Page 83 - 无损检测2022年第十二期

王 珅, 等:

基于柔性阵列压电传感的页岩气管道壁厚监测

率低、 检测成本高、 实时性差、 检测结果受人为因素
1 整体方案
影响等缺点。因此, 亟需研制一套壁厚在线监测系
统, 以代替人工进行长期实时监测。页岩气管道长 基于柔性阵列压电传感的页岩气管道壁厚监测
期监测的难点在于, 管道结构复杂, 空间狭小, 存在 系统如图 1 所示, 主要采用压电超声检测方法, 将柔
曲面、 弯头、 三通、 四通等结构 [ 2 ] , 监测方法需适应复 性阵列传感器布置在页岩气管道待检测部位, 利用
杂结构的检测和安装要求。同时, 冲蚀与腐蚀造成 干耦合剂将传感器与管道之间的空气排出 [ 16 ] , 利用
的壁厚变化区域较大, 严重腐蚀位置难以预测 [ 3 ] , 因 干耦合剂的黏合性, 将传感器固定在管道表面, 从而
此传统单点布局方法难以实现页岩气管道壁厚全覆 实现复杂形貌的大面积、 高精度监测。
盖监测, 极易导致壁厚变化危险点漏检。另外, 页岩 检测时现场多通道壁厚监测主机测量每个测点

气管道的最高工作温度为 100 ℃ , 要求监测传感器 处的壁厚数据, 并将采集到的数据通过无线通信方
具有长期高温稳定性。 式传输到云平台。云平台接收监测数据后对监测信
万正军等 [ 4-6 ] 基于场指纹法, 将测量电极对拓展 号进行综合分析与评估, 并根据各测点历史数据绘
成为测量电极矩阵面, 从而扩大测量范围, 该方法具 制厚度变化曲线。用户客户端通过访问云平台可监
备复杂形貌监测能力, 但需将测量电极焊接在管道 测到管道壁厚实时数据, 并根据云平台的预警提示
上, 会影响管道的寿命及机械性能, 并且在页岩气井 进行相应处理。
场中进 行 焊 接 操 作 也 会 带 来 安 全 隐 患。 刘 海 锋
等 [ 7-9 ] 将多个光纤光栅传感器串联构成传感网络, 提

高缺陷检出率, 但该方法对测量环境条件要求严格,
检测结果易受振动、 温度、 湿度等因素影响。超声传
感方法具有非介入、 精度高等优点, 可应用于管道壁
厚长期在线监测与评价。叶至灵等 [ 10 ] 采用电磁超
声检测方法测量管道壁厚, 无需耦合剂即可实现高
温管道的非接触测量, 但其功耗大、 能量转换率低,
传感器体积和质量大, 无法实现高密集阵列传感布
局。薛建虹等 [ 11-12 ] 采用超声导波方法测量管 道 壁
厚, 其使用的导波杆较长, 测厚准确性易受温度变化
影响, 且安装导波杆所需空间较大, 无法在狭小结构
图 1 基于柔性阵列压电传感的页岩气管道壁厚监测系统
处使用。传统的压电超声检测方法可对管道进行厚
1.1 柔性阵列传感器结构
度监测 [ 13 ] , 但多为单点检测, 而且受限于传感器结
柔性阵列传感器结构如图 2 所示, 传感器内部
构, 传感器及固定工装尺寸较大, 无法安装到复杂结
为常见的夹层结构, 压电晶片置于上下电极之间, 外
构处, 同时也难以形成大面积阵列布局。柔性相控
层分别添加背衬层和匹配层。其中, 压电晶片是传
阵超声传感器具有重量轻、 体积薄、 柔度好的优点,
感器的核心元件, 基于逆压电效应和压电效应工作;
可 以 布 置 于 复 杂 结 构 处, 形 成 高 密 度 传 感 网
上下电极需保持灵活并紧密贴合压电晶片, 以确保
络 [ 14-15 ] , 但现有柔性传感器主要适用于 人工 检 测,
恒定的电子迁移率; 背衬层用来吸收散射到压电元
覆盖面积小, 且不耐高温, 难以满足页岩气管道大面
积监测需求与现场高温工况。
为解决这一问题, 提出了基于柔性阵列压电传
感的页岩气管道壁厚监测方法, 初步设计并制作了
耐高温多通道柔性阵列压电传感系统, 利用提出的
干耦合压电传感方法, 将柔性阵列传感器长期固定
在管道表面; 在此基础上, 结合开发的壁厚数据无线
传输技术和多通道壁厚监测设备, 最终实现页岩气
管道壁厚在线监测。 图 2 柔性阵列传感器结构示意

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2022 年 第 44 卷 第 12 期
无损检测