描数据映射多个幅度响应，每一个映射的幅度响应代表来自传感器(34、36、38)的其中之一的信号。该方法进一步包括在所映射的幅度响应之中定位多个线性响应，每一个线性响应是一个来自裂缝的反射信号的指标。识别对应于来自给定裂缝(40)的线性响应的一个或多个传感器(34、36、38)。利用来自所识别的传感器的数据来估计裂缝(40)的深度。

Description

利用超声扫描数据检查对象的方法和系统
技术领域
本发明通常涉及一种检查系统，并且特别涉及一种利用超声数据检测管线中的裂缝和缺口并确定其尺寸的管线检查系统。
背景技术
允许将大量材料从一个地方传输到另一个地方的管线被广泛地应用于各种工业中。可以利用管线便宜而且高效地传输各种流体，比如石油和/或煤气。微粒物质及其它悬浮于流体中的小固体也可以通过管线传输。地下及水下(深海)管线通常在诸如高压、高温(低温)及高流量的极端条件下运输大量对能源相关的工业来说很重要的油、气产品。
随着管线基础设施的老化，在构成管线的管道中的裂缝可能导致管线完整性的退化。薄弱的小点、土壤的下沉、当地建设工程、地震活动、天气、正常使用所导致的磨损及破裂等等都能够导致腐蚀或其它管线缺陷。因此，潜在的缺陷和异常能够以腐蚀、机械损伤、疲劳裂缝、应力腐蚀裂缝、氢导致的裂缝、或由于凹痕或褶皱而产生的变形的形式出现在管线的表面。
已经证明，维护并保护现有管线网络是有相当难度的。当前技术发展水平的线内检查系统使用管线检查计(PIG)。管线检查计穿过管线的一部分，以从多个传感器获得数据。对于管线检查计来说，典型的单程可以超过100公里长。分析从管线检查计获得的数据以及实际应用该分析的过程经常是繁重的。有各种管线检查计，普通的是用于腐蚀检测的磁通量泄漏管线检查计，和用于裂缝检测的超声管线检查计。平均来说，当使用超声裂缝检测技术来分析并评估来自100公里长的管线部分的数据时，现有的数据分析方法大约需要200人工日。
精确地确定瑕疵的尺寸(例如裂缝等等)在评估管线缺陷的影响和严重程度中起到重要作用。没有关于瑕疵尺寸的精确信息，就会很难评定管线的质量等级，或者出于这种目的对剩余使用寿命进行估计研究。人工确定裂缝尺寸导致主观性及对操作者的依赖性，这反过来可能导致尺寸估计不一致。
用于在基于PIG的管线检查中估计管线裂缝尺寸的超声非破坏性评估(NDE)方法包括回波幅度降低以及对距离-幅度校正曲线的使用。这些技术中的大多数包括利用人工方法评估反射幅度以及声影信息。由于反射的声音信号的幅度取决于裂缝或裂缝状瑕疵的形状、尺寸、类型、指向和位置，所以在试图识别裂缝或裂缝状瑕疵的时候仅仅使用幅度数据可能是不可靠的。
因此，就需要改进技术以精确估计在管线及类似对象中的裂缝深度，以便于有效的修复及维护等后续工作。
发明内容
简单的说，根据本技术的一方面，提供一种利用超声扫描数据估计裂缝深度的方法。该方法利用圆周分布的超声传感器阵列来确定裂缝尺寸。该方法包括映射来自超声扫描数据(B扫描)的多个幅度响应，每一个映射的幅度响应都代表来自其中一个传感器的信号。该方法进一步包括定位所映射的幅度响应中的多个线性响应，每一个线性响应都是一个从裂缝反射的信号的指标。对应于特定裂缝(反射器)的线性响应被识别，并利用来自所识别的传感器的数据来估计裂缝的深度。
根据另一方面，提供一种用于利用超声扫描数据估计裂缝深度的设备。该设备包括幅度处理器，其适于从超声扫描数据映射多个幅度响应，还适合于定位多个线性响应。每一个所映射的幅度响应都代表一个对应的传感器信号，并且每一个线性响应都是一个从裂缝反射的信号的指标。该设备进一步包括裂缝尺寸确定组件，其适于识别对应于各个线性响应的各个传感器，并适于利用来自各个传感器的数据来估计裂缝的深度。
附图说明
当参照附图来阅读下面的详细说明时(所有附图中的相同附图标记代表相同特征)将更容易理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，其中：
图1是示出了根据本技术各方面的管线检查系统的框图；
图2是图1中管线的横截面图，其示出了管线表面上的裂缝和根据本技术各方面围绕管线设置的、用来发送并接收超声信号的多个传感器；
图3是根据本技术各方面在B扫描中获得并且对应于从裂缝反射的信号的示例性扫描数据的图示；
图4是根据本技术各方面对于三个分立传感器在A扫描中获得并且对应于图3的B扫描中的某些点的示例性扫描数据的图示；以及
图5是说明根据本技术各方面检查管线中的裂缝的方法的示例步骤的流程图。
具体实施方式
本技术的各个方面涉及识别并估计对象中的裂缝和裂缝状瑕疵的深度。尽管已经关于管线应用做了描述，然而这里所描述的技术完全可应用于其它环境中，例如估计铁轨或板或棒中的裂缝和裂缝状瑕疵的深度。
图1是示出管线检查系统的框图，其通常被标记为附图标记10。管线检查系统10包括管线12和管线检查计(PIG)14。PIG 14是设置在管线内部的扫描装置，其典型地用于发现管线12的壁中的瑕疵(例如裂缝)。PIG 14与在管线中流动的流体一起沿着管线的长度被传输。该PIG典型地被这样设置：其在管线壁中圆周地发送超声信号，并在管线壁内接收反射信号。如图1中所示，PIG 14包括多个传感器18。传感器18典型地是换能器，其功能是作为超声信号的发射器和接收器。传感器18可以是压电传感器或其它适于这种类型应用的传感器，其可被设置成与管线的内表面保持固定的距离。PIG 14还包括位置组件(POC)20，其确定PIG 14在管线中的位置和指向。PIG 14进一步包括数据获取系统(DAS)22，用于接收由传感器18所获取的数据。电源(PS)24给PIG 14中的传感器18、POC 20、DAS 22和其它关联组件供电。本领域中的技术人员可以理解：PIG 14可以具有诸如板上时钟之类的附加组件，以用于对由DAS等获得的每条记录进行时间标记。
管线检查系统10还包括裂缝尺寸确定组件26，其可以整合到PIG 14中，或可以远程设置。根据本技术的各方面，如参照附图2-5来详细描述的那样，裂缝尺寸确定组件26被用来利用来自多个传感器的数据估计裂缝的深度。该管线检查系统还可以耦合到输出装置(O/P)28，其例如是离线的计算机系统，用来显示来自后处理组件的结果并提供包括用户/操作者输入的外部输入。
本技术的各方面利用超声射线跟踪方法。射线跟踪模拟超声束在管线壁中的传播。这种模拟被用来估计在实际的B扫描和A扫描中的反射器的位置。本技术领域中的技术人员完全能够理解，超声中的B扫描通常指的是在空间扫描线上由传感器接收到的信号，并且A扫描通常指的是在任何特定位置上由传感器接收到的信号。在离线执行的检查中，可以在裂缝尖端位置人工地对组件进行灵活的二维扫描。在管线检查中，本技术利用分立的空间分布的传感器来替代圆周扫描，同时PIG运动提供轴向扫描。
图2是图1中的管线12的横截面图，其示出了在管线外表面30上的轴向裂缝40，以及裂缝40附近的多个传感器(34、36、38)。多个传感器被设置在管线周围(在本特定示例中是定位在PIG的周围)，其用来发送并接收超声信号。在一个实例中也可以采用超声剪切波，超声剪切波可以通过将所发射的超声脉冲穿过液体介质(例如油或水)倾斜入射而在管道壁中产生。同样的传感器(换能器)可以用于发送和接收超声信号，例如使用脉冲-回波技术。脉冲-回波技术是基于由同一个换能器进行超声脉冲发射及回波检测的超声方法。
在所说明的示例中，将传感器34、36和38设置成使得超声射线42、48和54分别以已知的角度θ撞击管线。这些射线行进到管线的表面，并可能被反射回来(通常用由附图标记46、52和62指示的路径来示出)或者被重新发射(如路径50、56、58和60所示)。从这些传感器中所获得的信息被用来检测裂缝并确定裂缝的尺寸，这些传感器从裂缝周围的离散空间位置检测裂缝的存在。在所描述的示例中，传感器34设置在距裂缝40根部的0.5跳跃距离(skipdistance)处。跳跃距离是以预定角度测量的管线内表面和外表面之间的距离。在一个例子中，用于计算跳跃距离的角度是45°。在所描述的例子中，传感器38位于距传感器34的1.0跳跃距离处，并且传感器36被定位成接收来自裂缝40的区域的大量反射，其指向是有利的。任何从裂缝根部接收到的反射信号通常都是很强的信号，并在估计裂缝深度中是有用的。在所描述的例子中，传感器36接收来自靠近裂缝40根部处的反射信号。在所描述的例子中，裂缝的估计深度是裂缝上的反射点的最大深度，其是从所考虑的裂缝周围的不同传感器(34、36和38)捕获的。
另外，可以关于在外表面30(半跳跃距离)或内表面32(全跳跃距离)中的裂缝起点来识别裂缝的存在。跳跃距离可以用来确定传感器是在接收来自管线外表面中的裂缝的信号还是在接收来自管线内表面中的裂缝的信号。
图3示出了在PIG 14(图1)移动通过管线12的时候、对应于三个传感器34、36和38的各个B扫描。当PIG 14沿着管线12移动时，不同的传感器观察裂缝40(图2)并获得相应的B扫描。箭头98表示相对于y轴上所示时间(通常用附图标记94标识)的计程仪位置。计程仪位置反映PIG已经在管线中行进了多远，并以千米表示。标识100、102、104是传感器34、36和38分别从图2中所示的裂缝接收到的信号响应。附图标记106、108和110所指示的距离是由各个传感器所看到的裂缝的最大深度的指标，并且是根据本技术各方面利用跳跃距离值(0.5、1.0、1.5和2.0)计算出的。实际上，标识100、102和104上的每个点都可以用对应的A扫描来分析，以获得精确的深度估计。例如，可以将通常用附图标记112、114和116标识的点看作针对更多信息的A扫描，正如参照图4所讨论的那样。
图4是对应于图2中所示传感器34、36和38的通常由附图标记64标识的A扫描的图示。所示的A扫描对应于图3中关于跳跃距离(入口回波，0.5跳跃距离，1.0跳跃距离，1.5跳跃距离和2.0跳跃距离)的点112、114和116。根据本技术的各方面，在入口回波之后和0.5跳跃距离间隔之间的任何信号响应都是瑕疵的表示。因此，尖峰76、78、80表示管线表面的瑕疵。利用几何参数、行程时间和跳跃距离值来计算距离82、84和86。根据本技术各方面，接着利用来自各个A扫描的这些计算来计算由每个单独传感器所观察到的最大深度值。根据本技术的各方面，接着从所有传感器之中选择出最大深度值，以作为裂缝的估计深度。
因此，为了计算深度估计，此处所描述的技术利用各种参数，比如传感器的轴向位置、行程时间(ToF)和入口回波时间，其中行程时间是声音从管线表面至反射器/瑕疵并返回的传播时间，而入口回波时间表示超声信号从管线表面开始行进的时间。另外，几何参数也可以用来计算半跳跃值，该半跳跃值还可以用在对裂缝深度值的计算之中。
图5是说明性流程图120，其示出了根据本技术各方面的示例性步骤。步骤122表示对于从多个围绕任何目标(如管线)的多个传感器接收到的超声扫描数据映射多个幅度响应。本领域中的技术人员将完全能够理解，每一个所映射的幅度响应都代表来自其中一个传感器的信号。所映射的幅度响应可以利用商业上可用的软件来获得。在步骤124，用户(数据分析人员)或自动替换方案(例如软件程序)可以在数据分析软件中观察给定区域的B扫描，并且确定与裂缝或裂缝状瑕疵和缺口状瑕疵的典型特征相匹配的显著的线性指示(多个线性响应)。每一个线性响应典型地是一个从裂缝反射的信号的指标。如果所述线性指示显示出任何瑕疵类型的特性响应，那么关于各个裂缝的信息被捕获。例如，该信息可以包括响应幅度和跳跃距离。因此，在步骤126，与各个线性响应相对应的各个传感器被识别。例如，如图3的B扫描中所示，关于这些传感器，对于该线性指示中的每一点获得数据，比如位置、传感器号和行程时间值。还可以整理数据以把某些噪声参数去除。在一个示例中，对于所有传感器的A扫描和未处理的B扫描数据，可以从数据文件中提取关于壁厚、管道直径、介质中的超声速度、轴向位置、入口回波时间的信息。还应当注意到，当接收来自裂缝的信号的传感器数量更多的时候，裂缝深度估计的精度可以更高。还有一些传感器提供关于深度估计的更有用的信息，例如从裂缝根部(或顶端)捕获信息的传感器。接着，通过使用位置、跳跃距离值、行程时间和入口回波时间可以计算深度值，这在步骤128中示出。所报告的深度值是对在B扫描中识别的点的深度估计。在一个实例中，可以一个点接一个点地分析，直到覆盖对应于该线性指示的所有点。在另一个实例中，可以提供裂缝中的所有点的坐标，然后顺序执行该技术。另外，对于每一个裂缝来说，所报告的输出可以是该裂缝中的所有点的最大深度估计。作为选择的是，所报告的输出可以是裂缝的平均深度估计。对最大深度估计或平均深度估计的计算可以通过考虑所关心的瑕疵周围的所有传感器来完成。
本领域中的技术人员完全可以理解，前述流程图示出了根据本技术各发面的一个实施例关于管线的功能性及操作。在这方面，每一个框/组件代表一个模块、片断或代码部分，其包括一个或多个可执行的指令，用以执行特定的逻辑功能。还应注意，在一些可选择的实施方案中，方框中所指示的功能可以不按照图中示出的次序执行，例如，事实上可以基本上同时实施或以相反的顺序实施，这取决于所涉及的功能性。另外，本领域的一个普通技术人员将认识到，可以增加附加的框图。此外，所述功能可以用诸如C++、MATLAB或JAVA之类的编程语言来执行；然而也可使用其它语言。
上文所描述的本发明的各个实施例及各方面可以有助于创建用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表。这种有序列表可以包含在任何计算机可读介质中，以便由基于计算机的系统使用，或者与该系统相结合地使用，所述系统可以获取所述指令并执行之。在本申请的上下文中，计算机可读介质可以是任何能够容纳、存储、传送、传播、发射或传输所述指令的装置。计算机可读介质可以是电子的、磁性的、光学的、电磁的或红外的系统、设备或装置。出于说明而非穷举的目的，计算机可读介质可以包括具有一个或多个导线的电连接(电子的)、可移动计算机软盘(磁性的)、随机存取存储器(RAM)(磁性的)、只读存储器(ROM)(磁性的)、可擦写可编程只读存储器(EPROM或闪存)(磁性的)、光纤(光学的)和可移动只读光盘(CDROM)(光学的)。
应注意到，计算机可读介质可以包括其上印有指令的纸张或其它合适的介质。例如，可以通过光学扫描纸张或其它介质来电子地获取指令，接着编译、解译或如果需要的话以合适的其它方式处理所述指令，并接着将其存储在计算机存储器中。
本领域的技术人员也可以理解，这里所描述的技术可以作为算法合并，或者可以通过硬件(例如使用已编程芯片)实现。此外，所述算法或硬件实施方式可以结合到PIG中，或者可以是远程处理系统的一部分。
这里所描述的本技术各方面具有超越现有的瑕疵检测和深度估计技术的一些优点。其中一些优点可能包括：提高裂缝深度估计的精度、减少对裂缝深度的人工分析、以及深度估计的自动化。本技术的各方面还有助于减少主观性及对操作者的依赖，并减少了报告时间。因此，本技术的各方面解决了管线中的裂缝深度估计问题，并且提供了一种自动的尺寸确定方法，其中在深度计算过程中不需要分析人员介入。
然而这里仅仅说明并描述了本发明的某些特征，许多修改及改变对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，应当理解，所附权利要求书意图覆盖落入本发明的实质精神范围之内的所有这种修改及改变。
元件列表
10管线检查系统
12管线
14管线检查计
18传感器
20位置组件
22数据获取系统
24电源
26裂缝尺寸确定组件
28输出装置
30外表面
32内表面
34传感器
36传感器
38传感器
40裂缝
42所发射信号
44传感器指向角度
46反射信号
48所发射信号
50反射信号
52反射信号
54所发射信号
56-62多个反射信号
64对于三个传感器的A扫描
70-80信号尖峰
82-86与跳跃距离的差
90不同的A扫描
94时间轴
98轴向位置
100-104线性指示
106-108差
112-116B扫描上的点
120流程图
122-128流程步骤

Claims (10)

1、一种用于从超声扫描数据估计裂缝(40)的深度的方法，该方法包括：
从该超声扫描数据映射多个幅度响应，每一个映射的幅度响应代表来自多个传感器(34)的其中之一的信号；
在所述多个映射的幅度响应之中定位多个线性响应，每一个线性响应是来自该裂缝(40)的反射信号的指标；
识别对应于来自该裂缝(40)的线性响应的一个或多个传感器(34)；以及
利用来自所述一个或多个传感器(30)的数据来估计该裂缝(40)的深度。
2、根据权利要求1的方法，其中来自所述多个传感器(34、36、38)的数据包括对应于位置、传感器信号的行程时间和入口回波时间的数据。
3、根据权利要求1的方法，包括利用来自从所述裂缝(40)接收反射信号的多个传感器中的每一个的数据来计算该裂缝(40)的最大深度估计。
4、根据权利要求1的方法，包括利用来自从所述裂缝(40)接收反射信号的多个传感器(34、36、38)中的每一个的数据来计算该裂缝的平均深度估计。
5、根据权利要求1的方法，包括利用对应于各个传感器(34、36、38)的跳跃距离值来估计所述裂缝(40)的深度。
6、根据权利要求1的方法，包括确定所述裂缝(40)发源在管线的外表面(30)上还是发源在管线的内表面(32)上。
7、根据权利要求1的方法，其中所述信号包括超声束的中央射线。
8、一种用于从超声扫描数据估计裂缝(40)的深度的设备(12)，该设备包括：
幅度处理器(22)，其适于从该超声扫描数据映射多个幅度响应，并且适于定位多个线性响应，每一个映射的幅度响应代表一个对应的传感器信号，并且每一个线性响应是一个来自该裂缝的反射信号的指标；以及
裂缝尺寸确定组件(26)，其适于识别对应于各个线性响应的各个传感器，以及利用来自各个传感器的数据来估计裂缝深度。
9、根据权利要求8的设备，其中来自各个传感器(34、36、38)的数据包括对应于位置、传感器信号的行程时间和入口回波时间的数据。
10、根据权利要求8的设备，其中所述裂缝尺寸确定组件(26)被设置成利用来自从裂缝(40)接收反射信号的多个传感器(34、36、38)中的每一个的数据来计算裂缝(40)的最大深度估计。
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