КОНТРОЛЬ КОРРОЗИИ
CORROSION MONITORING

Настоящее изобретение относится к контролю коррозии. Более конкретно настоящее изобретение относится к контролю коррозии, используя однонаправленные или многонаправленные ультразвуковые измерения для исследования состояния объекта, такого как металлическая труба, и, не обязательно, для создания представления объекта, используя томографические способы.
Способ и устройство для контроля коррозии, используя томографию, описаны в европейской заявке на патент 07102653 (TNO), опубликованной 20 августа 2008 г как EP 1 959 229 Al и 28 августа 2008 г как WO 2008/103036 Al.
В упомянутой европейской заявке на патент ультразвуковые сигналы отправляются вдоль поверхности объекта из блока передачи к блоку приема, и анализируются только прямые сигналы. Прямые сигналы являются сигналами, которые достигают блока приема без распространения вокруг окружности объекта (цилиндрического или сферического), по меньшей мере, меньше чем на 360°. Однако также возможно использовать многонаправленные или непрямые сигналы, т.е. сигналы распространяются вокруг окружности объекта больше чем на 360°. Это приводит к тому явлению, что блок приема будет принимать множественные сигналы, некоторые из которых распространялись вокруг объекта под острым углом по отношению к длине (цилиндрического) объекта. Такой угол позволяет исследовать некоторые повреждения более подробно, так как может быть оценена не только толщина (в направлении окружности), но также и длина (в продольном направлении) повреждения.
Японская Заявка на патент JP 2007-3537 (Hitachi) раскрывает способ контроля труб, используя и прямые и непрямые звуковые волны. Фиг. 7 упомянутой японской заявки на патент показывает, как могут быть использованы волны, распространяющиеся под разными углами. Фиг. 3 той же самой заявки на патент показывает график относительной скорости (вертикальная ось) в зависимости от произведения толщины и частоты для различных мод волн (волн Лэмба в конкретном примере): А0 и S0. Можно будет увидеть, как широко известно, что кривая, представляющая моду S0, показывает две точки перегиба (или "точки изгиба"): первая на относительно низкой частоте (в примере, указываемом ссылкой, произведение толщины и частоты приблизительно равно 2) и вторая на относительно высокой частоте (в примере, указываемом ссылкой, произведение толщины и частоты приблизительно равно 3). Так как используется недисперсионная волна, должна быть мода SH0, которая имеет постоянную скорость (фиг. 10). Однако также используется коррекция дисперсии, что означает, что скорость моды S0 равна скорости моды SH0.
Следовательно, из упомянутой заявки на выдачу японского патента может быть сделан вывод, что предположенный рабочий диапазон находится в или около второй точки перегиба и задается пересечением кривой моды S0 (фиг. 3) и (по существу горизонтальной) линии, представляющей моду SH0 (фиг. 10). Это подтверждается тем фактом, что японская заявка на патент упоминает частоту 500 кГц (=0,5 МГц) и толщину 6 мм, что имеет в результате значение перемножения частоты и толщины равное 3МГц·мм, и что точно соответствует второй точке перегиба.
Однако может быть показано, что в некоторых применениях частоты во второй точке перегиба испытывают чрезвычайно высокое затухание, таким образом, делая способ контроля предшествующего уровня техники в таких применениях практически бесполезным. В частности это представляет тот случай, когда контролируются заполненные жидкостью трубы или сосуды, так как жидкость препятствует сжатию, и тем самым вызывает очень высокое затухание.
Задача этого изобретения - преодолеть эти и другие проблемы предшествующего уровня техники и предоставить способ и систему для ультразвукового контроля и/или моделирования, которая не имеет высокого затухания в ее рабочем диапазоне даже когда используется для заполненных жидкостью труб или сосудов.
Соответственно настоящее изобретение предоставляет способ моделирования поверхности объекта, используя ультразвуковые волны, передаваемые вдоль поверхности, способ содержащий этапы:
- передачи ультразвуковых волн по путям вдоль поверхности и
- определения времен распространения ультразвуковых волн по путям,
в котором, по меньшей мере, некоторые из ультразвуковых волн показывают моду S0 и имеют частотно-зависимую скорость, скорость, которая является относительно высокой для частот вплоть до первой точки перегиба, уменьшаясь быстро для частот между первой точкой перегиба и второй точкой перегиба, и относительно низкой для частот за второй точкой перегиба, такой способ отличается тем, что ультразвуковые волны имеют частотный диапазон, который лежит в или ниже первой точки перегиба.
Значительно более низкое затухание достигается при использовании частотного диапазона в или ниже первой точки перегиба, между тем как в остальном сохраняя преимущество способа предшествующего уровня техники. Соответственно, устранено крайне высокое затухание согласно предшествующему уровню техники, и способ может быть использован для объектов наполненных жидкостью, таких как трубы или сосуды. В дополнение, при использовании рабочего диапазона в или ниже первой точки перегиба, используется наклонная часть кривой между точками перегиба, чтобы достичь наибольшей чувствительности к изменениям в толщине стенки объекта (типично, но не исключительно трубы или сосуды).
Замечено, что упомянутый выше частотный диапазон может иметь относительно узкую полосу, и может, следовательно, быть назван как частота, а не полоса частот. На практике типично будет использован частотный диапазон, содержащий множество частот. Предпочтительная ширина полосы частотного диапазона меньше чем 150 кГц, более предпочтительно меньше чем 120 кГц, хотя частотные диапазоны, имеющие ширину полосы меньше 100 кГц, например, 50 кГц, также могут быть использованы.
Хотя частота (частотный диапазон), использованная согласно настоящему изобретению, будет зависеть от толщины стенки трубы или сосуда, произведение частоты и толщины предпочтительно будет меньше чем приблизительно 2 МГц.мм (или кГц.м), что при толщине стенки в 6 мм эквивалентно частотному диапазону меньшему чем приблизительно 0,33 МГц. Соответственно частотный диапазон выбирается так, чтобы произведение толщины стенки и частоты в упомянутом частотном диапазоне было равно или меньше чем 2,0 МГц.мм.
Ультразвуковые волны предпочтительно содержат импульсные волны. Дополнительно является предпочтительным, что ультразвуковые волны содержат направленные волны и/или волны Рэлея.
Способ настоящего изобретения является особенно преимущественным, когда некоторые пути сигналов, по меньшей мере, один раз проходят вокруг окружности объекта, имея в результате многочисленные поступления ультразвуковых волн в некоторые блоки преобразователей.
Ультразвуковые сигналы могут быть использованы для контроля и/или моделирования, например моделирования, с использованием томографических способов.
Настоящее изобретение дополнительно предоставляет компьютерный программный продукт для выполнения способа, определенного выше. Компьютерный программный продукт может содержать набор исполняемых компьютером команд, хранимых на носителе информации таком как CD или DVD. Набор исполняемых компьютером команд, который позволяет программируемому компьютеру выполнять способ, как описано выше, может также быть доступным для загрузки с удаленного сервера, например через Интернет.
Настоящее изобретение также предоставляет устройство, которое работает в или ниже первой точки перегиба кривой S0. Более конкретно настоящее изобретение предоставляет устройство для моделирования поверхности объекта, используя ультразвуковые волны, переданные вдоль поверхности, устройство содержащее:
- первый преобразователь и, по меньшей мере, один второй преобразователь, первый измерительный преобразователь и каждый второй измерительный преобразователь, определяющие пути вдоль поверхности,
- блок передачи для передачи ультразвуковых волн по путям от первого измерительного преобразователя к каждому второму измерительному преобразователю, и
- блок обработки, скомпонованный для определения времен распространения ультразвуковых волн по путям,
в котором, по меньшей мере, некоторые из ультразвуковых волн показывают моду S0 и имеют частотно-зависимую скорость, такую скорость, которая является относительно высокой для частот вплоть до первой точки перегиба, быстро уменьшающейся для частот между первой точкой перегиба и второй точкой перегиба, и относительно низкой для частот за второй точкой перегиба, такое устройство отличается тем, что ультразвуковые волны имеют частотный диапазон, который лежит ниже первой точки перегиба.
Настоящее изобретение дополнительно предоставляет систему для контроля объектов, систему содержащую устройство, как определено выше, в которой объект предпочтительно является трубопроводом, а более предпочтительно трубопроводом для транспортировки жидкостей.
Настоящее изобретение будет дополнительно объяснено ниже со ссылкой на примерные варианты осуществления, проиллюстрированным в прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг. 1 - схематически показывает объект, поверхность которого смоделирована в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2 схематически показывает 3х мерную модель объекта, которая может быть произведена в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 3 схематически показывает 2х мерную модель объекта, которая может быть произведена в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 4 схематически показывает взаимозависимости между скоростью ультразвуковых волн и произведением частоты и толщины стенки для нескольких мод ультразвуковых волн, как использовано в настоящем изобретении.
Фиг. 5 схематически показывает взаимозависимость моды S0 по фиг. 4 вместе с затуханием в качестве функции произведения частоты и толщины стенки.
Фиг. 6А и 6B схематически показывают ультразвуковые импульсы, использованные в настоящем изобретении.
Фиг. 7 схематически показывает устройство моделирования поверхности согласно настоящему изобретению.
Труба 2, показанная только в качестве неограничивающего примера на фиг. 1, содержит поверхность 3, которая должна быть моделирована. В показанном примере поверхность 3 имеет углубленную часть 6, которое может быть вызвано, например, коррозией. При моделировании поверхности 3 надлежащим образом, может быть определен протяженность и (относительная) глубина углубленной части 6.
Блоки 4 первых преобразователей и блоки 5 вторых преобразователей установлены на трубу 2 с обеих сторон поверхности 3. Хотя и первый и второй блоки преобразователей могут быть выполнены с возможностью передачи и приема ультразвуковых волн, в настоящем изобретении первые блоки 4 преобразователей используются для передачи ультразвуковых импульсных волн, между тем как вторые блоки 5 преобразователей используются для приема этих волн. Блоки преобразователей по существу могут быть известны и могут быть пьезоэлектрическими блоками.
Импульсные волны или импульсы, производимые первыми преобразователями 4, имеют определенную продолжительность, например, нескольких мкс (микросекунд). Фактическая продолжительность может зависеть от конкретного применения, например размеров и взаимных дистанций блоков преобразователей. Количество преобразователей может меняться. Должен быть предоставлен, по меньшей мере, один первый преобразователь 4 и, по меньший мере, один второй преобразователь 5, хотя предпочтительно использовать несколько вторых преобразователей 5, например, больше вторых преобразователей 5: два, три, четыре, восемь. Использование множества вторых преобразователей 5 дает в результате множество путей, по которым распространяются импульсные волны и, следовательно, приводит в результате к улучшенному моделированию поверхности. Подобным образом предпочтительно использовать больше чем один первый преобразователь 4. В примере фиг. 2 и 3 используются восемь первых преобразователей 4 и восемь вторых преобразователей 5, хотя изобретение не ограничено этими конкретными числами. Преобразователи из множества первых и/или вторых преобразователей предпочтительно равно удалены, хотя это не является обязательным.
На фиг. 2 проиллюстрирована примерная трехмерная модель, тогда как пути, по которым распространяются импульсные волны, проиллюстрированы посредством двухмерной модели фиг. 3. Трехмерная модель 70 по фиг. 2 основана на двухмерной модели 72 по фиг. 3
Модель 70 по фиг. 2 представляет (внешнюю) поверхность трубы, например, трубы 2 по фиг. 1. Ось X и ось Y проходят в плоскости сечения трубчатой модели, тогда как ось Z проходит в продольном направлении. Размеры этого примера предоставлены в метрах (м). Трехмерная модель фиг. 2 фактически является реконструкцией объекта 2 фиг. 1. Трехмерные реконструкции по существу известны в области техники томографии.
Поверхность, смоделированная на фиг. 2, проходит между набором первых преобразователей 4 и набором вторых преобразователей 5. Пути 71 проходят между каждым из первых преобразователей 4 и каждым из вторых преобразователей 5. Времена распространения импульсов вдоль этих путей пропорциональны длинам путей. Путь, который проходит вдоль гладкой прямой поверхности, будет меньше чем путь, пересекающий углубление 6 фиг. 1. Соответственно времена распространения по этим путям будут отличаться, и импульсы будут поступать в разные моменты времени.
Модель будет вычислять времена поступления импульсов вдоль различных путей. Если модель первоначально предполагает, что все пути имеют эквивалентные длины, произойдут расхождения между измеренными временами распространения и вычисленными временами распространения для путей, пересекающих углубление 6. Это расхождение может быть компенсировано коррекцией модели. Начальные значения модели могут быть основаны на измерениях фактического объекта (такого как труба) и/или на теоретических соображениях.
В двухмерном примере фиг. 3 горизонтальная ось проходит вдоль окружности R трубчатой модели, тогда как ось Z проходит в ее продольном направлении. Размеры предоставлены в метрах (м).
Как можно увидеть на фиг. 3, первые преобразователи 4 и вторые преобразователя 5 равно удалены по окружности модели. Импульсы, производимые первыми преобразователями, будут детектированы вторыми преобразователями. Времена поступления, и следовательно, времена распространения будут соответствовать, по меньшей мере, приблизительно наборам путей 71, проходящим между каждым первым преобразователем 4 и вторыми преобразователями 5. Ради ясности чертежа только один такой набор путей 71 показан на фиг. 3.
Как объяснено выше, модель содержит информацию о поверхности (3 на фиг. 1) объекта. Эта информация может содержать набор значений, представляющих (относительную или абсолютную) высоту поверхности в некотором количестве точек. Как проиллюстрировано на фиг. 1 высота поверхности в углублении 6 меньше чем у первого преобразователя 4. Для того чтобы точно смоделировать поверхность требуется большое количество точек поверхности, например, сотни или даже тысячи точек поверхности.
Измеренные времена распространения определяются вычитанием времен передачи импульсов из их времен поступления. Времена передачи типично определяются регистрацией моментов времени, в которые сигнал активации отправляется к первому блоку преобразователя, тогда как времена поступления типично определяются регистрацией моментов времени, в которые детектирующие сигналы принимаются от вторых блоков преобразователей.
Затем вычисленные времена распространения сравниваются с измеренными временами распространения и расхождения регистрируются. Оптимизационная процедура, которая по существу может быть известной, затем используется для оптимизации модели таким образом, что расхождения удаляются. Процедуры Левенберга-Маквардта и Гаусса-Ньютона являются подходящими известными оптимизационными процедурами.
В способе настоящего изобретения предпочтительно используются поверхностные волны. Поверхностные волны имеют преимущество в том, что каждый импульс получает информацию о пути, а не только о точке. Было обнаружено, что волны Рэлея являются очень подходящими поверхностными волнами, так как они придерживаются поверхности. В результате их времена распространения обеспечивают очень точную информацию о структуре поверхности.
Однако направленные волны также являются очень подходящими, в частности, когда требуется не только информация, касающаяся поверхности, но также касающаяся толщины стенки объекта. В частности, используются преимущества дисперсионного поведения направленных волн: учитывая частоту, скорость распространения волн зависит от толщины стенки. Соответственно, любые измеренные изменения скорости указывают на изменения в толщине стенки. Также может быть использовано сочетание волн Рэлея (импульсных) и поверхностных (импульсных) волн.
На фиг. 3 дополнительно показано, что некоторые пути 71 ультразвуковых волн проходят от блока 4 преобразователя прямо к блоку 5 преобразователя, таким образом, выбирая наикратчайший маршрут между блоками преобразователей. Другие пути распространяются вокруг окружности объекта, иногда больше чем на 360°, перед тем как достичь блока 5 преобразователя. На фиг. 3 это проиллюстрировано посредством пути 71', который продолжается как путь 71" и проходит больше чем на 360° вокруг окружности объекта (замечено, что двухмерная модель 72 поверхности по фиг. 3 является представлением трехмерной модели 70 поверхности по фиг. 2, которая представляет по существу цилиндрическую поверхность). Может быть видно, что (непрямой) путь 71" достигает того же блока 5 преобразователя как и (прямой) путь 71: преобразователь 5 принимает ультразвуковые волны от множества путей.
Скорость ультразвуковых волн, распространяющихся по поверхности объекта, зависит от различных факторов, включающих в себя частоту волн, толщину объекта (когда поверхность является поверхностью стенки объекта, скорость зависит от толщины стенки) и конкретных мод волн, таких как симметричные (S) моды и асимметричные (A) моды. На фиг. 4 скорость с (в м/с) представлена как функция произведения (в МГц.мм) частоты f и толщины (стенки) d для различных мод: симметричных мод S0 и S1, асимметричных мод A0 и A1 и сдвиговых мод SH0. Существуют и другие моды, но они являются менее значащими для настоящего изобретения и, следовательно, опущены на фиг. 4.
Может быть видно, что график моды S0, можно сказать, содержит три секции: первая секция приблизительно между f×d=0 и f×d=2 (в настоящем примере), где скорость с является относительно высокой, вторая секция приблизительно между f×d=2 и f×d=3 (в настоящем примере), где скорость уменьшается относительно быстро, и третья секция приблизительно выше f×d=3 (в настоящем примере). Точки, отделяющие эти секции, указаны на фиг. 4 точками BP1 и BP2 перегиба: ниже первой точки BP1 перегиба скорость является относительно высокой (приблизительно 5800 м/с в показанном примере); между точками BP1 и BP2 перегиба скорость уменьшается относительно быстро, и выше второй точки BP2 перегиба скорость является относительно низкой (приблизительно 3000 м/с в показанном примере). Как упоминалось выше, способ предшествующего уровня техники JP 2007-3537 использует частоту у второй точки перегиба или точки BP2 изгиба. Изобретатели настоящего изобретения обнаружили, что этот выбор частоты не подходит для объектов, содержащих жидкости, таких как трубы или сосуды, содержащие нефть или воду, так как на этой частоте слишком высокое затухание, чтобы способ был полезным. Это будет проиллюстрировано со ссылкой на фиг. 5.
Фиг. 5 схематически показывает график моды S0, вместе с графиком затухания α (в дБ/м). Как можно будет увидеть, затухание α во второй точке BP2 перегиба приблизительно равно 75 дБ/м. На практике это означает, что энергия ультразвуковых волн, достигающих блоков 5 преобразователей, будет незначительной, делая их детектирование чрезвычайно сложным или даже невозможным.
В отличие от этого настоящее изобретение предлагает использовать частоту (или частотный диапазон) в или ниже первой точки BP1 перегиба. Из фиг. 5 ясно, что затухание α при такой частоте меньше чем 18 дБ/м, таким образом, обеспечивая улучшение в 57 дБ/м. Соответственно способ и устройство согласно настоящему изобретению может также быть использованы для объектов наполненных жидкостью.
Замечено, что термины "точка перегиба" и "точка изгиба" используются взаимозаменяемо в этом документе. В точном математическом понимании точки BP1 и BP2 перегиба кривой S0 фиг. 5 не являются точками изгиба: показанная кривая S0 имеет единственную точку изгиба, расположенную на полпути между точками BP1 и BP2 перегиба. Эта (математическая) точка изгиба является точкой, где наклон кривой меняется с увлечения к уменьшению. Однако точки BP1 и BP2 перегиба могут быть также названы как "точки изгиба", так как в этих точках перегиба кривая перегибается или сгибается. Фактически кривая S0 показывает максимальную кривизну в этих точках перегиба.
Как может быть видно из фиг. 5, первая точка BP1 перегиба расположена в f×d=2 (МГц.мм). Так как график фиг. 5 основан на толщине d стенки 6 мм, соответствующая частота равна 0,33 МГц = 330 кГц. Таким образом, может быть сказано, что настоящее изобретение (с заданной толщиной стенки в 6мм) использует частоты по большей части приблизительно 330 кГц, например 330 кГц, 300 кГц или 250 кГц, хотя более низкие частоты также могут быть использованы. При использовании таких частот затухание вызванное объектом, наполненным жидкостью, значительно уменьшается.
Для дополнительного улучшения моделирования объекта, может быть использована коррекция формы колебаний волны для коррекции дисперсионных волн. Это схематически проиллюстрировано на фиг. 6A и 6B, где фиг. 6А показывает исходный импульс 81 (толстая линия) и его искаженный дубликат 82 (тонкая линия), тогда как фиг. 6B показывает реконструированный импульс 83.
На фиг. 6А показан импульс 82, который искажен по причине дисперсии: исходное фазовое соотношение импульса потеряно, и импульс расширен во времени в сравнении с оригинальным импульсом 81. Это делает определение времени поступления импульса, а, следовательно, его время распространения менее точным. Это в особенности уместно, когда используются множество путей, как проиллюстрировано на фиг. 3.
Потери точности по причине дисперсии может быть исключена посредством необязательного применения коррекции формы колебаний волны. В международной заявке WO 2008/103036 (TNO) на патент эта коррекция формы колебаний волны (фазовая коррекция) достигается умножением спектра частоты искаженного импульса на коэффициент коррекции частотной области. После коррекции фаза а, следовательно, форма импульса восстанавливается, как проиллюстрировано на фиг. 6B. Эта реставрированная импульсная волна 83 дает возможность точному определению ее времени распространения.
На фиг. 7 проиллюстрировано устройство для моделирования поверхности объекта. Устройство 1 содержит блок 10 обработки (PU), блок 11 памяти, блок 12 передачи (TU) и блок 13 отображения (DU). Блок 10 обработки предпочтительно содержит микропроцессор, выполненный с возможностью исполнения команд программы программного обеспечения, воплощающей способ настоящего изобретения. Блок 11 памяти может хранить эту программу программного обеспечения, так же как параметры модели, включающие в себя набор значений точек поверхности. Блок 13 отображения предпочтительно содержит экран дисплея, выполненный с возможностью отображения модели, в частности реконструкцию типа проиллюстрированного на фиг. 2. Блок 12 передачи выполнен с возможностью создания под контролем блока 10 обработки сигналов передачи импульса, которые подаются к первому преобразователю(ям) 4. В дополнение, блок 12 передачи выполнен с возможностью приема сигналов детектирования импульсов, созданных вторым преобразователем(ми) 5, и подачу подходящей информации детектирования импульсов к блоку 10 обработки.
Блок 12 передачи может быть скомпонован для поддержки беспроводной связи с преобразователями 4 и 5, например, используя радиочастотную (РЧ, RF) связь или инфракрасную связь. Блок 10 обработки может дополнительно быть скомпонован для применения коррекции формы колебаний волны ("восстановление четкости"). Подходящие программные этапы по коррекции формы колебаний волны могут быть сохранены в блоке 11 памяти.
В соответствии с настоящим изобретением блок 12 передачи и блоки 4 и 5 измерительных преобразователей скомпонованы для работы на частоте около или ниже первой точки (BP1 на фиг. 4 и 5) перегиба графика S0.
Будет понятно, что изобретение не ограничено трубами или трубками, а может также быть применено к поверхностям или стенкам других объектов, например (частям) корпусов кораблей, фюзеляжам самолетов, корпусам автомобилей, танковой броне или другим поверхностям или структурам стенок, например, резервуарам для хранения, стержням, стальным мостам и металлическим структурам в строениях.
Настоящее изобретение основано на представлении о том, что частоты около или ниже первой точки перегиба ("первой точки изгиба") кривой моды S0 включают в себя значительно меньше затухание, чем те, которые находятся у второй точки перегиба ("второй точки изгиба") и, следовательно, значительно больше подходящие для измерений. Настоящее изобретение в частности пригодно, но конечно не ограничено, для многонаправленных применений. Другими словами настоящее изобретение может быть также использовано в применениях с одним путем.
Замечено, что любые термины в этом документе не должны быть истолкованы так, чтобы ограничить объем настоящего изобретения. В частности, слова "содержит(ат)" и "содержащий" не нацелены на то, чтобы исключать любые элементы, которые не указаны конкретно. Одиночные элементы могут быть заменены множественными элементами или их эквивалентами.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено вариантами осуществления, проиллюстрированными выше, и что может быть сделано много модификаций и дополнений, не выходя из объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.