科研新聞

工學院李法新課題組完成野外埋地管道監測試驗并取得國際領先成果

2019-11-27

最近,北京大學工學院李法新課題組在山東煙臺進行了為期10天的埋地管道野外監測試驗,他們設計制備了一套組合變形的壓電換能器指環陣列,用于管道中扭轉導波T(0,1)的激發與接收,實現了埋地管道單向監測距離長達20米以上,明顯領先于當前國際上的最好水平(5~8米)。本工作的第一、第二完成人分別是工學院2015級博士生宦強和2017級博士生陳銘桐。


李法新課題組在山東煙臺進行埋地管道野外監測試驗

近年來,我國油氣管道網規模不斷擴大。截至2017年底,我國大型油氣輸運管道的總里程已超過13萬公里,位居世界第三,而且多為埋地管道,預計在2025年達到24萬公里。然而,隨著管道服役時間的增長,部分管道的腐蝕老化可能導致油氣泄露,不僅會引起環境污染和財產損失,甚至會給生命安全帶來隱患。如2013年的中石化青島輸油管道爆炸事件,造成62人死亡、136人受傷,直接經濟損失7.5億元。為了保障管道的安全服役,國家目前規定油氣管道5年內至少要大檢一次,每次檢測的費用大約3萬元/公里,所有管道一次檢測成本超過40億元。

超聲導波具有衰減小、分辨率高等優勢,尤其適合管道的長距離監測。在管道的所有導波模態中,基頻扭轉導波T(0,1)是唯一非頻散的模態,傳播過程中不易發生波型轉換,信號處理最為簡單。當前,激勵T(0,1)波的主要方法是采用電磁超聲換能器(EMAT)和壓電超聲換能器。上世紀90年代末期,美國西南研究院基于磁致伸縮效應設計了一種EMAT式 T(0,1)波換能器,但這類換能器能量轉化效率低,必須采用大功率的發射裝置才能工作,其可探測埋地管道的距離不到5m。同一時期,英國帝國理工學院基于壓電厚度剪切d15模式發展了一種干耦式壓電T(0,1)波換能器,其探測埋地管道的距離約為5~8m。


瀝青涂層的鋼管+泡沫涂層+埋地的T(0,1)導波衰減曲線

李法新課題組先是提出了壓電陶瓷的面內剪切d24模式,并由此發展了一種環形陣列用于T(0,1)波的激發與接收(Smart Mater Struct 2017)。他們發現,厚度剪切d15模式因為變形力的非自協調,更適合作為激勵的制動器;面內剪切d24模式,由于阻抗高和變形的自協調,更適合作為接收的傳感器(Sensors 2018)。因此,他們組合了兩種變形機制,設計了一套一發一收的環形換能器陣列。其中,d15壓電陣列用于T(0,1)波的激發,d24壓電陣列用于回波信號的接收。野外埋地管道的試驗結果表明,這套換能器激勵的信噪比可達45dB以上,可以極大地提升埋地管道的檢測效率,有效探測距離達20m以上。由于這種換能器價格低廉,可以在鋪設管道或挖坑檢測時永久地安裝在管道上,實現管道的終身監測,達到一勞永逸的目的。該技術有望在長距離管道的安全監測中占據主導地位,產生巨大的經濟價值。

 

 
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