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科研新闻

工学院李法新课题组完成野外埋地管道监测试验并取得国际领先成果

2019-11-27

最近,北京大学工学院李法新课题组在山东烟台进行了为期10天的埋地管道野外监测试验,他们设计制备了一套组合变形的压电换能器指环阵列,用于管道?#20449;?#36716;导波T(0,1)的激发与接收,实现了埋地管道单向监测距离长达20米以上,明显领先于当前国际上的最好水平(5~8米)。本工作的第一、第二完成人分别是工学院2015级博士生宦强和2017级博士生陈铭桐。


李法新课题组在山东烟台进?#26032;?#22320;管道野外监测试验

近年来,我国油气管道网规模不断扩大。截至2017年底,我国大型油气输运管道的总里程已超过13万公里,位居世界第三,而且多为埋地管道,预计在2025年达到24万公里。然而,随着管道服役时间的增长,部分管道的腐蚀老化可能导致油气泄露,不仅会引起环境污染和财产损失,甚至会给生命安全带来隐患。如2013年的中石化青岛输油管道爆炸事件,造成62人死亡、136人受伤,直接经济损失7.5亿元。为了保障管道的安全服役,国家目前规定油气管道5年内至少要大检一次,每次检测的费用大约3万元/公里,所有管道一次检测成本超过40亿元。

超声导波具有衰减小、分辨率高等优势,尤其适合管道的长距离监测。在管道的所有导波模态中,基频扭转导波T(0,1)是唯一非频散的模态,传播过程中不易发生波型转换,信号处理最为简单。当前,激励T(0,1)波的主要方法是采用电磁超声换能器(EMAT)和压电超声换能器。上世纪90年代末期,美国西南研究院基于磁致伸缩效应设计了一种EMAT式 T(0,1)波换能器,但这类换能器能量转化效?#23454;停?#24517;须采用大功率的发射装置才能工作,其可探测埋地管道的距离不到5m。同一时期,英国帝国理工学院基于压电厚度剪切d15模式发展了一?#25351;?#32806;式压电T(0,1)波换能器,其探测埋地管道的距离约为5~8m。


沥青涂层的钢管+泡沫涂层+埋地的T(0,1)导波衰减曲线

李法新课题组先是提出了压电陶瓷的面内剪切d24模式,并由此发展了一种环形阵列用于T(0,1)波的激发与接收(Smart Mater Struct 2017)。他们发现,厚度剪切d15模式因为变形力的非自协调,更适合作为激励的制动器;面内剪切d24模式,由于阻抗高和变形的自协调,更适合作为接收的传感器(Sensors 2018)。因此,他们组合了两种变形机制,设计了一套一发一收的环形换能器阵列。其中,d15压电阵列用于T(0,1)波的激发,d24压电阵列用于回波信号的接收。野外埋地管道的试验结果表明,这套换能器激励的信噪比可达45dB以上,可以极大地提升埋地管道的检测效率,?#34892;?#25506;测距离达20m以上。由于这种换能器价格低廉,可以在铺设管道或挖坑检测时永久地安装在管道上,实现管道的终身监测,达到一劳永逸的目的。该?#38469;?#26377;望在长距离管道的安全监测中占据主导地位,产生巨大的经济价值。

 

 
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