基于柔性陣列壓電傳感的頁(yè)巖氣管道壁厚監(jiān)測(cè)

王 珅，王仕強(qiáng)，伍劍波，羅 陽(yáng)，何 莎，牛子奕，潘小鳳，顏 榮

(1.四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610065；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院, 廣漢 618300)

頁(yè)巖氣是一種重要的清潔能源，在頁(yè)巖氣開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中，頁(yè)巖氣管道長(zhǎng)期受內(nèi)部介質(zhì)腐蝕和沖蝕的作用，會(huì)出現(xiàn)管道壁厚減薄，如不及時(shí)處理會(huì)發(fā)生刺漏穿孔現(xiàn)象[1]，進(jìn)而導(dǎo)致頁(yè)巖氣泄漏，嚴(yán)重影響頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因此，為保證頁(yè)巖氣的安全開(kāi)采，需要對(duì)管道質(zhì)量狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

目前，頁(yè)巖氣管道壁厚監(jiān)測(cè)的主要方式是定期進(jìn)行人工超聲檢測(cè)，該方式具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)效率低、檢測(cè)成本高、實(shí)時(shí)性差、檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響等缺點(diǎn)。因此，亟需研制一套壁厚在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以代替人工進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。頁(yè)巖氣管道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)在于，管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，存在曲面、彎頭、三通、四通等結(jié)構(gòu)[2]，監(jiān)測(cè)方法需適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和安裝要求。同時(shí)，沖蝕與腐蝕造成的壁厚變化區(qū)域較大，嚴(yán)重腐蝕位置難以預(yù)測(cè)[3]，因此傳統(tǒng)單點(diǎn)布局方法難以實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣管道壁厚全覆蓋監(jiān)測(cè)，極易導(dǎo)致壁厚變化危險(xiǎn)點(diǎn)漏檢。另外，頁(yè)巖氣管道的最高工作溫度為100 ℃，要求監(jiān)測(cè)傳感器具有長(zhǎng)期高溫穩(wěn)定性。

萬(wàn)正軍等[4-6]基于場(chǎng)指紋法，將測(cè)量電極對(duì)拓展成為測(cè)量電極矩陣面，從而擴(kuò)大測(cè)量范圍，該方法具備復(fù)雜形貌監(jiān)測(cè)能力，但需將測(cè)量電極焊接在管道上，會(huì)影響管道的壽命及機(jī)械性能，并且在頁(yè)巖氣井場(chǎng)中進(jìn)行焊接操作也會(huì)帶來(lái)安全隱患。劉海鋒等[7-9]將多個(gè)光纖光柵傳感器串聯(lián)構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，提高缺陷檢出率，但該方法對(duì)測(cè)量環(huán)境條件要求嚴(yán)格，檢測(cè)結(jié)果易受振動(dòng)、溫度、濕度等因素影響。超聲傳感方法具有非介入、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于管道壁厚長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。葉至靈等[10]采用電磁超聲檢測(cè)方法測(cè)量管道壁厚，無(wú)需耦合劑即可實(shí)現(xiàn)高溫管道的非接觸測(cè)量，但其功耗大、能量轉(zhuǎn)換率低，傳感器體積和質(zhì)量大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高密集陣列傳感布局。薛建虹等[11-12]采用超聲導(dǎo)波方法測(cè)量管道壁厚，其使用的導(dǎo)波桿較長(zhǎng)，測(cè)厚準(zhǔn)確性易受溫度變化影響，且安裝導(dǎo)波桿所需空間較大，無(wú)法在狹小結(jié)構(gòu)處使用。傳統(tǒng)的壓電超聲檢測(cè)方法可對(duì)管道進(jìn)行厚度監(jiān)測(cè)[13]，但多為單點(diǎn)檢測(cè)，而且受限于傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器及固定工裝尺寸較大，無(wú)法安裝到復(fù)雜結(jié)構(gòu)處，同時(shí)也難以形成大面積陣列布局。柔性相控陣超聲傳感器具有重量輕、體積薄、柔度好的優(yōu)點(diǎn)，可以布置于復(fù)雜結(jié)構(gòu)處，形成高密度傳感網(wǎng)絡(luò)[14-15]，但現(xiàn)有柔性傳感器主要適用于人工檢測(cè)，覆蓋面積小，且不耐高溫，難以滿足頁(yè)巖氣管道大面積監(jiān)測(cè)需求與現(xiàn)場(chǎng)高溫工況。

為解決這一問(wèn)題，提出了基于柔性陣列壓電傳感的頁(yè)巖氣管道壁厚監(jiān)測(cè)方法，初步設(shè)計(jì)并制作了耐高溫多通道柔性陣列壓電傳感系統(tǒng)，利用提出的干耦合壓電傳感方法，將柔性陣列傳感器長(zhǎng)期固定在管道表面；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合開(kāi)發(fā)的壁厚數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)和多通道壁厚監(jiān)測(cè)設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣管道壁厚在線監(jiān)測(cè)。

1 整體方案

基于柔性陣列壓電傳感的頁(yè)巖氣管道壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要采用壓電超聲檢測(cè)方法，將柔性陣列傳感器布置在頁(yè)巖氣管道待檢測(cè)部位，利用干耦合劑將傳感器與管道之間的空氣排出[16]，利用干耦合劑的黏合性，將傳感器固定在管道表面，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形貌的大面積、高精度監(jiān)測(cè)。

圖1 基于柔性陣列壓電傳感的頁(yè)巖氣管道壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)多通道壁厚監(jiān)測(cè)主機(jī)測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的壁厚數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信方式傳輸?shù)皆破脚_(tái)。云平臺(tái)接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行綜合分析與評(píng)估，并根據(jù)各測(cè)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)繪制厚度變化曲線。用戶客戶端通過(guò)訪問(wèn)云平臺(tái)可監(jiān)測(cè)到管道壁厚實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)云平臺(tái)的預(yù)警提示進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.1 柔性陣列傳感器結(jié)構(gòu)

柔性陣列傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器內(nèi)部為常見(jiàn)的夾層結(jié)構(gòu)，壓電晶片置于上下電極之間，外層分別添加背襯層和匹配層。其中，壓電晶片是傳感器的核心元件，基于逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)工作；上下電極需保持靈活并緊密貼合壓電晶片，以確保恒定的電子遷移率；背襯層用來(lái)吸收散射到壓電元件背面的能量，具有增加帶寬以及減小傳感器信號(hào)拖尾的作用；匹配層對(duì)壓電晶片起到保護(hù)作用，并可改善壓電晶片與待測(cè)工件之間的聲學(xué)性質(zhì)。

圖2 柔性陣列傳感器結(jié)構(gòu)示意

壓電材料的壓電振子振動(dòng)時(shí)的諧振頻率與振動(dòng)時(shí)主振方向的長(zhǎng)度存在以下關(guān)系

N=f0L

(1)

式中：N為頻率常數(shù)；f0為壓電晶片的固有頻率；L為壓電晶片的長(zhǎng)度。

常用壓電晶片的頻率常數(shù)為2 000～2 300 Hz·m，若激勵(lì)頻率為5 MHz，則理論上壓電晶片的長(zhǎng)度可低至0.5 mm。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的柔性陣列傳感器在工作過(guò)程中由切換電路逐個(gè)依次激勵(lì)與接收，從而消除壓電單元間的相互影響。實(shí)際工作過(guò)程中，在保證傳感器曲度和柔度性能的前提下，可根據(jù)管道直徑、壁厚、監(jiān)測(cè)面積、分辨率需求、通道數(shù)等因素，設(shè)計(jì)晶片尺寸、間隙大小、晶片數(shù)量、布置方式等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)管道危險(xiǎn)點(diǎn)的全覆蓋監(jiān)測(cè)。

1.2 柔性陣列傳感器材料

傳統(tǒng)超聲傳感器為剛性材料，在檢測(cè)管狀工件時(shí)僅為部分面接觸甚至是線接觸、點(diǎn)接觸，而較小的接觸面積會(huì)極大降低檢測(cè)精度。柔性陣列傳感器具有耐高溫、材料薄、柔度高的特點(diǎn)，可以很好地與曲面工件匹配、貼合，提高檢測(cè)精度和缺陷檢出率。柔性陣列傳感器的材料選擇主要考慮以下4個(gè)方面因素。

(1) 壓電晶片材料的選擇。壓電晶片是傳感器中的核心元件，其制作材料主要有3類：無(wú)機(jī)壓電材料(即壓電晶體和壓電陶瓷)、有機(jī)壓電材料和復(fù)合壓電材料。柔性陣列傳感器中壓電晶片為以壓電陶瓷粉末和壓電聚合物PVDF(聚偏二氟乙烯)為主要原料組成的高溫復(fù)合材料[17-19]，具有柔性高、密度小且耐高溫的特點(diǎn)，在100 ℃下依然可以正常使用。

(2) 背襯層材料的選擇。背襯層材料需要具備較高的聲阻尼特性，通常依靠復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用最廣泛的方法是將環(huán)氧樹(shù)脂與鎢粉兩種材料按一定比例混合，配置成復(fù)合材料，來(lái)作為背襯層，以提高減振能力和阻抗值。

(3) 匹配層材料的選擇。聲波在不同特性阻抗介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)出現(xiàn)反射和透射的現(xiàn)象，必須對(duì)匹配層進(jìn)行阻抗匹配才能達(dá)到最好的聲透射效果。當(dāng)匹配層材料為不銹鋼時(shí)，其聲透射率可超過(guò)0.97[20]。使用不銹鋼薄片制備匹配層，可改善壓電晶片與被測(cè)物體之間的聲學(xué)性質(zhì)，減小聲波在被測(cè)物體表面的反射，增加聲波的有效傳輸率，從而達(dá)到增大聲波能量的目的。

(4) 傳感器封裝材料。使用耐高溫硅膠材料填充整個(gè)柔性陣列傳感器，在保證傳感器柔度的基礎(chǔ)上可提高傳感器的耐高溫性能。使用聚酰亞胺薄膜對(duì)與被測(cè)物體接觸的表面進(jìn)行封裝，可使傳感器在實(shí)際檢測(cè)中不受外界環(huán)境污染。

1.3 柔性陣列傳感器耦合方法

目前，常用的超聲檢測(cè)耦合劑多為液體，如機(jī)油、化學(xué)漿糊、純水等。對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)液體耦合劑在露天及振動(dòng)環(huán)境下會(huì)存在流失、揮發(fā)、變性等問(wèn)題，難以滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求。

針對(duì)這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種不易揮發(fā)和流失的耐候性干耦合材料來(lái)代替液體耦合劑，干耦合壓電傳感方式如圖3所示。干耦合材料是以環(huán)氧樹(shù)脂為主要原料，以二丙烯酸酯、硫醇封端聚合物、二丙氧基化等為輔混合而成的環(huán)氧膠黏劑，其在室溫下會(huì)與空氣中的水發(fā)生反應(yīng)，迅速固化，大約5 min即可達(dá)到一定強(qiáng)度。干耦合材料環(huán)氧膠黏劑與傳統(tǒng)液體耦合劑耦合效果相當(dāng)，且無(wú)需較大的耦合壓緊力即可良好耦合?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，安裝傳感器前該干耦合材料處于黏性液體狀態(tài)，可輕易排出傳感器與管道之間的空氣，使兩者之間達(dá)到良好的耦合效果。同時(shí)，該干耦合材料固化后具有較高的硬度、剝離強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，可以在無(wú)額外固定工裝的輔助下將柔性陣列傳感器固定在管道表面，從而減小傳感器安裝所需空間，使柔性陣列傳感器在頁(yè)巖氣管道復(fù)雜結(jié)構(gòu)處依然具備長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能力。

圖3 干耦合壓電傳感方式示意

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

筆者加工制作4通道柔性陣列傳感器進(jìn)行初步試驗(yàn)驗(yàn)證，包括傳感器的耐高溫、抗振性、精度、穩(wěn)定性等特性測(cè)試。 4通道柔性陣列傳感器實(shí)物如圖4所示，試驗(yàn)中所用柔性陣列傳感器壓電晶片的長(zhǎng)度為20 mm，寬度為10 mm，厚度為1 mm。壓電晶片之間軸向間距、周向間距均為6 mm，保證傳感器具備一定的曲度和柔度。

圖4 4通道柔性陣列傳感器實(shí)物

2.1 高溫試驗(yàn)

為驗(yàn)證柔性陣列傳感器能否在高溫下正常使用，將柔性陣列傳感器用干耦合材料環(huán)氧膠黏劑耦合在厚度為20 mm的鋼制試塊上，將試塊置于加熱臺(tái)上進(jìn)行高溫下的傳感器測(cè)厚試驗(yàn)，其測(cè)厚試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。利用測(cè)厚儀的回波-回波模式，消除耦合劑耦合狀態(tài)變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。將測(cè)厚儀的聲速設(shè)定為5 948 m·s-1(30 ℃下鋼縱波聲速)，先在常溫下測(cè)量試塊，厚度測(cè)量結(jié)果及波形如圖6(a)所示，然后將加熱臺(tái)溫度調(diào)整為100 ℃，待溫度達(dá)到100 ℃后保持72 h，測(cè)量結(jié)果如圖6(b)所示。

圖5 高溫下傳感器測(cè)厚試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 不同溫度下傳感器耦合試驗(yàn)結(jié)果

可以看出，一方面，柔性陣列傳感器在100 ℃高溫下依然與試塊表面緊密貼合，無(wú)松動(dòng)跡象，說(shuō)明干耦合劑可保證柔性陣列傳感器在高溫環(huán)境下固定可靠且耦合良好。另一方面，100 ℃下測(cè)厚儀測(cè)量試塊所需增益比常溫下的高3.8 dB，測(cè)量波形無(wú)明顯差別，厚度測(cè)量值僅有0.14 mm的偏差。偏差原因?yàn)闇囟茸兓鸬匿摬牧下曀僮兓痆21]，溫度補(bǔ)償之后即可消除偏差。試驗(yàn)結(jié)果表明柔性陣列傳感器在高溫環(huán)境下可正常工作，可以用于較高溫度管道的壁厚監(jiān)測(cè)。

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)

頁(yè)巖氣管道在作業(yè)過(guò)程中會(huì)因內(nèi)部輸送介質(zhì)發(fā)生幅度較大的振動(dòng)，對(duì)傳感器的工作穩(wěn)定性有一定影響。為此，進(jìn)行柔性陣列傳感器的振動(dòng)試驗(yàn)，將試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。用環(huán)氧膠黏劑將柔性陣列傳感器固定在管道上(管道直徑為219 mm，壁厚為10.03 mm)，然后將管道安裝于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，使用測(cè)厚儀在無(wú)振動(dòng)工況下測(cè)量管道壁厚信息，其結(jié)果如圖8(a)所示，之后在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)頻率為5～40 Hz，振幅為1～3 mm范圍內(nèi)進(jìn)行多次試驗(yàn)。振動(dòng)工況持續(xù)72 h，在此期間測(cè)量管道壁厚信息，測(cè)量結(jié)果如圖8(b)所示。

圖7 傳感器振動(dòng)工況下測(cè)厚試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖8 不同振動(dòng)下傳感器耦合試驗(yàn)結(jié)果

可以看出，一方面，使用環(huán)氧膠黏劑固定的柔性陣列傳感器在振動(dòng)工況下依然可以固定可靠，且傳感器與管道之間耦合良好；另一方面，相比于無(wú)振動(dòng)工況，振動(dòng)工況下測(cè)厚波形無(wú)明顯變化，壁厚偏差為0.01 mm，在測(cè)量誤差范圍之內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，用干耦合材料環(huán)氧膠黏劑耦合的柔性陣列傳感器使用過(guò)程中受振動(dòng)影響較小，在振動(dòng)工況下性能可保持穩(wěn)定。

2.3 精度試驗(yàn)

頁(yè)巖氣管道內(nèi)壁受沖蝕、腐蝕作用，管壁厚度會(huì)出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，這要求基于柔性陣列壓電傳感的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠精確監(jiān)測(cè)到頁(yè)巖氣管道壁厚的變化。為此，進(jìn)行不同厚度階梯試塊的測(cè)量試驗(yàn)，以確定柔性陣列傳感器的測(cè)量精度。利用測(cè)厚儀回波-回波厚度測(cè)量模式消除耦合劑對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。試驗(yàn)所采用的階梯試塊實(shí)物如圖9所示，試驗(yàn)中使用測(cè)厚儀連接柔性陣列傳感器測(cè)量階梯試塊不同厚度的部分，階梯試塊厚度從5.0 mm到80.0 mm按一定梯度變化，編號(hào)15厚度為試塊上表面測(cè)得，編號(hào)67為試塊側(cè)面測(cè)得，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖9 階梯試塊實(shí)物

表1 階梯試塊的柔性陣列傳感器測(cè)厚結(jié)果

由表1可以看出，使用柔性陣列傳感器測(cè)量不同厚度階梯試塊，傳感器測(cè)量值與真實(shí)值之間差值均在0.1 mm以內(nèi)，因此可以確定柔性陣列傳感器的測(cè)量精度達(dá)0.1 mm，分辨率為0.01 mm，滿足頁(yè)巖氣管道壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)要求。

2.4 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

若將該系統(tǒng)用于頁(yè)巖氣管道長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)主機(jī)、干耦合劑、柔性陣列傳感器都需要有良好的穩(wěn)定性、可靠性。為確定該系統(tǒng)能否長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，將柔性陣列傳感器用干耦合材料環(huán)氧膠黏劑耦合在易失效的三通位置，并將傳感器連接至監(jiān)測(cè)主機(jī)，管道長(zhǎng)期壁厚監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。以每日2次的采集頻率進(jìn)行為期60 d的監(jiān)測(cè)，傳感器中各壓電單元得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖10 管道長(zhǎng)期壁厚監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖11 管道各測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期壁厚監(jiān)測(cè)結(jié)果

可以看出，4通道陣列壓電單元測(cè)厚數(shù)據(jù)在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中基本保持平穩(wěn)，波動(dòng)在誤差范圍內(nèi)，表明該頁(yè)巖氣管道壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度較高，測(cè)量穩(wěn)定性好，可靠性高，滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

提出的柔性陣列傳感器具備柔性、耐高溫、抗振、精度高、穩(wěn)定可靠等特性，可滿足頁(yè)巖氣管道大面積、高精度、高溫壁厚在線監(jiān)測(cè)的需求。在實(shí)際工作過(guò)程中，可以以該試驗(yàn)為參考，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求制作不同參數(shù)的柔性陣列多通道壓電壁厚監(jiān)測(cè)傳感器。

在后續(xù)工作過(guò)程中，筆者將基于多通道柔性陣列壓電傳感數(shù)據(jù)，開(kāi)展壁厚三維成像算法研究，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣管道壁厚形貌的可視化成像。