[发明专利]海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法

说明书

本发明公开了一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法，其中，换能器包括：压电超声激励模块用于产生特定频率和幅值的超声波；声透镜为具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜，用于将压电超声激励模块产生的超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波；智能柔性聚焦校准模块，用于控制压电超声激励模块和声透镜，同步调整声透镜和压电超声激励模块；超声波接收换能器，位于海底管道的外表面，通过耦合剂与海底管道的待测试表面连接，用于接收海底管道的反射回波，通过对反射回波的分析进行缺陷识别。由此，可以提高超声导波的信号强度，有助于对海底管道存在的缺陷进行有效检测。

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器及检测方法。

背景技术

油气管道运行中，因受外力冲击、疲劳腐蚀和特殊工况等不利因素影响，不可避免地会形成缺陷，因此需定期对其是否存在缺陷进行在线检测。石油和天然气是目前重要的能源形式之一，长途运输主要通过管道来实现。但是，由于多年的失修，磨损，腐蚀或意外损坏等原因，经常发生管道泄漏事故，不仅造成经济损失，而且造成严重的污染，严重威胁人体健康。因此，加强油气管道的泄漏检测和腐蚀检测可以有效抑制管道泄漏，评估管道寿命，确保油气管道的正常运行。海底油气输送管道相对于普通埋地、架空等油气管道更难以发现管道安全事故。因此，海底油气管道的有效及时检测对油气输送管道的安全稳定运行至关重要。

但是，海底油气管道的服役环境复杂，且无法直接接触到这些特殊区域的管道，应用传统的无损检测方法无法实施检测。作为无损检测新兴手段之一的超声导波检测技术，具有衰减小、传播距离远、检测速度快，且能100％覆盖管道壁厚等特点，很适用于海底管道缺陷的在线检测。

在海底管道缺陷检测的现有技术中，一般需要利用压电超声换能器激发超声波振动，并依托耦合剂将超声波振动传播到金属管道内部，从而实现超声导波检测。但是，基于压电超声换能器的超声导波检测技术由于压电换能原理的限制，需要依托耦合剂将超声波振动耦合到待测金属管道内，因此很难适用于具有非接触要求及高温等特殊工况下的检测。电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)依赖于电磁耦合方式完成换能器线圈内的交变电流到被测材料内机械振动的能量转换，无需耦合介质，可以直接在金属管道内产生超声导波，并易于调节超声导波模式，可用于非接触及高温等特殊工况下的检测。但是这两种检测方式难以应用于复杂的水下海底管道缺陷检测情境中，这是由于恶劣的水下环境以及低检测鲁棒性导致的。此外，水下管道表面的非金属保护层进一步削弱了能量转换效率，接收信号的信噪比较低。因此，为了实现海底油气管道的动态柔性高精度缺陷检测，急需一种可控能量聚焦水下超声导波换能器来改进缺陷检测方法并提高检测效率。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，可以提高超声导波的信号强度，有助于对海底管道存在的缺陷进行有效检测。

本发明的另一个目的在于提出一种利用海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器的缺陷检测方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种海底管道超声导波全向聚焦声透镜柔性换能器，包括：压电超声激励模块、声透镜、智能柔性聚焦校准模块和超声波接收换能器；

所述压电超声激励模块用于产生特定频率和幅值的超声波；

所述声透镜为具有各向异性变晶格常数的内凹多边形晶体结构的高强度全向聚焦声透镜，用于将所述压电超声激励模块产生的超声波聚焦在预设位置，以在海底管道中产生超声导波；

所述智能柔性聚焦校准模块，用于控制所述压电超声激励模块和所述声透镜，同步调整所述声透镜和所述压电超声激励模块；