專(zhuān)利名稱(chēng)：檢查金屬管材的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里公開(kāi)的發(fā)明涉及金屬管材的無(wú)損檢查。更具體而言，這里公開(kāi)的發(fā)明涉及利用超聲波檢測(cè)裝置確定管狀金屬物品的壁狀態(tài)尤其是壁厚數(shù)據(jù)的無(wú)損手段。這里公開(kāi)的發(fā)明還特別涉及收集、存儲(chǔ)、顯示和以其他方式利用對(duì)金屬管狀物的壁進(jìn)行超聲波檢測(cè)所產(chǎn)生的信息的改進(jìn)方法。這里公開(kāi)的發(fā)明進(jìn)一步涉及超聲波手段的應(yīng)用，以同與管壁的各個(gè)小、離散部分有關(guān)的三維位置數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)來(lái)獲取代表管壁的小、離散部分的增量數(shù)據(jù)，以便可在仿真/比較程序中將金屬管狀物(或金屬管狀物的部分)的壁作為三維對(duì)象進(jìn)行顯示、成像、檢查和利用。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中，檢查金屬管材是否存在可能缺陷是高度期望和/或需要的。在例如油氣勘探和生產(chǎn)行業(yè)、在煉油廠和/或化學(xué)工廠以及其他工廠中，檢查金屬管狀物是很普遍的，在這些場(chǎng)合這樣的管狀物的故障會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。
隨著時(shí)間的過(guò)去，檢查金屬管狀物有沒(méi)有可能缺陷的技術(shù)經(jīng)歷了各種改進(jìn)。早期的測(cè)試是不成熟的。有時(shí)僅是用肉眼檢查管狀物的外部有沒(méi)有可看得見(jiàn)的缺陷。這種方法明顯是有限的。有時(shí)，檢查可能包括嘗試使管狀物“響”或“發(fā)聲”。這一般包括用諸如錘子之類(lèi)的硬物擊打管狀物，以及聽(tīng)管狀物發(fā)出的聲音。異?！氨葴?zhǔn)確音高低(flat)”的音調(diào)可能指示管狀物是破裂的。這一方法非常主觀，而且，即便有經(jīng)驗(yàn)的人員使用該方法也不能檢測(cè)出小的缺陷。
需要改進(jìn)金屬管狀物的檢查，這一需要導(dǎo)致了諸如磁測(cè)試之類(lèi)的其他發(fā)展。一種磁測(cè)試的方法包括將管狀物(或管狀物的部分)磁化，將鐵磁粉撒在被磁化的管狀物(或管狀物的部分)上，然后用肉眼檢查鐵磁粉有沒(méi)有異常分布。在另一種磁測(cè)試方法中，將電磁線圈移近管狀物的表面，并用各種手段確定可能由管狀物中的不連續(xù)引起的感應(yīng)渦電流的干擾。這兩種方法都不太適合檢測(cè)小的缺陷和/或位于管狀物表面以下的那些缺陷、費(fèi)時(shí)、高度取決于操作者的技能、且不會(huì)產(chǎn)生可據(jù)以對(duì)所發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的精確數(shù)據(jù)。
改進(jìn)金屬管狀物的檢查的另一嘗試是染料滲透法。在這種方法中，清洗管狀物、將其涂上含有染料的滲透液(一般是在某些照明條件下會(huì)發(fā)熒光的類(lèi)型)、擦管狀物、然后用肉眼檢查有沒(méi)有仍含有染料的表面不連續(xù)。該方法對(duì)檢測(cè)表面以下的缺陷而言是沒(méi)有用的，且不會(huì)產(chǎn)生可據(jù)以對(duì)所發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的精確數(shù)據(jù)。
檢查金屬管狀物的另一手段是利用X射線。盡管x射線代表一種確定某些位于管壁的表面以下的缺陷的方式，但用X射線難以發(fā)現(xiàn)諸如細(xì)裂縫和脫層之類(lèi)的一些缺陷。此外，這種檢查方法不會(huì)產(chǎn)生可據(jù)以對(duì)所發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的精確數(shù)據(jù)。由于這種技術(shù)的危險(xiǎn)性、屏蔽要求、費(fèi)用和局限性，其應(yīng)用受到限制。
檢查金屬管材有沒(méi)有壁厚缺陷的一種嘗試以利用γ射線輻射為代表。在一種方法中，γ射線源放在管狀物的一側(cè)，輻射傳感器放在管狀物的另一側(cè)。通過(guò)測(cè)量射線經(jīng)過(guò)管狀物時(shí)的下降，可估計(jì)管狀物兩側(cè)的總體壁厚(collective wall thickness)。這種方法有一些缺點(diǎn)，包括但未必限于傳感器對(duì)小厚度變化的相對(duì)不敏感性、不能檢測(cè)管狀物是否一側(cè)厚而另一側(cè)薄(這并非罕有缺陷，尤其是在擠壓成型的管狀物中)、安全性及有關(guān)放射源的使用的保安管理問(wèn)題。此外，這樣的檢查不會(huì)產(chǎn)生可據(jù)以按數(shù)學(xué)精確性對(duì)所發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)的影響進(jìn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)。
在力圖避開(kāi)以上技術(shù)的局限性的嘗試中，超聲波技術(shù)被開(kāi)發(fā)用于管材的檢查。一般而言，該技術(shù)基于金屬中的聲速以及聲波會(huì)從介質(zhì)界面反射(“回聲”)的事實(shí)。因而，通過(guò)在所述金屬中傳播聲波并測(cè)量該波的回波從界面返回所花的時(shí)間，有可能確定到所述界面的準(zhǔn)確距離。這樣的界面當(dāng)然可以是管狀物的對(duì)壁。因此，利用超聲波手段可確定一個(gè)區(qū)域內(nèi)管狀物的準(zhǔn)確壁厚。為了確定整個(gè)管狀物區(qū)域范圍內(nèi)管狀物的壁厚，一般繞管狀物的軸線旋轉(zhuǎn)管狀物，并使管狀物相對(duì)一超聲頭縱向前進(jìn)，該超聲頭周期性地“發(fā)射”并有效地對(duì)當(dāng)時(shí)位于該超聲頭下方的壁厚進(jìn)行采樣。當(dāng)管狀物前進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生一串?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一壁厚測(cè)量結(jié)果。這樣的測(cè)試所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一般以二維形式顯示為數(shù)值表或圖上的線(代表管狀物的長(zhǎng)度上一位置處的壁厚)。通過(guò)人工閱讀該表或圖或者通過(guò)用機(jī)器(計(jì)算機(jī))檢測(cè)超范圍值，可檢測(cè)出超范圍值。根據(jù)這樣的數(shù)據(jù)，可確定沿管狀物長(zhǎng)度的可疑缺陷的大致位置及該缺陷的大小和方向(太薄還是太厚)，并可在管狀物接合處做標(biāo)記以接受、拒絕或進(jìn)行修理，但所述數(shù)據(jù)對(duì)超出以上范圍的許多目的而言是沒(méi)有用的。換句話說(shuō)，由于沒(méi)有關(guān)于管狀物的缺陷和剩余部分的三維數(shù)據(jù)，就管狀物的性能而言該缺陷可能具有的影響不能以數(shù)學(xué)精確性進(jìn)行計(jì)算。
這里公開(kāi)的發(fā)明涉及獲取、收集、組合(assemble)、存儲(chǔ)、顯示和/或利用由管材的超聲波檢查產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的改進(jìn)方法，不僅用于確定是否存在缺陷，而且由檢查產(chǎn)生的數(shù)據(jù)還可用來(lái)以先前不能通過(guò)對(duì)管狀物的無(wú)損評(píng)估獲得的數(shù)學(xué)精確性計(jì)算管狀物的預(yù)計(jì)性能。
發(fā)明目的這里公開(kāi)的發(fā)明的總體目的是提供一種改進(jìn)方法，用于對(duì)來(lái)自管材的超聲波檢查的信息進(jìn)行收集、組合(assembly)、存儲(chǔ)、顯示、分析和其他利用。本發(fā)明的一個(gè)特定目的是將代表管狀物的離散、小部分的壁的增量超聲波測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)與識(shí)別該管狀物的各個(gè)離散部分的三維位置信息關(guān)聯(lián)，各個(gè)壁測(cè)量結(jié)果分別在該各個(gè)離散部分獲得，以便可將數(shù)據(jù)作為三維對(duì)象進(jìn)行顯示、呈現(xiàn)、分析和以其他方式使用(通過(guò)目視手段或在數(shù)學(xué)上)。本發(fā)明的另一目的是，以一種易作為三維對(duì)象進(jìn)行顯示、呈現(xiàn)、分析或其他使用的形式，收集、組合和/或存儲(chǔ)金屬管狀物的壁厚數(shù)據(jù)，包括但不限于，作為可從任何角度(perspective)觀察、縮放、旋轉(zhuǎn)的三維圖像進(jìn)行顯示、呈現(xiàn)和分析，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被逐一檢查，用于預(yù)測(cè)管狀物在某些條件下的性能的數(shù)學(xué)計(jì)算中、與以前或以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、從而用來(lái)預(yù)計(jì)未來(lái)的變化，在預(yù)測(cè)管狀物對(duì)各種應(yīng)激源(stressor)的響應(yīng)的工程計(jì)算和/或程序中使用并且以不同的方式擴(kuò)大了應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
盡管將參照優(yōu)選實(shí)施方案描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行各種變化以及用等同物代替本發(fā)明的要素。此外，可以在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的情況下作出改型以使特定情形或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，目的不在于將本發(fā)明限制為這里公開(kāi)的特定實(shí)施方案，相反，本發(fā)明將包括落入附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案(和它們的法定等同物)。
為了實(shí)踐這里公開(kāi)的發(fā)明，提供了一種超聲波手段，用以測(cè)量金屬管狀物的小區(qū)域的壁。優(yōu)選地，這通過(guò)緊靠管狀物的外部、且基本垂直于該管狀物的經(jīng)線(longitude)和切線放置超聲頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，所述頭包括超聲波換能器，該超聲波換能器用于徑向向內(nèi)(朝管狀物的縱軸線)傳播超聲波和接收從相反方向返回的超聲波反射(“回波”)。優(yōu)選地，所述頭通過(guò)一介質(zhì)耦合到管狀物，該介質(zhì)例如利用水耦合或用本領(lǐng)域公知的其他手段經(jīng)由介質(zhì)與管狀物之間的界面有效地傳輸超聲波。
眾所周知，通過(guò)精確地測(cè)量超聲波從管狀物的外壁傳播到內(nèi)壁、從內(nèi)壁反射以及返回外壁所花的時(shí)間(稱(chēng)為“飛行時(shí)間”或“TOF”)，可容易地計(jì)算波傳播的距離(“D”)[由于各種金屬中的聲速是已知的，根據(jù)公式D(距離)＝S(速度)×TOF)]。被這樣采樣的區(qū)域內(nèi)管狀物的壁厚是D的1/2。
盡管本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，要利用超聲波手段獲得特定位置處管狀物的壁厚的準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果還有許多其他實(shí)際考慮，包括但不限于，有關(guān)以超聲方式耦合換能器和管狀物的問(wèn)題、有關(guān)從計(jì)算中排除耦合效應(yīng)的問(wèn)題、有關(guān)排除表面的后續(xù)反射的問(wèn)題，有關(guān)以精確且一致的方式準(zhǔn)確地“開(kāi)始”和“停止”計(jì)時(shí)測(cè)量的問(wèn)題以及其他這樣的問(wèn)題。因?yàn)檫@些考慮和各種解決方案是本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，所以這里將不對(duì)它們作進(jìn)一步討論。在涉及所公開(kāi)的發(fā)明的情況下，所必要的只是，提供一些超聲波手段以利用超聲波手段獲得管狀物的小、離散可選部分的增量測(cè)量結(jié)果。
為了實(shí)踐本發(fā)明，還必須提供一種手段，以獲得管狀物的整個(gè)研究區(qū)域(在大多數(shù)情況下，將是整個(gè)管狀物)上的小、離散壁段(segment)的增量測(cè)量結(jié)果。在優(yōu)選實(shí)施方案中，這通過(guò)在超聲頭沿管狀物的長(zhǎng)度縱向前進(jìn)時(shí)、繞管狀物的縱軸線旋轉(zhuǎn)管狀物，以及周期性地觸發(fā)(“點(diǎn)火(fire)”)超聲頭以產(chǎn)生當(dāng)時(shí)鄰近超聲頭的、管狀物的區(qū)域的壁測(cè)量結(jié)果(“快照”)來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)速、縱向前進(jìn)、觸發(fā)超聲頭的速率以及超聲頭的尺寸使得壁的每個(gè)快照與相鄰快照沿圓周和縱向均部分重疊，以便獲得對(duì)管狀物的整個(gè)待檢查區(qū)域(在大多數(shù)情況下，將是整個(gè)管狀物)的完全覆蓋。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，這通過(guò)將管狀物水平地放置在一個(gè)輥系統(tǒng)(roller system)上來(lái)實(shí)現(xiàn)，該管狀物在輥系統(tǒng)上繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，超聲頭將位于水平管狀物的上方并鄰近水平管狀物的上表面，且被瞄準(zhǔn)以垂直向下朝管狀物傳播波。優(yōu)選地，管狀物將以恒定速度旋轉(zhuǎn)，并且，當(dāng)管狀物這樣旋轉(zhuǎn)時(shí)，超聲頭以恒定速度縱向前進(jìn)，以便頭與管狀物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沿管狀物的外表面基本服從螺旋路徑。當(dāng)管狀物這樣前進(jìn)時(shí)，超聲頭被周期性地點(diǎn)火以給管狀物的壁拍快照。這些快照中的每個(gè)快照都是數(shù)學(xué)表示一個(gè)代表超聲頭被點(diǎn)火時(shí)位于超聲頭下方的管狀物的壁厚的“數(shù)”。這些快照中的每個(gè)快照將被記錄。因此，在過(guò)程結(jié)束時(shí)，將記錄了多個(gè)增量壁厚快照，代表管狀物的整個(gè)待檢查區(qū)域(在大多數(shù)情況下，將是整個(gè)管狀物)的至少部分重疊覆蓋。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，通過(guò)以不同的方式或順序“采樣”(以增量方式獲得代表管狀物的壁的小、離散部分的數(shù)據(jù))可得到類(lèi)似的結(jié)果。將會(huì)意識(shí)到，在采樣過(guò)程中管狀物可以不水平地放置，或者甚至在采樣過(guò)程中可將管狀物放在不同的位置。將會(huì)意識(shí)到，采樣可通過(guò)采樣過(guò)程中管狀物的增量旋轉(zhuǎn)和/或縱向前進(jìn)以及停止、而不是管狀物(或超聲頭)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)和縱向前進(jìn)來(lái)完成。將會(huì)意識(shí)到，采樣可關(guān)于管狀物的不同圓周沿多個(gè)縱向線或者關(guān)于管狀物的不同經(jīng)線利用多個(gè)圓周線來(lái)完成，而不是通過(guò)沿螺旋路徑采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。將會(huì)意識(shí)到，超聲頭可繞管狀物旋轉(zhuǎn)，而不是管狀物繞超聲頭旋轉(zhuǎn)。將會(huì)意識(shí)到，管狀物可相對(duì)超聲頭縱向前進(jìn)，而不是超聲頭相對(duì)管狀物縱向前進(jìn)。將會(huì)意識(shí)到，可使用多個(gè)超聲頭。將會(huì)意識(shí)到，采樣甚至可以隨機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。旨在所有這些變更都包含在這里公開(kāi)的發(fā)明中；這里公開(kāi)的發(fā)明的要旨(thrust)與針對(duì)管狀物的整個(gè)待檢查區(qū)域、獲得和記錄管狀物的小壁段的不連續(xù)快照的特定順序無(wú)關(guān)，而在于獲得這樣的結(jié)果。換句話說(shuō)，在采樣結(jié)束時(shí)，期望以數(shù)學(xué)精確方式獲得并記錄管狀物的壁的多個(gè)快照，多個(gè)快照中的每個(gè)快照代表管狀物的小、離散部分的壁厚，同時(shí)所有快照覆蓋管狀物的整個(gè)研究區(qū)域。
在這里公開(kāi)的發(fā)明中，除了記錄管狀物的整個(gè)研究區(qū)域(在大多數(shù)情況下，將是整個(gè)管狀物)上管壁的小部分的不連續(xù)快照以外，還將獲得并記錄關(guān)于管表面上、拍每個(gè)快照的位置的位置信息。除此以外，每個(gè)特定快照將與該快照所獨(dú)有的特定位置信息關(guān)聯(lián)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)用可由光電元件檢測(cè)的縱向線在管狀物的外部做標(biāo)記來(lái)獲得管狀物的壁的每個(gè)快照的位置。該線構(gòu)成圓周基準(zhǔn)，在優(yōu)選實(shí)施方案中將其當(dāng)作“零度”基準(zhǔn)來(lái)對(duì)待。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)了解，該基準(zhǔn)不必一定被視為零度基準(zhǔn)，實(shí)際上而是可被賦予任何其他數(shù)學(xué)值(所有這些數(shù)學(xué)值都包含在本發(fā)明中)。每當(dāng)管狀物旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電元件就被基準(zhǔn)線觸發(fā)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，每當(dāng)該元件被觸發(fā)時(shí)，用一指示管狀物旋轉(zhuǎn)一次的指示做標(biāo)記于數(shù)據(jù)流(代表一串離散壁厚測(cè)量結(jié)果)中。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，在每次旋轉(zhuǎn)內(nèi)，每個(gè)快照被賦予一代表在該次旋轉(zhuǎn)內(nèi)拍該特定快照的順序的數(shù)值(即，光電元件被觸發(fā)之后的第一快照將被賦予一代表1的值，第二快照被賦予一代表2的值，等等)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，任何數(shù)學(xué)值都可被賦予，只要所賦予的值隨后可與當(dāng)時(shí)拍每個(gè)快照的圓周位置相關(guān)，因此，任何這樣的數(shù)學(xué)值都包含在這里公開(kāi)的發(fā)明中。
在管的每次旋轉(zhuǎn)內(nèi)，代表每個(gè)快照在管的該次旋轉(zhuǎn)內(nèi)的順序的數(shù)值當(dāng)然可轉(zhuǎn)化成一個(gè)代表拍該快照的、相對(duì)基準(zhǔn)線的角度的值，或者，結(jié)合該次旋轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)沿管狀物的經(jīng)線的位置，可轉(zhuǎn)化成代表管狀物上、拍每個(gè)快照的位置的某種其他形式(例如，傳統(tǒng)的“X，Y，Z”坐標(biāo))。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，將代表管的一次旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)與管狀物的另一次旋轉(zhuǎn)的快照縱向同步，以便，即使管狀物在一次旋轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)速與在另一次旋轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)速不完全相同，或者其他條件發(fā)生變化使管狀物的一次旋轉(zhuǎn)中的快照數(shù)量與其他次旋轉(zhuǎn)中的快照數(shù)量不完全相同，也仍然能保持?jǐn)?shù)據(jù)沿經(jīng)線精確對(duì)準(zhǔn)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，發(fā)現(xiàn)管狀物每旋轉(zhuǎn)一次就使圓周數(shù)據(jù)同步一次是適當(dāng)?shù)?。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)計(jì)算機(jī)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，該計(jì)算機(jī)手段將代表每個(gè)快照在特定旋轉(zhuǎn)中所處的順序的值轉(zhuǎn)化成一個(gè)代表每個(gè)快照關(guān)于管狀物的圓周的角位置的值。因而，如果在一次旋轉(zhuǎn)中有400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一壁厚讀數(shù)或“快照”)，則第100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)將被轉(zhuǎn)化成一被視為相對(duì)基準(zhǔn)標(biāo)記90度的值，第200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)將被轉(zhuǎn)化成一代表相對(duì)基準(zhǔn)標(biāo)記180度的值，等等。而如果在一次不同的旋轉(zhuǎn)中有500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，則第125個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)將被轉(zhuǎn)化成一被視為相對(duì)基準(zhǔn)標(biāo)記90度的值，第250個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)將被轉(zhuǎn)化成一代表相對(duì)基準(zhǔn)標(biāo)記180度的值，等等。這樣，管狀物的一次旋轉(zhuǎn)中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)與管狀物的其他次旋轉(zhuǎn)中的軸向?qū)?yīng)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)軸向同步。將會(huì)意識(shí)到，數(shù)據(jù)的同步可以較每旋轉(zhuǎn)一次同步一次高或低的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)除利用可由光電元件檢測(cè)的外部基準(zhǔn)線以外的其他方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該意識(shí)到，除將不連續(xù)快照關(guān)于管狀物的圓周的位置轉(zhuǎn)化成角格式以外，所述位置也可以表示為任何坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)。對(duì)這里公開(kāi)的發(fā)明來(lái)說(shuō)，如何數(shù)學(xué)表示壁厚的每個(gè)不連續(xù)快照關(guān)于管狀物的圓周的位置并不重要，重要的是以數(shù)學(xué)精確性獲得和記錄關(guān)于每個(gè)快照的這種圓周信息。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，不僅會(huì)獲得每個(gè)壁厚測(cè)量結(jié)果(“快照”)的圓周位置，還會(huì)以數(shù)學(xué)精確性獲得、記錄每個(gè)快照的縱向位置和將其與各個(gè)不連續(xù)快照關(guān)聯(lián)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，超聲頭在管狀物的檢查過(guò)程中沿平行于管狀物的軸線的線移動(dòng)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，每次換能器被點(diǎn)火時(shí)，所述頭上的傳感器產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于其沿管狀物的經(jīng)線的位置的信號(hào)。因而，在優(yōu)選實(shí)施方案中，每次所述頭被點(diǎn)火(以獲得一壁厚讀數(shù)，即壁的“快照”)時(shí)，該信號(hào)被記錄。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，各個(gè)快照的縱向位置可通過(guò)其他手段獲得，包括但不限于作為時(shí)間的函數(shù)，測(cè)量管狀物與超聲頭之間縱向移動(dòng)的相對(duì)速度；計(jì)算管狀物相對(duì)所述頭前進(jìn)一定距離所發(fā)生的旋轉(zhuǎn)次數(shù)；以及，從而計(jì)算拍每個(gè)快照的沿螺旋路徑的點(diǎn)，或其他手段。對(duì)這里公開(kāi)的發(fā)明來(lái)說(shuō)，為獲得拍每個(gè)壁厚快照的縱向位置而采用的特定方式并不重要，重要的是，以數(shù)學(xué)精確性獲得、記錄這樣的數(shù)據(jù)并將其與各個(gè)快照關(guān)聯(lián)。因此，在過(guò)程結(jié)束時(shí)，將會(huì)獲得和記錄管狀物的壁的小、離散部分的多個(gè)重疊測(cè)量結(jié)果。每個(gè)測(cè)量結(jié)果將包括數(shù)學(xué)上精確的壁厚表示，并且與據(jù)以獲得壁的該測(cè)量結(jié)果的管狀物上的位置的數(shù)學(xué)上精確的三維表示關(guān)聯(lián)。多個(gè)這樣的讀數(shù)將覆蓋壁的整個(gè)研究區(qū)域，在大多數(shù)情況下所述研究區(qū)域可能是整個(gè)管狀物。
然而，應(yīng)該意識(shí)到，本發(fā)明并不受這樣的限制。即，不必對(duì)管狀物的整個(gè)區(qū)域采樣。相反地，通過(guò)適當(dāng)?shù)赜|發(fā)超聲頭以?xún)H在管狀物的旋轉(zhuǎn)的某些區(qū)域之間點(diǎn)火，可將檢查限制到管的縱向焊線(weldline)?？商鎿Q地，可調(diào)整超聲頭以?xún)H在管的某些縱向位置點(diǎn)火，從而，例如，將檢查限制到沿管的長(zhǎng)度的某些區(qū)域。可替換地，可設(shè)置超聲頭使其僅處于某些圓周或縱向極限位置內(nèi)，限定管的、待根據(jù)本發(fā)明檢查的較小部分。這樣的變更完全包含在本發(fā)明中。
還將意識(shí)到的是，根據(jù)本發(fā)明的采樣不必針對(duì)管的毗鄰區(qū)域進(jìn)行或者包括重疊快照。應(yīng)該理解的是，可在快照之間有間隔的情況下利用本發(fā)明。盡管在快照之間留有間隔可能不能暴露未被采樣的間隔中的小缺陷，但利用本發(fā)明收集的數(shù)據(jù)仍然會(huì)形成虛擬三維對(duì)象的小缺陷，這例如在仿真和建模程序中有遠(yuǎn)甚于目前能獲得的應(yīng)用。
至于縱向數(shù)據(jù)的同步，如果按照上面討論的優(yōu)選實(shí)施方案旋轉(zhuǎn)管狀物，則發(fā)現(xiàn)這樣的同步未必是必要的，因?yàn)楸M管存在管狀物的多次旋轉(zhuǎn)(如上面討論的，該多次旋轉(zhuǎn)可能需要同步)，但管狀物只有一個(gè)縱向前進(jìn)。因此，沒(méi)有各自表示管狀物的離散經(jīng)線的多個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)組需要與同樣表示管狀物的經(jīng)線的其他數(shù)據(jù)同步。如果以不同的方式收集或記錄數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了不同的數(shù)據(jù)組，所述數(shù)據(jù)組中的每個(gè)數(shù)據(jù)組表示管狀物的經(jīng)線，則情況會(huì)不同。在這種情形下，希望轉(zhuǎn)化每個(gè)組中數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)(number)以與管狀物的已知長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)，這樣，離散的縱向數(shù)據(jù)組將與長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)，并進(jìn)而彼此對(duì)應(yīng)。因此，必要時(shí)，這里公開(kāi)的發(fā)明包括數(shù)據(jù)的圓周和/或縱向同步。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，就直徑而言，換能器的有效尺寸約為0.5英寸。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，為了確保完全覆蓋上述優(yōu)選實(shí)施方案中的研究區(qū)域，要選擇換能器的轉(zhuǎn)速和觸發(fā)速率，使得換能器在管狀物每旋轉(zhuǎn)約3/8英寸(或更少)且管狀物的每次旋轉(zhuǎn)引起管狀物約3/8英寸(或更少)的縱向前進(jìn)時(shí)被觸發(fā)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，如果使用的換能器尺寸不同，轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度可改變，目的在于確保部分重疊的快照。將會(huì)意識(shí)到，超聲頭的有效面積越小，獲得的壁厚的分辨率越精細(xì)，但代價(jià)是犧牲速度和積累更大量的數(shù)據(jù)。
應(yīng)該理解的是，因?yàn)樵诒景l(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，每個(gè)快照(表示離散位置上管狀物的壁厚測(cè)量結(jié)果)與相鄰快照至少部分重疊，所以至少在發(fā)生該重疊的位置會(huì)有兩個(gè)，可能更多個(gè)，壁厚測(cè)量結(jié)果。還應(yīng)該理解的是，測(cè)量結(jié)果可能并不完全相同，因?yàn)槊總€(gè)快照覆蓋了相鄰快照沒(méi)有覆蓋的至少一部分表面。應(yīng)該理解的是，在這樣的重疊發(fā)生且不相同的位置，關(guān)于待賦予這樣的重疊發(fā)生處的壁厚的值，存在不明確。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，賦予該區(qū)域的值是表示最小(“最薄”)壁厚的值，因?yàn)橄嘈疟”跔顟B(tài)代表管狀物發(fā)生故障的最大風(fēng)險(xiǎn)。然而，未必一定如此?？梢酝瑯尤菀椎厥褂帽硎咀詈癖诓糠值闹担蛘邔⒍鄠€(gè)讀數(shù)的平均值賦予這樣的重疊發(fā)生的區(qū)域。這些全都包含在這里公開(kāi)的發(fā)明中。
因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，表示管狀物的小區(qū)域的離散、增量重疊測(cè)量結(jié)果的部分重疊壁厚測(cè)量結(jié)果和每個(gè)離散壁厚測(cè)量結(jié)果的位置信息將可獲得，并互相關(guān)聯(lián)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，每個(gè)離散壁厚測(cè)量結(jié)果同與該測(cè)量結(jié)果有關(guān)的位置信息的必要關(guān)聯(lián)用數(shù)字手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。就是說(shuō)，壁厚測(cè)量結(jié)果和位置信息兩者都被轉(zhuǎn)化成數(shù)字格式，附在一起作為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，其他形式的關(guān)聯(lián)也可以，包括但不限于使用相互參照表。對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)，將每個(gè)離散壁厚測(cè)量結(jié)果與相應(yīng)的位置信息關(guān)聯(lián)的方式并不是特別重要，要進(jìn)行這樣的關(guān)聯(lián)才是重要的。然而，尤其有用的是(盡管本發(fā)明并不限于此)，以計(jì)算機(jī)手段可讀的形式關(guān)聯(lián)這樣的數(shù)據(jù)，以便于信息的計(jì)算機(jī)顯示、分析和使用。
包含在這樣的格式中的數(shù)據(jù)可以先前不可能的方式使用。例如，表示壁厚的數(shù)據(jù)可利用計(jì)算機(jī)手段進(jìn)行陰影和/或顏色編碼，并以虛擬三維形式呈現(xiàn)，這顯然類(lèi)似于在放大或不放大的情況下，從幾乎任何角度、以任何視在距離視覺(jué)檢查管狀物或特別感興趣的部分，就像管狀物的壁是經(jīng)過(guò)顏色和/或陰影編碼的一樣(不同的厚度用不同的顏色和/或陰影表示)。
此外，任何部分的厚度的精確數(shù)值及該部分在管狀物上的精確位置可根據(jù)這種呈現(xiàn)來(lái)獲得。盡管本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案利用“開(kāi)放式GL(Open GL)”實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形的軟件顯示管狀物數(shù)據(jù)，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到其他實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形的軟件也可以使用。
此外，包含在數(shù)字格式中的、代表管狀物的各個(gè)增量部分的壁厚的數(shù)據(jù)和該部分的位置可在預(yù)測(cè)各種應(yīng)激源，包括拉力、彎曲力、塌陷力(collapse force)和爆裂力(burst force)、老化等，對(duì)管狀物的實(shí)際影響的計(jì)算中使用。通過(guò)對(duì)管狀物進(jìn)行序貫檢查(sequentialinspection)，尤其有用的是能分析一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的變化，從而能在管狀物發(fā)生故障之前、當(dāng)故障很可能發(fā)生時(shí)精確地預(yù)測(cè)，從而避開(kāi)故障，同時(shí)最大限度地利用管狀物。
除了上面的討論以外，數(shù)據(jù)可與可能有意義的管狀物的其他測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)。例如其他裝置，如凸輪跟隨裝置、超聲波裝置、激光裝置和收集與管狀物的橢圓度有關(guān)(的數(shù)據(jù))的其他裝置等，也可與壁厚數(shù)據(jù)、位置信息或這兩者關(guān)聯(lián)。同樣，不僅壁厚和橢圓度數(shù)據(jù)可與位置信息關(guān)聯(lián)，而且來(lái)自用來(lái)檢測(cè)管狀物的壁內(nèi)的諸如內(nèi)含物、孔隙、脫層之類(lèi)的缺陷的其他裝置(一般為產(chǎn)生“剪切波(sheer wave)”的超聲波裝置)的數(shù)據(jù)也可與位置數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。通過(guò)這樣處理，這些其他信息從而變得易作為三維數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、呈現(xiàn)、分析或其他使用。
因而，應(yīng)該意識(shí)到，按照本發(fā)明性公開(kāi)內(nèi)容的原則和教導(dǎo)建立的過(guò)程構(gòu)成了本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)的進(jìn)步。盡管上面的描述包含許多特異性，但這些描述不應(yīng)被解釋為對(duì)本發(fā)明的范圍的限制，而應(yīng)被解釋為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的例證。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該由示例實(shí)施方案確定，而應(yīng)該由那些會(huì)被允許的權(quán)利要求及它們的法定等同物確定。
權(quán)利要求
1.收集和存儲(chǔ)代表管材的壁厚的信息的方法，包括a.將能測(cè)量管材的壁的離散部分的厚度的超聲波檢測(cè)裝置放在沿管材的壁的第一位置；b.在所述第一位置，確定所述超聲波檢測(cè)裝置沿所述管材的軸線的縱向位置；c.在所述第一位置，確定所述超聲波檢測(cè)裝置關(guān)于所述管材的圓周的圓周位置；d.在所述第一位置，使所述超聲波檢測(cè)裝置確定所述管材的壁的離散部分的厚度；e.以關(guān)聯(lián)關(guān)系記錄所述第一位置處管材的壁厚、縱向位置和圓周位置；f.將所述超聲波檢測(cè)裝置放在沿所述管材的壁的至少第二位置；h.以關(guān)聯(lián)關(guān)系記錄所述第二位置處管材的壁厚、縱向位置和圓周位置；以及，g.以關(guān)聯(lián)關(guān)系關(guān)聯(lián)所述第一位置處的記錄和所述第二位置處的記錄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述記錄以計(jì)算機(jī)手段可讀的數(shù)字格式進(jìn)行記錄。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，還包括利用計(jì)算機(jī)手段以虛擬三維形式顯示所述管材的壁的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，還包括利用計(jì)算機(jī)手段計(jì)算應(yīng)力對(duì)所述管材的壁的影響的步驟。
全文摘要
檢查管材的方法，包括使用超聲波檢測(cè)裝置獲得管材的離散部分的壁厚測(cè)量結(jié)果，以及與獲得每個(gè)測(cè)量結(jié)果的縱向及圓周位置關(guān)聯(lián)來(lái)記錄每個(gè)測(cè)量結(jié)果。因此，每個(gè)壁厚測(cè)量結(jié)果在三維空間內(nèi)代表所述管狀物的壁厚的一小部分。從而，可利用計(jì)算機(jī)手段以虛擬三維格式顯示多個(gè)所述測(cè)量結(jié)果。產(chǎn)生的不同壁厚讀數(shù)用不同的陰影或顏色顯示表示，以便可容易地檢測(cè)出感興趣的異常?？商鎿Q地，所記錄的信息可容易地用計(jì)算機(jī)手段處理，以計(jì)算應(yīng)激源對(duì)所述管材的壁的影響。
文檔編號(hào)G01N29/04GK1894555SQ200480012199
公開(kāi)日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2004年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月7日
發(fā)明者G·M·斯費(fèi)爾, J·班克斯, D·L·羅杰斯 申請(qǐng)人:技術(shù)工業(yè)公司