專利名稱：具有雙螺旋電磁聲換能器傳感器陣列的管線檢查工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及經(jīng)設(shè)計(jì)以檢測(cè)管道、管路和管線中的異常的檢查工具，且具體涉 及采用漏磁通量檢測(cè)技術(shù)的在線檢查工具。
背景技術(shù)：
許多安裝好的管線可使用漏磁通量(MFL)技術(shù)來檢查，主要用于識(shí)別金屬損失異 常的目的。漏磁通量已顯現(xiàn)出當(dāng)金屬損失異常的主軸和場(chǎng)角變化時(shí)以可預(yù)測(cè)的方式響應(yīng)于 管線的壁中的異常。實(shí)驗(yàn)和建模結(jié)果兩者已用于確認(rèn)此作用，其也在文獻(xiàn)中廣泛描述。部分由于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和磁路設(shè)計(jì)強(qiáng)加的限制，大多數(shù)在線檢查工具已采 用軸向定向磁化器(參見例如史監(jiān)夫(Schempf)等人的第6，820，653號(hào)美國(guó)專利)。然而， 當(dāng)前的軸向場(chǎng)磁化器設(shè)計(jì)使得極端窄的軸向特征的識(shí)別和量化較困難，或在某些情況下不 可能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這些特征類別，在圓周或橫向方向上使用磁場(chǎng)的解決方案在過去的十年中 已由管線檢查提供者在市場(chǎng)上銷售且投入使用。然而，由于物理學(xué)的約束，這些橫向磁通量 檢查(TFI)工具的性能和準(zhǔn)確性大體上小于用于一般金屬損失異常的軸向場(chǎng)工具的性能 和準(zhǔn)確性。另外，這些TFI工具通常需要至少兩個(gè)磁化器組合件以便實(shí)現(xiàn)充足的覆蓋，從而 使得將這些并入現(xiàn)存的軸向MFL工具中不切實(shí)際或較困難。對(duì)于可能具有極端窄的金屬損失特征或某些類別的縫焊異常的那些管線，標(biāo)準(zhǔn)軸 向場(chǎng)工具并不提供充足的檢測(cè)和量化能力。在這些情況下，對(duì)于基于MFL的工具，使用TFI 工具執(zhí)行初始或補(bǔ)充的調(diào)查。雖然TFI工具可能能夠檢測(cè)極端窄的異常和某些縫焊異常， 但其也檢測(cè)管線中通常發(fā)現(xiàn)的所有其余的體積金屬損失特征，從而使識(shí)別目標(biāo)性異常類別 的過程復(fù)雜化。最早的TFI布置中的一者在克勞奇(Crouch)等人的第3，483，466號(hào)美國(guó)專利中 描述。Crouch揭示了一對(duì)彼此垂直布置的電磁體，其中例如磁力計(jì)或探查線圈等檢測(cè)器定 位于磁體的每一側(cè)上。除了使用永久磁體和霍爾裝置(hall device)型傳感器以外，Crouch 的布置仍然是大多數(shù)現(xiàn)代實(shí)施方案的基礎(chǔ)。另外，一些設(shè)計(jì)涉及分段或個(gè)別的離散磁體，其 在大多數(shù)情況下保持橫向或圓周場(chǎng)方向。舉例來說，維爾斯(Wiers)等人的第3，786，684 號(hào)美國(guó)專利揭示了以相對(duì)于管軸傾斜的陣列的形式布置的個(gè)別磁體，其中每一陣列的場(chǎng)與 其它陣列的場(chǎng)垂直。然而，此布置將場(chǎng)限于每一個(gè)別磁體的磁極之間的區(qū)段和區(qū)域。此外， Wiers型實(shí)施方案所需的短磁極間距減少了磁路的長(zhǎng)度，進(jìn)而促使工具經(jīng)受速率效應(yīng)，且還 遮蔽焊縫、凹口或其它異常處的數(shù)據(jù)質(zhì)量、使其失真或降級(jí)。
其它設(shè)計(jì)涉及精密復(fù)雜的幾何形狀、多個(gè)磁化器區(qū)段以及精密機(jī)械布置，例如經(jīng) 設(shè)計(jì)以引起磁化器區(qū)段的盤旋或螺旋運(yùn)動(dòng)的螺旋驅(qū)動(dòng)器、齒輪和輪。舉例來說，韋尼克 (Wernicke)的第5，565，633號(hào)美國(guó)專利揭示一種機(jī)械上復(fù)雜的裝置，其用于與具有兩個(gè)或 兩個(gè)以上磁路的磁化器區(qū)段和大量感測(cè)單元一起使用。在一個(gè)實(shí)施例中，磁塊以螺旋定位 的平行磁極來布置。在另一實(shí)施例中，磁塊為軸向移位的扭絞磁極對(duì)。兩個(gè)實(shí)施例均需要 機(jī)械上引起的旋轉(zhuǎn)，以便實(shí)現(xiàn)內(nèi)部管面的完全覆蓋。類似于Wernicke，拉馬特(Ramuat)的 第6，100, 684號(hào)美國(guó)專利揭示大體上橫向場(chǎng)磁化布置，其涉及多個(gè)磁化器區(qū)段和一復(fù)雜輪 布置以引起區(qū)段的螺旋運(yùn)動(dòng)且實(shí)現(xiàn)管壁的重疊或完全覆蓋。湯普森(Thompson)等人的第 7 ，548，059號(hào)美國(guó)專利包含兩個(gè)滑塊(磁極)，其并入有固定磁體，所述磁體以緊密間隔成 對(duì)布置以產(chǎn)生圍繞管呈螺旋形的標(biāo)稱橫向場(chǎng)。此工具(其包含多種移動(dòng)部件，例如支撐鋼 筋束、滑輪和彈簧)需要許多增加的復(fù)雜性，以便足夠靈活以適應(yīng)管線中的彎曲。此外，此 布置中的磁體在兩個(gè)平行磁極之間引起場(chǎng)，從而在個(gè)別離散磁塊的磁極之間形成單個(gè)閉合 回路。類似于Thompson等人，現(xiàn)有技術(shù)中使用的磁體描述為塊，其中不參考用于磁塊的 易適應(yīng)或順應(yīng)的上部表面。針對(duì)磁路使用剛性接觸布置因?yàn)樵诎伎谔幓蜓刂缚p和管線內(nèi) 可能存在的其它故障(upset)在磁場(chǎng)路徑中引入氣隙或可變磁阻區(qū)域而使數(shù)據(jù)質(zhì)量降級(jí)。 對(duì)于某些類別的特征，在周圍場(chǎng)中產(chǎn)生的干擾遮蔽由于所關(guān)注特征而存在的通量泄漏信號(hào) 或另外使其失真。凹口和焊縫區(qū)域內(nèi)存在的任何磁異常由于其在這些區(qū)域內(nèi)的存在而具有 較大的重要性，且因此表示其中數(shù)據(jù)質(zhì)量較關(guān)鍵的區(qū)域。另外，現(xiàn)有技術(shù)需要使用與管壁表面呈緊密接觸布置的大量磁極或表面。此布置 可導(dǎo)致磁化器組合件經(jīng)歷對(duì)運(yùn)動(dòng)的極端高的摩擦力或阻力，進(jìn)而抑制或防止其在需要較低 摩擦的應(yīng)用中的使用。如已經(jīng)論述，管線操作者當(dāng)前能夠使用漏磁通量(MFL)技術(shù)檢查許多安裝好的管 線，主要用于識(shí)別金屬損失異常的目的。然而，對(duì)于某些類別的異常，在MFL技術(shù)中使用的 當(dāng)前軸向場(chǎng)磁化器設(shè)計(jì)使得極端窄的裂縫或類似裂縫的軸向特征的檢測(cè)和量化較困難，或 在一些情況下不可能。為了實(shí)現(xiàn)這些特征的檢測(cè)和量化，已經(jīng)研究或采用了利用聲(超聲) 波的替代技術(shù)。這些聲波通常由外部壓電換能器或電磁聲換能器(EMAT)產(chǎn)生。EMAT實(shí)施方案通常是兩種基本類型中的一者洛倫茲(Lorentz)和磁致伸縮 (magnetostrictive) 0兩種類型均需要存在外部磁偏置場(chǎng)。在洛倫茲型EMAT中，磁偏置場(chǎng) 垂直于管壁且與管壁中的渦電流感應(yīng)路徑或應(yīng)變交互。磁致伸縮型EMAT使用在管壁平面 中、軸向或圓周的且與磁感應(yīng)應(yīng)變交互的磁偏置場(chǎng)。在非破壞性測(cè)試工業(yè)中，眾所周知，鋼中的磁致伸縮當(dāng)磁偏置場(chǎng)相對(duì)于EMAT的傳 感器線圈導(dǎo)體成一角度時(shí)更有效地產(chǎn)生剪切水平(SH)聲波。此結(jié)果已由發(fā)明人在根據(jù)本 文揭示的本發(fā)明的EMAT傳感器陣列的初始開發(fā)期間驗(yàn)證。在研究期間發(fā)現(xiàn)，加工為測(cè)試板 的缺口中的若干者不可使用軸向定向磁偏置場(chǎng)來檢測(cè)。使磁偏置場(chǎng)角相對(duì)于行進(jìn)軸和EMAT 傳感器旋轉(zhuǎn)提供了所測(cè)得信號(hào)的近似20分貝的增加。此布置產(chǎn)生與電子噪聲相比大得多 的信號(hào)響應(yīng)，從而導(dǎo)致高于相對(duì)均勻的基線的不同裂縫指示。因此，使用與磁場(chǎng)成角度設(shè)定的EMAT傳感器線圈的SH波應(yīng)用通常優(yōu)于其中場(chǎng)平 面線平行于傳感器線圈導(dǎo)體的應(yīng)用(例如參見轉(zhuǎn)讓給瑞士羅森公司(Rosen Swiss AG)的第10/2007/0058043號(hào)德國(guó)專利申請(qǐng)公開案)。應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的檢測(cè)和量化是此技 術(shù)所針對(duì)的主要類型的異常之一。除了通常軸向定向的SCC以外，圓周定向的周圍焊縫已 經(jīng)知道展現(xiàn)出裂縫狀特征。因此，為了使EMAT系統(tǒng)全局有效，需要一種容易適于檢測(cè)軸向 和圓周定向特征兩者的方法。現(xiàn)有技術(shù)在線檢查工具使用永久磁體的環(huán)形陣列在平行于管的軸的方向上將管 磁化。為了獲得磁偏置場(chǎng)與傳感器線圈之間的有益角度，朝向管軸旋轉(zhuǎn)傳感器線圈(例如 參見艾勒斯(Alers)等人的第CA 2，592，094號(hào)加拿大專利申請(qǐng)案)。SH波以此相同角度 撞擊在軸向定向的SCC的平面上。因此，來自SCC的SH波反射僅由相對(duì)于發(fā)射器線圈橫向 定位且朝向發(fā)射器線圈旋轉(zhuǎn)的接收器傳感器線圈有效檢測(cè)。而且，用于檢測(cè)涂層脫離的衰 減測(cè)量使用與發(fā)射器線圈對(duì)角定位且朝向發(fā)射器線圈旋轉(zhuǎn)的接收器線圈。這些衰減接收器 線圈圓周移位以使得其與所發(fā)射的波成一直線。所接收的信號(hào)振幅的明顯增加是涂層脫離 的指示。因此，需要一種EMAT工具，其提供內(nèi)部管壁表面的完全覆蓋而無需機(jī)械上復(fù)雜的 結(jié)構(gòu)，且產(chǎn)生可與EMAT傳感器一起使用以檢測(cè)軸向或圓周定向的體積特征和涂層脫離的 場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種用于檢查管狀部件的內(nèi)壁的傳感器陣列，其能夠提 供內(nèi)部管壁表面的完全覆蓋而無需機(jī)械上復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且產(chǎn)生可與EMAT傳感器一起使用 以檢測(cè)軸向或圓周定向的體積特征和涂層脫離的場(chǎng)。根據(jù)本發(fā)明的用于檢查管狀部件的內(nèi)壁的傳感器陣列包括第一和第二組傳感器 線圈，所述第一和第二組傳感器線圈各自包含第一和第二對(duì)接收器線圈和發(fā)射器線圈；所 述發(fā)射器線圈以及所述第一和第二對(duì)接收器線圈各自彼此平行布置且共享共同的中心線， 所述發(fā)射器線圈位于所述第一與第二對(duì)接收器線圈之間；其中所述共同中心線相對(duì)于上面 安裝每一所述組傳感器線圈的檢查工具的中心縱軸以角Y定向；所述檢查工具具有相對(duì) 于所述檢查工具的所述中心縱軸傾斜布置的至少兩個(gè)磁極；且所述第一和第二組傳感器線 圈各自位于所述檢查工具的外部表面上，且位于所述至少兩個(gè)磁極的相對(duì)邊緣之間并距所 述相對(duì)邊緣大體上等距。其中，所述角、經(jīng)選擇以使得所述共同中心線相對(duì)于所述至少兩個(gè)磁極中的每 一磁極的中心縱軸傾斜。其中，所述角Y經(jīng)選擇以使得所述共同中心線大體上平行于所述管線工具的所 述中心縱軸。其中，所述角Y為約90°。此外，所述第一和第二線圈傳感器組彼此間隔開約180°。此外，所述第一傳感器線圈組的一部分和所述第二傳感器線圈組的一部分位于所 述檢查工具的共同圓周帶內(nèi)。另外，所述第一傳感器線圈組中的所述發(fā)射器線圈的一部分在垂直于所述檢查工 具的所述中心縱軸的方向上從所述發(fā)射器線圈的一部分偏移。所述第一和第二傳感器線圈組中的至少一者中的所述發(fā)射器線圈發(fā)射信號(hào)，所述信號(hào)由正由所述檢查工具檢查的管狀部件的壁表面反射。并且，所述信號(hào)在所述發(fā)射器線圈發(fā)射第二信號(hào)之前圍繞所述管狀部件的圓周行 進(jìn)預(yù)定次數(shù)。進(jìn)一步地，所述第一和第二對(duì)接收器線圈中的至少一者對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行取樣。此外，所述第一和第二對(duì)接收器線圈中的至少一者對(duì)所述所反射信號(hào)進(jìn)行取樣。其中，所述所反射信號(hào)是經(jīng)規(guī)格化信號(hào)。 并且，所述取樣以預(yù)定取樣時(shí)間間隔發(fā)生。進(jìn)一步地，所述信號(hào)在所述第一和所述第二接收器線圈中的至少一者對(duì)所述所反 射信號(hào)進(jìn)行取樣之前圍繞所述管狀部件的圓周行進(jìn)預(yù)定次數(shù)。此外，所述取樣在目標(biāo)性取樣區(qū)域內(nèi)發(fā)生，所述目標(biāo)性取樣區(qū)域在第一接收器線 圈與越過第二接收器線圈的預(yù)定距離“D”之間延伸。此外，發(fā)射器線圈發(fā)射的所述信號(hào)不遮蔽所述第一和第二對(duì)接收器線圈對(duì)所述所 反射信號(hào)的檢測(cè)。另外，該傳感器陣列進(jìn)一步包括所述第一和第二對(duì)接收器線圈各自包含RD接收 器線圈和RA接收器線圈。此外，該傳感器陣列進(jìn)一步包括所述第一和第二對(duì)接收器線圈中的至少一個(gè)接收 器線圈是選通接收器線圈。另外，該傳感器陣列進(jìn)一步包括每一所述第一和第二對(duì)接收器線圈中的至少一個(gè) 接收器線圈是校準(zhǔn)線圈。另外，該傳感器陣列進(jìn)一步包括所述第一和第二傳感器線圈組中的至少一者能夠 檢測(cè)軸向定向的壁異常和圓周定向的壁異常中的至少一者。通過本發(fā)明，能夠使得用于檢查管狀部件的內(nèi)壁的傳感器陣列提供內(nèi)部管壁表面 的完全覆蓋而無需機(jī)械上復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且可以產(chǎn)生可與EMAT傳感器一起使用以檢測(cè)軸 向或圓周定向的體積特征和涂層脫離的場(chǎng)。并且，本發(fā)明還能夠達(dá)到以下有益效果對(duì)小缺 陷的改進(jìn)的敏感性，即信號(hào)振幅的高達(dá)20db的增加；RF脈沖發(fā)生器功率要求的實(shí)質(zhì)降低； 完全的圓周檢查覆蓋，從而降低錯(cuò)過裂縫的概率；使用最靠近發(fā)射器線圈的接收器線圈對(duì) 所發(fā)射信號(hào)的自校準(zhǔn)；以及由周圍的聲環(huán)引起的發(fā)射器線圈之間的較少干擾。


圖1是軸向定向磁化器設(shè)計(jì)的等距視圖。磁場(chǎng)的方向相對(duì)于管的縱軸為圓周或橫 向的。圖2是根據(jù)本發(fā)明的利用螺旋磁極設(shè)計(jì)的傾斜磁化器組合件的實(shí)施例的等距視 圖。磁極旋轉(zhuǎn)或呈螺旋形約30°，且包含柔性或順應(yīng)的上部表面。圖3是傾斜磁化器組合件的另一實(shí)施例的視圖，其中磁極旋轉(zhuǎn)約60°。圖4是傾斜磁化器組合件的又一實(shí)施例的視圖，其中磁極旋轉(zhuǎn)約90°。圖5是傾斜磁化器組合件的再一實(shí)施例的視圖，其中磁極旋轉(zhuǎn)約120°。圖6是傾斜磁化器組合件的又一實(shí)施例的視圖，其中磁極旋轉(zhuǎn)約150°。圖7是傾斜磁化器組合件的另一實(shí)施例的端視圖，其說明呈螺旋形或旋轉(zhuǎn)的磁極 的兩個(gè)末端之間的關(guān)系。在此實(shí)例中，磁極旋轉(zhuǎn)約135°。每一磁極的順應(yīng)的上部表面包含硬毛或刷子型表面。圖8說明來自傾斜磁化器布置的場(chǎng)結(jié)果。場(chǎng)方向相對(duì)于管的縱軸為對(duì)角或傾斜 的。圖9是傾斜磁化器組合 件的實(shí)施例的視圖，其包含從磁化器的一端到另一端安裝 的螺旋傳感器陣列，從而提供內(nèi)部管壁表面的完全覆蓋且并入有一定程度的重疊以適應(yīng)可 能發(fā)生的任何工具旋轉(zhuǎn)。圖10是封閉于管區(qū)段中的圖8的傾斜磁化器組合件的視圖。圖11是包含傾斜磁化器組合件、軸向磁化器和變形感測(cè)區(qū)段的在線檢查工具的 視圖。圖12示意說明包含位于兩個(gè)傾斜定向磁極之間的兩排或兩組EMAT傳感器線圈的 傳感器陣列的一側(cè)。每一傳感器線圈組包含兩對(duì)接收器線圈和位于所述對(duì)接收器線圈之間 的發(fā)射器線圈。所述組垂直于所述在線檢查工具的中心縱軸(且因此垂直于正在檢查的管 狀部件的中心縱軸)對(duì)準(zhǔn)，且組中的每一線圈與組中的其它線圈共享共同的中心線。圖13是如應(yīng)用于24英寸直徑管狀部件的具有圖12的EMAT傳感器線圈布置的傳 感器陣列的一側(cè)的視圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明制作的管線檢查工具包含圍繞工具主體的外部表面布置且相對(duì)于工 具主體的中心縱軸傾斜定向的至少兩個(gè)磁極。傳感器陣列提供于兩個(gè)磁極的相對(duì)邊緣之 間。傳感器陣列包含相對(duì)于工具主體的縱軸以不同于磁極的角度定向的一排或一組傳感器 線圈。因此，傳感器陣列相對(duì)于由磁極產(chǎn)生的磁偏置場(chǎng)成一角度。磁極和傳感器陣列可各 自延伸工具主體的長(zhǎng)度且具有大體的螺旋形狀。優(yōu)選地，傳感器線圈組垂直于工具主體的 縱軸，但依據(jù)待檢測(cè)的異常的類型而可平行于工具主體的縱軸布置。每一傳感器線圈組可位于與對(duì)應(yīng)的傳感器線圈組相對(duì)180°處，其中相對(duì)傳感器 線圈組的一部分包含于工具的共同圓周帶內(nèi)。位于工具主體的同一側(cè)上的傳感器線圈組彼 此偏移，大體上均勻間隔開且距傾斜定向的磁極的相對(duì)邊緣等距。每一組傳感器線圈包含 至少一個(gè)發(fā)射器線圈和至少兩對(duì)相對(duì)的接收器線圈。每一對(duì)中的一個(gè)接收器線圈可為RD 接收器線圈且另一接收器線圈可為RA接收器線圈。因?yàn)閭鞲衅骶€圈組相對(duì)于磁偏置場(chǎng)旋 轉(zhuǎn)，所以接收器線圈與發(fā)射器線圈成一直線且具有與發(fā)射器線圈相同的角定向。換句話說， 接收器線圈平行于發(fā)射器線圈定向，且不需要相對(duì)于發(fā)射器線圈對(duì)角移位或旋轉(zhuǎn)。發(fā)射器線圈發(fā)射音調(diào)突發(fā)或信號(hào)，其撞擊在正在檢測(cè)的管狀部件的壁上且行進(jìn)返 回到接收器。接收器線圈相對(duì)于發(fā)射器線圈間隔，使得發(fā)射器線圈發(fā)射的信號(hào)不遮蔽接收 器線圈對(duì)所反射信號(hào)的檢測(cè)。每一接收器線圈經(jīng)選通以在目標(biāo)性取樣區(qū)域內(nèi)接收可經(jīng)規(guī)格 化的這些所反射信號(hào)，且檢測(cè)管狀部件中的異常。發(fā)射器可隨后在第一信號(hào)已圍繞管狀部 件的圓周行進(jìn)預(yù)定次數(shù)之后發(fā)射第二信號(hào)。依據(jù)傳感器線圈組相對(duì)于傾斜定向磁體的定 向，傳感器陣列能夠檢測(cè)軸向和圓周方向兩者上的壁異常。本發(fā)明的一目的是提供一種漏磁通量(MFL)工具，其響應(yīng)于能夠產(chǎn)生漏磁通量信 號(hào)的廣范圍的異常。本發(fā)明的另一目的是提供一種MFL工具，其能夠使用單個(gè)磁化器對(duì) 內(nèi)部管壁進(jìn)行360°覆蓋而無需多個(gè)磁化器區(qū)段、磁化器或者傳感器或區(qū)段之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱軸向定向特征的檢測(cè)。本發(fā)明的另一目的是提供一種具有EMAT陣列的MFL 工具，其降低了錯(cuò)過管壁中的裂縫的概率且具有對(duì)小缺陷的改進(jìn)的敏感性，即信號(hào)振幅達(dá) 20db的增加。本發(fā)明的又一目的是提供一種EMAT陣列，其需要RF脈沖發(fā)生器功率要求的 實(shí)質(zhì)降低。本發(fā)明的再一目的是提供一種EMAT陣列，其包含使用最靠近發(fā)射器線圈的接收 器線圈對(duì)所發(fā)射信號(hào)的自校準(zhǔn)。本發(fā)明的另一目的是提供一種EMAT陣列，其經(jīng)歷由周圍的 聲環(huán)引起的發(fā)射器之間的較少干擾。 現(xiàn)在將通過參考圖式和圖式中說明的以下元件來描述根據(jù)本發(fā)明制作的漏磁通 量(MFL)工具的優(yōu)選實(shí)施例10在線檢查工具65 61的第二端20 MFL工具/傾斜磁化器67 61的縱向中心線21圓柱形工具主體69順應(yīng)的上部表面23 21的第一端71 刷子25 21的第二端80 磁場(chǎng)27 21的縱軸81 場(chǎng)80的磁通量路徑31 徑向圓盤90傳感器陣列40磁路91 90的第一端41 磁極93 90的第二端43 41的第一端94 95、97和98的傳感器線圈排或組45 41的第二端95發(fā)射器線圈47 41的縱向中心線96 95產(chǎn)生的剪切水平波49順應(yīng)的上部表面97 RD接收器線圈51刷子98 RA接收器線圈61磁極99傳感器線圈組94的中心軸63 61的第一端100軸向磁化器110變形感測(cè)區(qū)段首先參看圖1，北磁極41和南磁極61在圓柱形工具主體21上彼此相對(duì)約180° 布置，使得每一磁極41、61的相應(yīng)縱向中心線47、67平行于圓柱形工具主體21的縱向中心 線27 (且因此平行于正在檢查的管的中心縱軸)。雖然磁極41、61與現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方案不 同之處在于例如每一磁極41、61沿著圓柱形主體21的整個(gè)長(zhǎng)度延伸，但其如此處說明的軸 向定向是現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方案的典型。以此方式布置，磁極41、61產(chǎn)生相對(duì)于管壁的圓周或 橫向磁場(chǎng)，如磁通量路徑81所說明，且需要多個(gè)磁化器區(qū)段來提供管的內(nèi)壁表面的完全覆
至
ΓΤΠ ο現(xiàn)在參看圖2到圖6，根據(jù)本發(fā)明的傾斜磁化器組合件20包含磁路40，磁路40具 有在圓柱形工具主體21上彼此相對(duì)約180°布置的兩個(gè)螺旋磁極41、61。每一磁極41、61 在圓柱形工具主體21的第一端23與第二端25之間延伸。也可采用額外對(duì)的螺旋磁極41、 61，其中每一螺旋磁極41或61在圓柱形工具主體21的末端23、25之間延伸，且與其鄰近 且相對(duì)的磁極61、41間隔360° /η( “η”等于所采用的磁極41、61的數(shù)目)。磁極41、61 優(yōu)選分別具有柔性或順應(yīng)的上部表面49、69，其幫助減少摩擦力且最小化在傾斜磁化器組合件20行進(jìn)穿過管內(nèi)部時(shí)的速率效應(yīng)。順應(yīng)的上部表面49、69還允許磁化器組合件20壓 縮足夠的量以便通過管中的可能原本使磁化器組合件20損壞或使其通過減慢或阻礙其通 過的內(nèi)部障礙、彎曲和縮減。磁極41、61的旋轉(zhuǎn)量取決于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部管壁表面的完全覆蓋所需的旋轉(zhuǎn)量。經(jīng)過從 圖2到圖6的序列，磁極41、61各自以遞增量旋轉(zhuǎn)或呈螺旋形，以實(shí)現(xiàn)約150度的標(biāo)稱旋轉(zhuǎn) (如圖6說明)。在旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁極41、61的第二端45、65相對(duì)于其相應(yīng)的第一端43、63偏移 預(yù)定角度或量α (見圖7)。由于此旋轉(zhuǎn)量α的緣故，每一螺旋磁極41、61的相應(yīng)縱向中心 線47、67不平行于圓柱形工具主體21的中心縱軸27。磁極41、61的旋轉(zhuǎn)還幫助引起在磁 化器組合件20行進(jìn)通過管內(nèi)部時(shí)其充足量的旋轉(zhuǎn)。圖8說明從傾斜磁化器組合件20的原型產(chǎn)生的磁場(chǎng)80，所述傾斜磁化器組合件 20類似于圖2到圖6的旋轉(zhuǎn)序列中所示的磁化器組合件20而配置。不同于現(xiàn)有技術(shù)在線 檢查工具，磁場(chǎng)80的方向相對(duì)于管軸成對(duì)角或傾斜而不是圓周或橫向的，其中磁通量路徑 81從磁極41、61發(fā)射且在相反方向上行進(jìn)而到達(dá)對(duì)應(yīng)的磁極61、41。每一磁極41、61產(chǎn)生 的磁通量線81經(jīng)導(dǎo)引到最少阻力的路徑進(jìn)入管壁且朝向鄰近的磁極61、41。磁場(chǎng)80的 角大體上垂直于由磁極41、61形成的通量線81且大體上平行于形成磁極41、61之間的最 短距離的線。 磁極41、61的范圍內(nèi)的磁場(chǎng)80的方向可相對(duì)于管軸從30度到60度變動(dòng)。現(xiàn)在參看圖9和圖10，傾斜磁化器組合件20可包含螺旋傳感器陣列90，其大體上 等距位于旋轉(zhuǎn)磁極41、61之間且經(jīng)布置以提供管P的內(nèi)壁表面W的完全覆蓋且適應(yīng)可能發(fā) 生的磁化器組合件20的任何旋轉(zhuǎn)。傳感器陣列90中的個(gè)別傳感器可為用于檢測(cè)漏磁通信 號(hào)的技術(shù)中眾所周知的種類。傳感器陣列90優(yōu)選在圓柱形主體21的第一端23與第二端 25之間(且因此在磁極41、61的相應(yīng)末端43、45與63、65之間)延伸，且并入有傳感器陣 列90的第一端91與第二端93之間的某一程度的重疊Δ。磁極41、61的順應(yīng)的上部表面 49、69(見例如圖6)可呈刷子51、71的形式。徑向圓盤31Α和31Β幫助在磁化器組合件20 在不同壓力下在管P中向前移動(dòng)時(shí)推進(jìn)磁化器組合件20且使其居中。傾斜磁化器組合件20的最終配置可包含數(shù)據(jù)集的任何當(dāng)前組合，包含(但不限 于)變形、高級(jí)軸向MFL、內(nèi)部/外部區(qū)分、用于測(cè)繪的慣性數(shù)據(jù)和低級(jí)或殘余MFL。在并入 有傾斜磁化器組合件20的在線檢查工具10的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，工具10包含軸向磁化器 100和變形感測(cè)區(qū)段110 (見圖11)?，F(xiàn)在參看圖12和圖13，傳感器陣列90包含電磁聲換能器(EMAT)傳感器線圈95、 97和98，其位于傾斜定向的永久磁極41、61的相對(duì)邊緣42、62之間。傳感器線圈95、97和 98優(yōu)選以傳感器線圈線或組94a-94e布置，如相應(yīng)的傳感器線圈組中心軸99a_99e界定。 每一中心軸99a_99e大體上平行于其它軸99a_99e且以相對(duì)于圓柱形工具主體21的中心 縱軸27的預(yù)定角γ定向。與傳感器線圈組94a-94e大體上相同組的傳感器線圈組(未圖 示)布置于圓柱形工具主體21的相對(duì)外部表面上，與傳感器線圈組94a-94e相對(duì)約180°。傾斜定向的磁極41、61相對(duì)于中心縱軸27大體上成角β，其中角β不同于角Y。 因?yàn)橛纱艠O41、61產(chǎn)生的通量線81大體上垂直于磁極41、61的邊緣42、62，所以磁場(chǎng)80相 對(duì)于中心縱軸21以角ε旋轉(zhuǎn)，且因此相對(duì)于傳感器線圈組94a_94e成一角度。在優(yōu)選實(shí) 施例中，角Y為約90°，角β為約45°，且角ε為約45°。垂直于圓柱形工具主體21的中心縱軸27 (且因此垂直于管軸)布置傳感器線圈組94a-94e允許傳感器陣列90檢測(cè)軸向和圓周兩個(gè)方向上的特征。發(fā)射器線圈95產(chǎn)生SH 波96，其圍繞管圓周地行進(jìn)且與軸向定向的裂縫成法向角(垂直)撞擊。平行于圓柱形工 具主體21的中心縱軸27 (且因此平行于管軸)布置傳感器線圈組94a-94e允許傳感器陣 列90檢測(cè)圓周方向上的特征。剪切水平波96沿著管壁在軸向方向上發(fā)射，使得檢測(cè)到來 自例如周圍焊縫中的裂縫等橫向裂縫的反射。不同于現(xiàn)有技術(shù)EMAT工具中的接收器的定 向，接收器線圈97、98不必相對(duì)于發(fā)射器線圈95對(duì)角移位或朝向發(fā)射器線圈95旋轉(zhuǎn)以便 獲得使磁場(chǎng)80相對(duì)于EMAT傳感器線圈95、97和98旋轉(zhuǎn)的益處。 傳感器線圈95、97和98可安裝在例如彈簧加載墊(未圖示)等合適的機(jī)構(gòu)上，所 述機(jī)構(gòu)保持線圈95、97和98緊密接近管的內(nèi)徑。發(fā)射器線圈95在圍繞管的兩個(gè)圓周方向 上引起SH導(dǎo)引波96。接收器線圈97檢測(cè)來自應(yīng)力腐蝕裂縫(SCC)的反射，且用作校準(zhǔn)接 收器。接收器線圈98檢測(cè)在圓周方向上從發(fā)射器線圈95傳播的SH導(dǎo)引波96。這些檢測(cè) 到的信號(hào)的特性特征(例如振幅和到達(dá)時(shí)間)可用以檢測(cè)例如涂層脫離、腐蝕和SCC等特 征。接收器線圈97、98以距發(fā)射器線圈95預(yù)定距離放置，使得信號(hào)響應(yīng)由接收器線圈 97、98檢測(cè)而不受初始電子激發(fā)脈沖的不利影響。組94a-94e中的每一發(fā)射器線圈95在每 一側(cè)上以兩個(gè)接收器線圈97、98分組。傳感器陣列90優(yōu)選包含必要數(shù)目的發(fā)射器線圈95 和接收器線圈97、98以便提供SCC的重疊覆蓋和涂層脫離檢測(cè)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，彼 此相對(duì)布置且供在24英寸直徑管中使用的兩個(gè)傳感器陣列90中的每一者包含五個(gè)發(fā)射器 線圈95和總共20個(gè)接收器線圈97、98。每一發(fā)射器線圈95在起動(dòng)時(shí)引起SH導(dǎo)向波96傳播到線圈95的左邊和右邊且圍 繞管的圓周。最靠近活動(dòng)的發(fā)射器線圈95的接收器線圈97、98首先在時(shí)間上取樣(選通) 以接收傳出的波96，且隨后以較長(zhǎng)的預(yù)定時(shí)間延遲(針對(duì)24英寸直徑管，優(yōu)選大約50和90 微秒)選通以檢測(cè)來自SCC的反射。這些反射來自位于RD接收器線圈97與越過RA接收 器線圈98的預(yù)定距離“D”之間的目標(biāo)性取樣區(qū)域“Z”以便最大化覆蓋且最小化干擾。反 射信號(hào)經(jīng)規(guī)格化，即除以RD接收器97中檢測(cè)到的傳出信號(hào)以提供信號(hào)反射的連續(xù)校準(zhǔn)。借助于實(shí)例，考慮24英寸管和6mm(0. 24英寸)的目標(biāo)軸向樣本間距，390Hz的脈 沖率將產(chǎn)生5. lmm(0.20英寸)的軸向分辨率。此脈沖率允許SH波96在第二脈沖或音調(diào) 突發(fā)起動(dòng)之前圍繞管圓周行進(jìn)近似4. 25次。因此，第一脈沖的殘余在接收器線圈97、98之 間且因此在取樣時(shí)間間隔(選通)下所述圓周環(huán)內(nèi)對(duì)位于工具主體21的相對(duì)側(cè)上的接收 器線圈97、98無影響。SH波96在波96已圍繞管行進(jìn)約8. 5次之后在第三音調(diào)突發(fā)期間仍在接收器選通 內(nèi)。使用在2英尺行程中0. 8的衰減因數(shù)(根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)確定的因數(shù))，以百分之100全 標(biāo)度發(fā)射的音調(diào)突發(fā)在其到達(dá)位于圓柱形工具主體21的相對(duì)側(cè)上的接收器線圈97、98時(shí) 具有小于百分之0. 3的振幅。此噪聲量與可多達(dá)全標(biāo)度的百分之3的其它噪聲源(例如， 熱電子噪聲)相比通?？珊雎?。涂層脫離是在與發(fā)射器線圈95成一直線定位的RD接收器線圈97與RA接收器線 圈98之間的目標(biāo)性取樣區(qū)域Z中檢測(cè)的。涂層脫離檢測(cè)可通過計(jì)算經(jīng)選通接收器信號(hào)的 比率來完成。高于設(shè)定閾值的比率指示在管上在特定區(qū)域99中沒有涂層或脫離。在發(fā)明人進(jìn)行的研究中，根據(jù)本發(fā)明制作的傳感器陣列90已顯示優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的以下益處·對(duì)小缺陷的改進(jìn)的敏感性，即信號(hào)振幅的高達(dá)20db的增加；· RF脈沖發(fā)生器功率要求的實(shí)質(zhì)降低；·完全的圓周 檢查覆蓋，從而降低錯(cuò)過裂縫的概率；·使用最靠近發(fā)射器線圈的接收器線圈對(duì)所發(fā)射信號(hào)的自校準(zhǔn)；以及·由周圍的聲環(huán)引起的發(fā)射器線圈之間的較少干擾。另外的配置是可能的，這取決于管直徑，以及不同數(shù)目的磁極41、61、傳感器線圈 95,97和98以及傳感器陣列90。對(duì)于例如圓周檢測(cè)，傳感器陣列90將以相對(duì)于管軸的傾 斜角、旋轉(zhuǎn)，其仍位于角磁偏置場(chǎng)80內(nèi)。除了 SCC和類似裂縫的特征外，這些配置還可響 應(yīng)于例如涂層脫離和金屬損失等特征。所得系統(tǒng)還可用作僅EMAT系統(tǒng)或與在線檢查工具 中可用的各種其它技術(shù)中的任一者組合，所述其它技術(shù)包含(但不限于)MFL、變形、卡規(guī)測(cè) 量(Caliper)和測(cè)繪。雖然已用某一程度的特定性描述了包含傾斜磁化器和螺旋傳感器陣列的EMAT工 具，但在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可在組件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)方面做出許多 改變。根據(jù)本發(fā)明的EMAT工具因此僅由所附權(quán)利要求書的范圍限制，所述范圍包含其每一 元素有資格具有的均等物的完全范圍。以上所述為本發(fā)明的具體實(shí)施例的說明與圖式，而本發(fā)明的所有權(quán)利范圍應(yīng)以下 述的申請(qǐng)專利范圍為準(zhǔn)，任何在本發(fā)明的領(lǐng)域中熟悉該項(xiàng)技藝者，可輕易思及的變化或修 飾皆可涵蓋在本案所界定的專利范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于檢查管狀部件的內(nèi)壁的傳感器陣列，其特征在于，所述傳感器陣列包括第一和第二組傳感器線圈，所述第一和第二組傳感器線圈各自包含第一和第二對(duì)接收器線圈和發(fā)射器線圈；所述發(fā)射器線圈以及所述第一和第二對(duì)接收器線圈各自彼此平行布置且共享共同的中心線，所述發(fā)射器線圈位于所述第一與第二對(duì)接收器線圈之間；其中所述共同中心線相對(duì)于上面安裝每一所述組傳感器線圈的檢查工具的中心縱軸以角γ定向；所述檢查工具具有相對(duì)于所述檢查工具的所述中心縱軸傾斜布置的至少兩個(gè)磁極；且所述第一和第二組傳感器線圈各自位于所述檢查工具的外部表面上，且位于所述至少兩個(gè)磁極的相對(duì)邊緣之間并距所述相對(duì)邊緣大體上等距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述角Y經(jīng)選擇以使得所述共同 中心線相對(duì)于所述至少兩個(gè)磁極中的每一磁極的中心縱軸傾斜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述角Y經(jīng)選擇以使得所述共同 中心線大體上平行于所述管線工具的所述中心縱軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述角Y為約90°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述第一和第二線圈傳感器組彼 此間隔開約180°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述第一傳感器線圈組的一部分 和所述第二傳感器線圈組的一部分位于所述檢查工具的共同圓周帶內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述第一傳感器線圈組中的所述 發(fā)射器線圈的一部分在垂直于所述檢查工具的所述中心縱軸的方向上從所述發(fā)射器線圈 的一部分偏移。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述第一和第二傳感器線圈組中 的至少一者中的所述發(fā)射器線圈發(fā)射信號(hào)，所述信號(hào)由正由所述檢查工具檢查的管狀部件 的壁表面反射。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器陣列，其特征在于，所述信號(hào)在所述發(fā)射器線圈發(fā)射 第二信號(hào)之前圍繞所述管狀部件的圓周行進(jìn)預(yù)定次數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器陣列，其特征在于，所述第一和第二對(duì)接收器線圈中 的至少一者對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行取樣。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器陣列，其特征在于，所述第一和第二對(duì)接收器線圈中 的至少一者對(duì)所述所反射信號(hào)進(jìn)行取樣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器陣列，其特征在于，所述所反射信號(hào)是經(jīng)規(guī)格化信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器陣列，其特征在于，所述取樣以預(yù)定取樣時(shí)間間隔發(fā)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器陣列，其特征在于，所述信號(hào)在所述第一和所述第 二接收器線圈中的至少一者對(duì)所述所反射信號(hào)進(jìn)行取樣之前圍繞所述管狀部件的圓周行 進(jìn)預(yù)定次數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器陣列，其特征在于，所述取樣在目標(biāo)性取樣區(qū)域內(nèi)發(fā)生，所述目標(biāo)性取樣區(qū)域在第一接收器線圈與越過第二接收器線圈的預(yù)定距離“D”之間 延伸。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器陣列，其特征在于，每一所述第一和第二對(duì)接收器 線圈相對(duì)于所述發(fā)射器線圈間隔，使得由所述發(fā)射器線圈發(fā)射的所述信號(hào)不遮蔽所述第一 和第二對(duì)接收器線圈對(duì)所述所反射信號(hào)的檢測(cè)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，其進(jìn)一步包括所述第一和第二對(duì) 接收器線圈各自包含RD接收器線圈和RA接收器線圈。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，其進(jìn)一步包括所述第一和第二對(duì) 接收器線圈中的至少一個(gè)接收器線圈是選通接收器線圈。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，其進(jìn)一步包括每一所述第一和第 二對(duì)接收器線圈中的至少一個(gè)接收器線圈是校準(zhǔn)線圈。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，其進(jìn)一步包括所述第一和第二傳 感器線圈組中的至少一者能夠檢測(cè)軸向定向的壁異常和圓周定向的壁異常中的至少一者。
全文摘要
一種具有雙螺旋電磁聲換能器傳感器陣列的管線檢查工具，包含相對(duì)于工具主體的中心縱軸以傾斜角定向的兩個(gè)磁極。傳感器線圈組的陣列位于所述兩個(gè)磁極的相對(duì)邊緣之間，且垂直于所述中心縱軸而定向。每一傳感器線圈組包含發(fā)射器線圈和兩對(duì)相對(duì)的接收器線圈，所述接收器線圈經(jīng)選通以接收來自管狀部件的壁的反射。因?yàn)閭鞲衅骶€圈的排相對(duì)于磁偏置場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，所以所述接收器線圈與所述發(fā)射器線圈成一直線且具有與所述發(fā)射器線圈相同的角定向。所述工具提供對(duì)小缺陷的改進(jìn)的敏感性、RF脈沖發(fā)生器功率要求的實(shí)質(zhì)降低、完全圓周覆蓋、所發(fā)射信號(hào)的自校準(zhǔn)以及由周圍的聲環(huán)引起的發(fā)射器線圈之間的較少干擾。
文檔編號(hào)G01N27/83GK101936949SQ20101021479
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者杰德·路德羅, 約翰·H.·費(fèi)羅拉, 詹姆士·辛梅克, 賽伊德·M.·阿里, 高輝黨 申請(qǐng)人:Tdw達(dá)拉威公司