《Process Safety and Environmental Protection》：Research on Oil Pipeline Gradual Defect Detection System Based on Ultrasonic Guided Wave Acoustic Velocity Sensing
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本文提出一种基于声速传感与约束凸优化模型的新型油管壁厚分布检测方法，通过分析壁厚与群速度的应变关系，建立分布模型，实验验证可有效区分渐进缺陷并定量重建壁厚分布。
王晓岑|史明瑞|周家豪|孙洪志|王高峰|陈一然|吴立群|金硕|傅云坤|安阳|曲志刚
天津科技大学电子信息与自动化学院，中国天津市经济技术开发区第十三街9号，300457
摘要
在原油收集过程中，油管容易发生偏心磨损或缺陷。轻微的缺陷可能导致原油产量减少，而严重的缺陷则可能引发大规模泄漏，造成环境污染和人员伤亡。油管壁厚度的变化表明存在缺陷。然而，目前大多数关于油管缺陷的研究主要集中在局部腐蚀、裂纹和其他边界不连续性缺陷上。传统的缺陷检测技术，如X射线、涡流、磁通量泄漏、超声波相控阵以及配备各种传感器的内部管道检测器，存在安全隐患、成本高昂或检测介质有限的问题。本文提出了一种利用声速传感和约束凸优化模型来检测管道壁厚分布的新方法。本文详细研究了壁厚与群速度之间的应变关系，并分析了其灵敏度，建立了管道壁厚分布模型。实验结果表明，该方法能够对渐进性缺陷进行定性区分。此外，通过求解波速矩阵，还可以定量重建壁厚分布，从而安全便捷地检测渐进性缺陷。
引言
作为现代工业的命脉，石油是国家生存和发展的不可或缺的战略资源。油田生产中的一个突出问题是在抽油作业过程中，抽油杆与油管之间的磨损。由于井筒结构和抽油单元的工作原理，油管、抽油杆和中心器之间的摩擦不可避免。在交变载荷、腐蚀性产出流体和恶劣工作环境的共同作用下，油管经常发生轴向磨损甚至失效。
为了解决油井管道磨损问题，主要油田采取了诸如在杆和油管上安装抗磨损装置、向井中添加防腐剂以及使用耐磨涂层材料等预防措施。然而，这些技术只能减轻油管与杆之间的不均匀磨损并延长使用寿命，无法防止实际生产过程中的管道磨损。因此，油管磨损检测技术对于保障安全生产和降低运营成本具有重要意义。
传统的油管缺陷检测技术包括X射线、涡流（Chu等人，2021年；Santos等人，2023年）、磁通量泄漏（Hao等人，2022年）、超声波相控阵以及配备各种传感器的内部管道检测器（Bernasconi和Giunta，2020年；M. Fu等人，2021年）。X射线、磁通量泄漏、超声波相控阵和配备各种传感器的内部管道检测器可以直观显示缺陷。涡流检测对小缺陷具有较高的灵敏度。然而，这些方法在检测大面积均匀腐蚀、磨损和其他渐进性边界缺陷时存在效率低和成本高的问题。近年来，由于具有远距离和高精度检测能力，超声波导波技术已成为中长距离管道检测的有希望的解决方案。尽管超声波导波在检测管壁缺陷方面具有明显优势，但均匀减薄缺陷却带来了独特挑战。这类缺陷通常沿边界轴呈现平滑的渐进变化，导致反射特性与传统边界不连续性缺陷不同，因此使用超声波导波生成可靠的反射信号变得越来越困难。利用超声波导波技术快速检测渐进性缺陷仍是一个重大挑战。
一些研究人员探索了使用超声波导波检测板状结构中的边界梯度缺陷（Khalili和Cawley，2018年；Zima，2022年；Zima等人，2022年；Zima和Moll，2023年）。此外，还应用了超声波导波信号反演方法来确定导波材料参数，用于快速检测板状结构和细长圆柱体（He等人，2023年；Huthwaite，2014年；Lv等人，2023年；M. Lin和Y. Liu，2021年；Tong等人，2024年；Tong等人，2022年；Tum?ys和Mazeika，2023年；Wang等人，2022b，2022a；Younho，2000年）。然而，上述方法主要针对板状结构，且需要较高的计算资源。
对于管状结构，Morteza等人提出了一种基于高斯过程回归模型的方法，利用超声波导波估计管道和结构元件的最小剩余壁厚（Tabatabaeipour等人，2022年）。该方法在实验数据集中对最小剩余壁厚和换能器之间的缺陷宽度实现了小于1毫米的高精度深度预测。该方法高度依赖数据质量，在高噪声环境中可能表现不佳，导致性能下降和较大的计算开销。Amjad等人使用PZT（锆钛酸铅）换能器激发管道上的L模导波，并应用Hilbert-Huang变换分析信号的时间-频率特性（Amjad等人，2015年）。通过交叉相关飞行时间（TOF）变化和相位偏移，并分离反射信号幅度的影响，他们成功检测并量化了管道缺陷。该方法有效消除了幅度效应，但在信噪比较低的情况下容易受到噪声干扰。此外，该方法的计算复杂性较高。Carandente等人研究了管道内轴对称缺陷的深度变化对扭转模导波散射和反射的影响（Carandente等人，2010年；Carandente和Cawley，2012年）。他们提出了一种基于反射系数的方法来确定渐进性缺陷的最大深度，从而在特定深度误差范围内准确估计此类缺陷。在处理弯曲和裂纹等缺陷时，反射系数的变化可能无法提供足够的信息来准确预测缺陷深度。Howard结合基于Lamb波的B扫描点厚度测量技术和低频导波技术来检测大面积渐进性缺陷（Howard和Cegla，2017年）。通过在管道周围布置换能器阵列激发高频圆周导波并优化换能器间距，该方法能够同时检测两种不同类型的缺陷（宽而浅的缺陷和窄而深的缺陷）。该技术还受到信号干扰、管道表面不规则性和多路径效应等因素的影响，这些因素可能影响检测精度。这在高频信号衰减或复杂结构中尤为明显。
尽管超声波导波检测技术取得了显著进展，但现有研究在渐进性缺陷的高精度检测方面仍存在一些局限性。本文探讨了利用导波声速传感技术检测油管中的渐进性缺陷。所提出的方法提供了一种快速、无损的渐进性缺陷识别方法，特别适用于长距离管道检测。第2节概述了声速感知的原理，并展示了如何将压缩感知理论与约束凸优化方法结合以重建油管的壁厚分布。第3节详细介绍了仿真模型的建立和实验平台的构建，包括带有渐进性缺陷的样本油管。该节还讨论了研究中使用的设备和方法。第4节分析了油管壁厚变化对超声波导波的群速度和相速度的影响，并展示了使用仿真数据重建壁厚分布的结果。本文最后总结了研究结果，并提出了未来工作的潜在方向。
声速传感原理
工业领域常用的超声波检测方法可以根据导波信号的相互作用（如反射、折射、衍射等）进行分类。其中最广泛使用的技术是脉冲回波法。在这种方法中，短脉冲超声波导波被传输到待测材料中，然后分析反射信号以评估材料的内部几何形状和缺陷情况。
有限元仿真模型设置
有限元方法（FEM）用于模拟带有渐进性缺陷的管道中超声波导波的传播，如图3所示。由于本文使用磁致伸缩换能器进行导波激发，并且换能器沿管道轴对称排列，有助于激发轴对称模导波，因此模式选择集中在L模和T模。考虑到T模没有色散，L模更为合适。
速度偏移
管道的外径固定为76毫米，初始内径设为64毫米，其他参数保持不变。本研究的重点在于管道壁厚与L(0,2)模导波的群速度之间的关系。因此，频率范围设定在25千赫至120千赫之间。使用MATLAB计算了管道的纵向模色散曲线，并提取了二阶纵向模数据。
结论
本研究解决了管道中梯度型缺陷的检测问题，提出了一种基于超声波导波速度传感的管道壁厚分布检测新方法。通过理论分析、数值模拟和实验验证，开发了一种新的油管缺陷检测技术，可以有效识别和量化管道中的梯度缺陷。
首先，本研究确立了速度原理
CRediT作者贡献声明
傅云坤：研究工作。
王高峰：研究工作。
陈一然：指导工作。
吴立群：研究工作。
金硕：研究工作。
王晓岑：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、方法论制定、资金筹集。
史明瑞：方法论制定、形式分析。
周家豪：验证工作、数据管理、项目协调、资金筹集。
曲志刚：撰写工作、审稿工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62173246和62373279）和天津市自然科学基金（项目编号25JCQNJC00550）的支持。
