基于阵列式超声波储气井壁厚检测系统的研究.pdf

11山东工业技术 2023 年 第 5 期(总第 313 期）基于阵列式超声波储气井壁厚检测系统的研究（江苏商贸职业学院电子与信息学院，江苏 南通 226000）邓正万，姚 瑶，焦 鹏，孙 颖，周匀茜 摘 要 防止因储气井管道壁变薄而引发的储气井故障和天然气泄漏的风险，且为解决传统方法检测管壁的厚度值精度低、可靠性差，达不到标准而被继续使用，本文设计了基于阵列式的单晶探头超声波来检测储气井井筒壁厚的系统，该系统采用 64 组单晶探头串行激发超声脉冲，并完成 64 通道超声回波数据的采集，通过每个单晶探头的回波数据差异，包括波形的频率、振幅、相位和差异度系数，运用超声波的声束形成算法对波形信息差异进行运算，以获取储气井壁厚结构的缺陷特征参数，包括缺陷状态、缺陷位置、缺陷大小和缺陷角度。阵列式超声板卡，将信息发送给 PC 端的上位机，上位机对管道的状态进行分析、显示、存储和预警。系统实现储气井壁缺陷的自动检测和壁厚精确测量。关键词 储气井；阵列式；超声波；声束形成算法；缺陷 中图分类号 TP212 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）05-0011-05DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.05.002 收稿日期 2022-03-20 基金项目 江苏省自然科学基金资助项目(BK20211332)；江苏省产学研合作项目（BY2020200）。作者简介 邓正万(1981)，男，硕士，江苏商贸职业学院，高级工程师；姚瑶(1990)，女，硕士，江苏商贸职业学院，实验员；焦鹏(1988)，男，硕士，江苏商贸职业学院，助理实验员；孙颖(1997)，女，硕士，江苏商贸职业学院，助教；周匀茜(1989)，女，硕士，江苏商贸职业学院。引 言随着时代的发展，天然气在能源体系中使用占的比重越来越大。而储气井建设都是将储气井竖埋于地下，受地层包裹，安全隐患小，占地面积小，从而储气井储能是目前采用最普遍、最安全的方式。我国的储气井主要分为 177 井筒（井筒 内 径 150.36161.7 mm)和 244 井 筒(井 筒 直216.795224.415 mm)两种规格。由于压缩天然气中残留的水分和硫化物的排污不彻底，使套管壁变薄甚至破损及断裂，随着时间的增加，储气井壁厚越来越薄，当井筒壁厚薄到一定程度，将会出现泄漏等风险。对国民经济造成重大的损失。所以管道的损伤检测问题逐渐引起社会的关注1。目前，普遍是采用便携、非接触的超声波检测仪，通过超声探头接收到信号后存储于检测设备，再通过离线处理算法来进行探伤及壁厚分析。然而，这些超声波信号由于低信噪比和其他干扰信号的混叠使信号处理困难，出现一定程度的错检或漏检，造成管道维修的不及时或不必要的管道更换。此外，对管道的厚度值检测精度低、可靠性差。本文以 Xilinx 公司的 FPGA 系列 XC6SLX16CSG324-2 为核心的处理器，采用 64 组单晶探头串行激发超声脉冲，并完成 64 通道超声回波数据的采集，并采用超声波的声束形成算法对采集到的数据进行分析，设计的阵列式超声波储气井壁厚检测系统，实验结果和计算结果相匹配。12一、系统总体设计方案本 系 统 选 用 Xilinx 公 司 的 FPGA 系 列 XC6SLX16CSG324-2，封装为 CSG324，该器件内能够挂载软核 Microblaze 的资源，方便软硬件系统设计。阵列式超声板卡通过 64 组单晶探头串行激发超声脉冲，并完成 64 通道超声回波数据的1采集（采用 1 个激发电路，64 路通道按时序切换），将采集到的回波数 据通过以太网实时传输到上位机进行显示和处理，实现 177 mm244 mm 管径的壁厚测量。图 1 为系统的总体框图2。图 1 检测系统总体框图二、关键技术指标理论计算1.最大总重复频率计算（1）177 井筒套管可支持的最大重复频率 对 于 177 井 筒 套 管，外 径 为 177.8 mm,内 径 范 围 为 150.36161.7 mm，壁 厚 范 围 为 8.0513.72 mm。水层超声速度为 1400 m/s,井壁超声速度为 5960 m/s，探头楔块延时约为 2 us。井筒壁厚为 8.05 mm,探头完成一次发射接收时间 T=(8.05/5960+14.35/1400+2)*2=27.2 us 井筒壁厚为 13.72 mm,探头完成一次发射接收时间 T:T=(13.72/5960+8.68/1400)*2=21 us 则对于177 井筒 套管，兼容壁厚范围为 8.05-13.72 mm，最大总重复频 F=(1/27.2)*1000000=36765Hz3。（2）244 井筒套管可支持的最大重复频率 对于 244 井筒套管，外径为 244.47 mm,内 径 范 围 为 216.79224.41 m，壁 厚 范 围10.0313.84 mm。水层超声速度为 1400 m/s,井壁超声速度为 5960 m/s，探头楔块延时约为 2 us。井筒壁厚为 10.03 mm,探头完成一次发射接收时间:T=(10.03/5960+45.71/1400+2)*2=72.66 us。井筒壁 厚为 13.84 mm,探 头 完 成一 次 发射 接 收 时 间 T:T=(13.84/5960+41.09/1400)*2=68.34 us，则 对 于 244 井 筒 套 管，兼 容 壁 厚范 围 为 10.0313.84 mm，最 大 总 重 复 频 率 F=(1/72.66)*1000000=13762 Hz。2.网络带宽计算（1）对于 177 井筒套管，最大总重复频率为 36765 Hz，假设采样点数为 256 字节，所需要的网络带宽为 36765*256/1024/1024=8.98 MB/s。（2）对于 244 井筒套管，最大总重复频率为 13762 Hz，假设采样点数为 256 字节，所需要的网络带宽为 13762*256/1024/1024=3.36 MB/s。3.多通道高压模拟电子开关指标 对于 64 通道的串行发射和接收电路，采用多通道高压模拟电子开关进行切换，可以大大简化发射电路和接收电路的器件数量，即使用一个发射电路、一个接收电路和多通道高压模拟电子开关就可以完成 64 通道的串行发射和接收电路功能。对于多通道高压电子开关模块，涉及到的关键参数有频率带宽和切换速度。对于频率带宽的要求，系统选用 5 MHz 中心频率的探头，多通道高压电子开关支持 5 MHz 频率带宽即可。对于切换速度的要求，根据不同规格的 177 和 244 的井筒套管，最大总重复频率分别为 36765 Hz 和 13762 Hz，对应的所属切换速度分别为 27us 和73 us。因此为了同时兼容 177 和 244 井筒套管，切换速度应不低于 27 us4。三、系统硬件设计系统硬件原理框图如上图 2 所示，设计中模拟电路包含 1 个高压发射电路（High Voltage Circuit）、64 通道模拟高压电子开关模块（Analog Switch）、1 个前置放大器（PRE_AMP）、1 个可变增益放大器（VGA），1 个模数转换电路（ADC）及 1 个数模转换电路（DAC）；数字电路包含以基于阵列式超声波储气井壁厚检测系统的研究13山东工业技术 2023 年 第 5 期(总第 313 期）太网电路（Ethernet）,FPGA 主控电路；电源电路包含+5 V,-5 V,+3.3 V 和+1.2 V 电路5。图 2 系统硬件原理框图64 通 道 模 拟 高 压 电 子 开 关 模 块，采 用 HV2903 芯片实现高压模拟开关的功能，该款芯片支持 32 通道切换（通过两片 HV2903 芯片级联完成 64 通道模拟高压的切换），支持的峰值电压为-100 V 至+100 V，频率带宽为 050 MHz,模拟开关时间为 5 us，满足目标技术参数要求。图 3 为高压模拟开关原理图和 PCB。图 3 高压模拟开关 PCBAGNDVSS5V_DIFBAGNDVDD3V3AGNDAGNDTRIG_PULSETRIG_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_GNDD_GNDVDD3V31A1GND22A32Y4VCC51Y6U274LVC2G17VDD3V31A1GND22A32Y4VCC51Y6U374LVC2G17VDD3V31A1GND22A32Y4VCC51Y6U174LVC2G1733RR133RR2HV_DINHV_CLKCLKDIN33RR3HV_LE33RR4HV_CLR33RR533RR7MODESTBYCLRLEHV_STBYHV_MODED_GNDD_GNDD_GND0.1uFC21D_GNDD_GNDD_GND0.1uFC220.1uFC23VSS5V_DIFAVCC5V_DIFAC90.1uF/50VC710uF/10VL26.8uHVCC5VVCC5V_DIFBAGNDVCC5V_DIFBHV_DOUTGNDE6GNDF6GNDG6GNDH6GNDJ6GNDK6GNDE7GNDF7GNDG7GNDH7GNDJ7GNDK7GNDE9GNDF9GNDG9GNDH9GNDJ9GNDK9GNDE10GNDF10GNDG10GNDH10GNDJ10GNDK10GNDE8GNDF8GNDG8GNDH8GNDJ8GNDK81B HV2903GNDE6GNDF6GNDG6GNDH6GNDJ6GNDK6GNDE7GNDF7GNDG7GNDH7GNDJ7GNDK7GNDE9GNDF9GNDG9GNDH9GNDJ9GNDK9GNDE10GNDF10GNDG10GNDH10GNDJ10GNDK10GNDE8GNDF8GNDG8GNDH8GNDJ8GNDK82BHV2903AGNDAGNDAGNDAGND四、系统软件设计本 系 统 选 用 Xilinx 公 司 的 FPGA 系 列 XC6SLX16CSG324-2，FPGA 是整个超声系统的主控核心。根据储气井控制需要，FPGA 内部需要实现激发探头从而发射超声波、采集超声回波信号、ADC 采样控制、非均匀性抽取、接收声束形成算法实现，同时，系统还为搭载其他算法程序预留了参数接口。图 4 为系统 FPGA 主要功能模块框图6。图 4 系统 FPGA 主要功能模块框图五、检测系统实验和结果分析上位机检测平台界面是运用 Visual Studio 开发平台，基于 C#语言开发的 7。这个检测平台可以与超声波板卡通过网络连接。实验使用标称 5 Mhz 14 mm 单晶探头和系统开发的阵列式超声板卡，以水为耦合介质，在超声波采用水浸法测试时，探头接触面与目标物之间的距离，也就是水层厚度，对测试结果影响很大，根据探头、介质和目标物参数进行计算和多次试验，本设计选择水层厚度为 23 mm，本实验在既定的测试环境下，观察系统在高重复频率下，对储气井的井筒壁厚实际检出效果8，图 5 为本系统的实验场景。图 5 实验场景 管径为 177 mm 管径14图6在重复频率100 Hz,高压50 V，脉冲宽度 150 ns下，标准壁厚为 12 mm，水层为 23 mm 接收的回波信号 图 7 在重复频率 10000 Hz,高压 50 V，脉冲宽度150 ns 下，接收的回波信号从图 6、图 7、图 8 可以看出，在 50 V 的高压和脉冲宽度 150 ns 下，重复频率从 100 Hz，10000 Hz，20000 Hz 变化，单晶探头都能够检测到 177 井筒壁的第一次、第二次和第三处回波信号。因此，板卡总重复频率在 020000 Hz 范围内是可以支持储气井壁厚的精确测量，符合设计要求。图 8 在重复频率 20000 Hz,高压 50 V，脉冲宽度 150 ns 下，接收的回波信号六、结论针对目前储气井井壁缺陷检测方法的不足，本系统对检测方案的探头模块、硬件和软件进行了巧妙的设计。通过 64 组单晶探头串行激发超声脉冲，并完成 64 通道超声回波数据的采集（采用 1 个激发电路，64 路通道按时序切换）。对储气井的井筒进行全面而精确的壁厚检测。为了验证系统的可行性，进行了相关的实验测试，并对实验结果进行了分析、验证，通过实验研究证明了本系统方案的准确、可靠，定能够在储气井检测中得到广泛的应用。参考文献1 夏健,丁升,王亮.储气井定期检验方法及安全管理探讨 J.化工装备技术,2019,40(6):31-33.2 李卞俊，杨录多通道超声探伤总控系统的研究与设计 J山西电子技术，2016（1）：8384,91.3 胡珊琦.水浸相控阵超声波探伤系统的设计 D深圳大学,2018.4 徐业洲.超声波台风测速仪的设计与实现 D电子科技大学,2018.5 陈育滔新型超声阵列钢轨探伤电路系统研究与设计 D华南理工大学，2014 6 陈志飞基于 FPGA 的超声相控阵控制系统研究 D安徽理工大学，2018 7 周岚多线程在 WinForm 窗体开发中的应用研究 J软件工程，2017，20(03)：21-238 华陈权,郭天凯,陈元航,刘纪晨.基于超声的分布式管道壁厚远程监测实验系统 J实验室研究与探索，2021,40(10):61-66.基于阵列式超声波储气井壁厚检测系统的研究15山东工业技术 2023 年 第 5 期(总第 313 期）Research on the Wall Thickness Measurement System of Gas Storage Wells Based on Array UltrasonicDENG Zheng-wan,YAO Yao,JIAO Peng,SUN Ying,ZHOU Yun-qian（College of Electronics and Information,Jiangsu Vocational College of Business,Nantong 226000,China）Abstract:To prevent the failure of gas storage well and the risk of natural gas leakage caused by the thinning of the pipe wall of the gas storage well,and to solve the problem of low accuracy,poor reliability and failure to meet the standard of the thickness value of the traditional method of detecting the pipe wall.This paper designs a system based on array single crystal probe ultrasonic to detect the wall thickness of gas storage well.The system uses 64 sets of single crystal probes to stimulate ultrasonic pulse in series,and completes the collection of 64 channel ultrasonic echo data,Through the difference of echo data of each single crystal probe,including the frequency,amplitude,phase and difference coefficient of the waveform,the ultrasonic beam forming algorithm is used to calculate the difference of waveform information,so as to obtain the defect characteristic parameters of gas storage well wall thickness structure,including defect state,defect position,defect size and defect angle.The array ultrasonic board sends the information to the PCs upper computer,which analyzes,displays,stores and alerts the pipelines shape.The system realizes automatic detection of gas well wall defects and accurate measurement of wall thickness.Key Words:gas storage well,array,ultrasonic,acoustic beam-forming algorithm,defec