地質(zhì)雷達(dá)在管片壁后脫空檢測中的應(yīng)用

王軍 嚴(yán)超杰

摘要：管片脫空檢測技術(shù)是一項(xiàng)新的地質(zhì)勘探新手段，它是利用電磁波的傳播原理，在金屬管道內(nèi)壁上安裝高頻感應(yīng)線圈，對其進(jìn)行探測，并根據(jù)其 電場強(qiáng)度的變化來判斷壁面的實(shí)際情況，進(jìn)而分析壁面的缺陷位置，從而確定出目標(biāo)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。本文主要介紹了地質(zhì)雷達(dá)的原理及特點(diǎn)，并分析了它的 應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了地質(zhì)雷達(dá)在管片脫空識別中的作用以及地質(zhì)雷達(dá)在管片壁后脫空檢測中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá);管片壁后;脫空檢測;應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展以及化工領(lǐng)域的需要和對能源的要求日益提高，在生 產(chǎn)制造過程中常常會遇到一些特殊的問題導(dǎo)致出現(xiàn)脫空的現(xiàn)象而影響產(chǎn)品 的質(zhì)量及產(chǎn)量，因此在這種情況下，對管道的檢測就顯得尤為重要。目前 國內(nèi)外對于油氣輸送管道的檢測主要采用了人工測量的方式來進(jìn)行，但由 于人力物力的限制往往無法達(dá)到預(yù)期的效果;另外，油氣輸配管線的長度 一般比較短，且分布的區(qū)域廣，這些因素都會使輸配管道的檢測效率大大 降低。所以本文將地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于管片脫空的研究是非常有必要的。

一、地質(zhì)雷達(dá)的組成

地質(zhì)雷達(dá)的基本單元由三個部分組成，它們分別是：發(fā)射機(jī)、接收機(jī) 和控制探頭。

（一）發(fā)射機(jī)：在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對金屬管進(jìn)行切割，而這些 切割的效果是通過無線電臺來完成的;

（二）接受主機(jī)：它的作用就是利用電磁波的傳播原理，將物體的內(nèi) 部組織起來，然后再將信號傳遞給其他的設(shè)備;

（三）控制探頭：它的主要功能是對被測介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性作 出判斷，并根據(jù)所得到的信息設(shè)計(jì)出一種有效的探測方法。當(dāng)我們使用這 個裝置時，就可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的測量和定位，并且還能夠自動地改變被 測流體的流動方向，以達(dá)到精確識別目標(biāo)的目的.在地質(zhì)雷達(dá)的工作中，通 常采用的是脈沖反射式的波束掃描技術(shù)，這種方式的特點(diǎn)在于：當(dāng)波束經(jīng) 過障礙物時，會產(chǎn)生一個激光束，此時只要有足夠的時間就能聚焦到接收 器的接收到的回波，從而獲得了較高的分辨能力，因此其抗干擾的性能比 較好。

1.1 地質(zhì)雷達(dá)的特點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)具有多普勒測速波的功能。地質(zhì)雷達(dá)的分辨率是指雷達(dá)的成 像范圍，它取決于物體的幾何形狀和表面狀況。在測量的同時也要考慮到 不同的環(huán)境因素，如溫度、濕度、氣壓等。在這過程中，如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)或周圍的介質(zhì)發(fā)生變化，則會引起信號的失真，從而導(dǎo)致接收的 信息丟失。地質(zhì)雷達(dá)的探測距離是連續(xù)的且不受時間的限制;由于地球與 被測物之間的相互作用而產(chǎn)生的反射波的波長與障礙物的位置無關(guān)，因此 不會影響被測對象的實(shí)際情況。地質(zhì)雷達(dá)的使用方便，不需要進(jìn)行維護(hù)。因?yàn)樗墓ぷ鞣绞綖椋喊l(fā)射-接收-回傳的操作流程，使其能夠很容易地 完成。此外還可以通過對被檢測的區(qū)域采取遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的實(shí)時 監(jiān)測。地質(zhì)雷達(dá)的成本低，效率高。在工業(yè)生產(chǎn)中，用于檢測的儀器價格 較低，而且設(shè)備的投資費(fèi)用較低。對于一些小型的工廠和礦場，經(jīng)濟(jì)上也 有很大的幫助作用。

二、地質(zhì)雷達(dá)在管片壁后脫空檢測中的應(yīng)用

2.1 管片脫空問題

由于在現(xiàn)場檢測過程中，發(fā)現(xiàn)了一個嚴(yán)重的問題就是管片脫空，即在 對管片進(jìn)行脫空處理時，會產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種情況下就會導(dǎo) 致裂紋的擴(kuò)展和延伸。如果將裂紋的長度控制在 0～10mm，就可以避免裂紋 的發(fā)展和擴(kuò)展。但若是采用人工的方式來增加孔隙率，則不僅成本高，而 且效率也低，所以我們需要找到一種方法來解決這個難題。通過查閱資料，有兩種解決方案。第一種是用電脈沖信號源，第二種是利用光電傳感器。電光效應(yīng)引起的流體力學(xué)、電磁學(xué)、 光學(xué)性質(zhì)的變化以及溫度的影響等都可 能使液體的成分發(fā)生改變，從而造成管體的破裂或者脫落。這些因素都會對 管道的損傷程度和尺寸大小有較大的要求;同時，也要考慮到使用的材料是 否具有良好的耐磨性，否則將會出現(xiàn)泄漏的危險;另外，還應(yīng)該注意的是，當(dāng)管內(nèi)流速過大時，容易使氣體聚集，進(jìn)而破壞密封圈的強(qiáng)度而損壞。

2.2 管片壁后脫空檢測

當(dāng)管片壁后脫空時，由于流體流速較低，波速較大，波速較高，此時 需要進(jìn)行聲測。聲測主要包括聲波和無線電波兩種方式。利用發(fā)射的高頻 電磁波，對管片壁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或表面狀況做出判斷，并根據(jù)其反射率的高 低來確定缺陷的位置、大小及分布情況，以達(dá)到對壁件的修復(fù)目的。聲測 法是一種非接觸式的非破壞性檢測方法，具有操作簡單，設(shè)備易維護(hù)等優(yōu) 點(diǎn)，但缺點(diǎn)是：在現(xiàn)場檢測中，不能獲取準(zhǔn)確的信息;在測量過程中，容 易受到環(huán)境因素的影響而引起數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性;同時，受外界環(huán)境影響，如溫度、濕度等。通過采用雷達(dá)信號，使用單探頭接收多路探頭，將多路探頭的回波脈沖轉(zhuǎn)換為電平，得到多通道的電平變化，從而完成了對孔內(nèi) 的孔內(nèi)氣體的實(shí)時監(jiān)測。該儀器可用于管道泄漏的超深管線探測，也可用 來分析油品質(zhì)量。

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)在管片壁后脫空檢測中的分類

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)在管道內(nèi)的工作原理，可以將其分為以下幾類：

（一）主動式地質(zhì)雷達(dá)：在管道內(nèi)部安裝探頭，探頭的作用是接收反 射波，并將波傳至探測儀。

（二）被動式地質(zhì)雷達(dá)：通過使用壓電傳感器和多路信號發(fā)生器對波 形進(jìn)行采集，并由多路數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

（三）主動式電磁式雷達(dá)：當(dāng)管片壁存在缺陷時，探頭的作用是接收 到來自外部的脈沖電的回線，然后對其產(chǎn)生的回線的幅值和頻率加以分析，從而判斷出缺陷的位置、大小以及形狀等。

（四）輔助式地質(zhì)雷達(dá)：當(dāng)管片壁有缺陷時，探頭上的作用是接收到 相應(yīng)的脈沖電，進(jìn)而觸發(fā)單路信號的發(fā)射與接收，同時單路信號的頻率也 會發(fā)生變化，利用單通道的高低頻，就可確定缺陷的方位、性質(zhì)。而輔助 性的構(gòu)造則使多點(diǎn)的聲波能夠以不同的速度傳播，提高了測量的準(zhǔn)確性與 可靠性。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)在管片壁后脫空檢測中的作用

由于流體介質(zhì)的性質(zhì)不同，在管道內(nèi)的流速和流量也不相同，在實(shí)際 操作中，通過對管片壁進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，得到了以下幾個方面的作用：

（一）檢測管內(nèi)流體流速的變化;

（二）檢測管片脫空過程中的能量消耗;

（三）分析壁底板的應(yīng)力分布情況，判斷壁底板是否存在裂紋或變形 等異?，F(xiàn)象。基于以上的這些作用，本課題利用地質(zhì)雷達(dá)的功能和原理，設(shè)計(jì)了一種用于測量金屬材料的缺陷波的方法：將被測液體的壓力波轉(zhuǎn)換 為電信號，然后用一個高分辨率的差分放大器將其輸出，再經(jīng)過多普勒頻 率儀的聚焦成像系統(tǒng)，可以獲得被測物體的聲阻抗、溫度、厚度等信息。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于它的采集速度快，但缺點(diǎn)是需要的儀器設(shè)備昂貴，而 且精度不高。為了提高該技術(shù)的精確度和可靠性，本文采用的是聲波透射 法來實(shí)現(xiàn)對聲場的數(shù)據(jù)收集。

2.4 地質(zhì)雷達(dá)在管片壁后脫空檢測中的應(yīng)用

流體介質(zhì)在流場中運(yùn)動的過程中，會產(chǎn)生一系列的應(yīng)力波，這些波的?強(qiáng)度和方向是不同的;當(dāng)流場的分布不均勻時，波在管片壁上的傳播距離?也就越遠(yuǎn)，其能量的耗散也就越大，甚至達(dá)到最大值。因此我們需要測量?出管道的壁面的各種信息，通過對這種不均與缺陷的分析來確定壁面的位?置和大小，從而判斷出是否存在裂紋或其他的異常情況。利用雷達(dá)進(jìn)行檢?測時，首先要對管片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各部分的尺寸參數(shù)等因素有一個基本?的了解;其次，要根據(jù)儀器的性能要求，選擇合適的發(fā)射脈沖頻率，并將?其作為主要的工作指標(biāo)。最后是對信號的接收與放大，一般采用多諧振蕩?器，它可以使多諧共振器的輸出功率最大化，同時還能提高系統(tǒng)的靈敏度。

三、結(jié)束語

為了提高對管片脫空的檢測效率，在對管道泄漏進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的過程 中，我們需要采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。利用地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射和接收功能，通過對聲波的高頻傳播特性，在氣體、固體和液體介質(zhì)中的衰減波形的變 化來探測泄露的位置、大小以及分布情況，從而達(dá)到快速識別缺陷的目的;同時，還可以根據(jù)不同的時間間隔，選擇相應(yīng)的儀器設(shè)備，并使用特定的 方法完成測量。本文通過利用地質(zhì)雷達(dá)的技術(shù)監(jiān)測，闡述了地質(zhì)雷達(dá)在管 片壁后脫空檢測中的應(yīng)用。

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