专利名称：用于检查管子的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检查管子的管鞋设备(shoe apparatus)， 一种包括所述管鞋设备的设备以及一种检查管子的方法。
在某些方面，本发明针对管子的无损检测，在某些特别方面，涉及用于这种检测的系统和方法，所述检测使用包括聚偏二氟乙烯压电薄膜的超声传感器。
背景技术：
管子的无损检测可以指出管子中的缺陷。现有技术包括用于管子无损检测的各种系统和方法；例如但不限于在美国专利5,063,776;5，616，009; 5,975,129; 7,055,623; S，715，861; 4,638,978和提交于2005年4月4日的美国申请No.ll/098，166 (与本发明拥有共同的申请人)中公开的系统和方法，所列出的全部专利和申请在此全文引入作为参考。
在某些现有技术的方法中，传感器产生的超声波束不能覆盖在测管子的整体；在其它现有技术的方法中，所有传感器产生的超声波束可以覆盖在测管子的整体，但必须促使扫描头或管子机械旋转，或者使用大量单独封装的传感器，这会导致系统设计复杂、成本高和操作困难。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于检查管子的管鞋设备，所述管鞋设备包括
主体；
位于主体上的薄膜，所述薄膜包括压电材料；和包括所述薄膜的多个超声传感器。在一些实施例中，薄膜包括电活化聚合物，例如铁电聚合物(比如聚偏二氟乙烯或其共聚物)。使用电活化聚合物的一个优点是，管鞋设备更可靠并且可用与使用压电陶瓷传感器相比相对低的成本制造。另一个优点是，管鞋设备可设计成使得为了实现对整个管子的检查不需要旋转管或任何管鞋。
其它特征参照权利要求2到22的阐述。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于检查管子的设备，所述设备包括如前述的一个或多个管鞋设备，所述一个或多个管鞋设备布置成使得在使用中可以大体上检查整个管子，而不需要管子和所述一个或多个管鞋设备之间的相对旋转。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于检查管子的方法，所述方法包4舌
(1)将管子引入如上所述的设备；和
(2 )使用控制系统致动所述超声传感器从而产生导向所述管子的超声波以检查所述管子。
该方法的其它步骤参照权利要求24到29的阐述。
本发明在至少某些实施例中公开了利用多个间隔开的超声传感器来测量管子壁厚和/或检测缺陷的系统和方法，该多个间隔开的超声传感器由聚偏二氟乙烯("PVDF")(及其共聚物)制成。
在具有该传感器的根据本发明的检查系统的某些方面，穿过检查系统的管子不旋转并且传感器不旋转。
当机械应力(例如由超声波产生的应力)施加于电活化薄膜(如PVDF薄膜)上时，所述薄膜具有两个电极，每一个电极位于薄膜的不同表面上，则接收超声波的薄膜在位于两个表面上的电极之间产生可测量的电压。当电压通过电极施加给薄膜时，由于形成超声波而产生机械应变。这两种作用被结合到对根据本发明的系统和方法有用的PVDF超声波发射-接收器("传感器")中。具有电极的PVDF薄膜和具有PVDF薄膜的超声传感器可从市场上获得。
在某些特定方面，本发明提供了利用多个PVDF超声传感器来测量管子壁厚和检测缺陷的系统和方法，所述多个超声传感器连接到主体(例如，中空圆柱形主体或中空锥形主体，例如具有至少一个、两
6个、三个或更多个PVDF薄膜)上并且围绕该主体间隔开，管子(例如但不限于油田用管子；例如但不限于隔水管、套管、油管、管状物、钻杆、机械油管、锅炉管道和钻铤)可运动穿过主体，所述管子沿其整个长度的壁厚将被测量或者管子的整个主体将被扫描以检查缺陷。每一个单独的PVDF超声传感器利用电子控制设备或电路板电连接到计算机控制系统上，所述电子控制设备或电路板与所述控制系统连通。在某些方面，耦合器(例如超声波耦合器，如水)位于PVDF传感器和管子外表面之间。PVDF传感器被通过控制系统产生的高压脉冲激励以产生超声波，该超声波通过耦合器传播到管子。在中空圆柱形主体的情况下，超声波的传播方向与管子的内外表面垂直。超声波被两个表面反射并返回PVDF传感器。来自外表面的反射通常称作界面回波。来自内表面的反射通常称作后壁回波。在管壁内部，超声波在其能量逐渐消失之前还可能来回反射多次，从而产生多个后壁回波。由于两个相邻回波之间的时间与管壁厚度成正比，因此界面回波和一个或多个后壁回波用于测量管壁厚度。在中空锥形主体的情况下，超声波的传播方向与管子内外壁的法线成一定角度。超声波由于管壁中的缺陷(例如，裂缝)被反射而回到PVDF传感器。该返回波用于检测该缺陷。控制系统与传感器连通(用于控制，致动或激励；和/或检测返回信号)。
主体(例如中空圆柱形主体或锥形主体)是整体件或者是两个或更多个分离件。每一个PVDF薄膜上可有一个或多个PVDF超声传感器。在根据本发明的系统的某些特别方面，彼此邻近定位的多个PVDF超声传感器经由控制系统彼此连通并同时被激励，或者每一个超声波传感器以明确限定的延时方式依次连通和激励以形成合成波，相当于由与多个传感器占据区域相同的单个PVDF传感器产生的波。合成波用于进行壁厚测量。随后，下一组传感器(即上述的一个或多个传感器和挨着它们的一个或多个传感器)以同样的方式被激励以形成另外的第二合成波，该第二合成波与第一合成波部分重叠并且第二合成波用于再次测量壁厚。还可以在管子的不同圆周位置处同时形成多个合
7成波。通过围绕管子形成合成波，系统实现了壁厚测量和对管子的整个表面的缺陷检测，不存在任何间隙，也无需使管子或传感器机械旋转。
因此，本发明在至少某些实施例中提供了一种用于检查管子的管
鞋设备，所述管鞋设备包括主体；位于所述主体上的薄膜，所述薄膜由压电材料制成；和位于所述薄膜上的多个超声传感器。这种管鞋设备可以具有下列中的一个或一些特征(以任何可能的方式组合)其中，所述主体为大致圆柱形并且具有贯穿主体的通道，要检查的管子可穿过所述通道；控制系统，每一个超声传感器与所述控制系统连通；其中，所述控制系统控制任一单个的超声传感器、 一系列相邻的超声传感器、或者多个系列的相邻超声传感器；用于将超声波从超声传感器传播到待检查管子的耦合器，所述耦合器与主体相邻以介于所述主体和待检查管子之间；所述管鞋设备是多个单独的管鞋，它们可一起运动以形成待检查管子可穿过的通道；用于使每一个单个的管鞋段运动的运动设备；每一个单个的管鞋段与相邻的管鞋段重叠；其中，所述多个超声传感器围绕所述通道间隔开；连接到所述主体上的电路板，并且每一个超声传感器均连接到所述电路板上；其中，所述主体为大致圆柱形，并且所述多个超声传感器围绕所述大致圆柱形的主体间隔开；其中，每一个超声传感器包括一部分薄膜，其具有顶表面、底表面、位于所述顶表面上的顶部电极、位于所述底表面上的底部电极，每一个电极连接到所述电路板上；和/或控制系统，每一个超声传感器经由电路板与所述控制系统连通。
因此，本发明在至少某些实施例中提供了一种用于检查管子的方法，所述方法包括将所述管子引入用于检查管子的管鞋设备，所述管鞋设备为根据本发明在此公开的任 一种管鞋设备；利用所述管鞋设备的控制系统来控制超声传感器；和使用控制系统致动所述管鞋设备的超声传感器从而产生导向所述管子的超声波以检查所述管子。该方法可以具有下列中的一个或一些特征(以任一种可能的方式组合)其中，管鞋设备的主体为大致圆柱形的并且具有使所述管子穿过的贯穿通道，其中具有围绕所述大致圆柱形主体间隔开的多个超声传感器，
所述方法还包括控制系统，其与单个超声传感器连通以检测管子；其中，管鞋设备的主体为大致圆柱形的并且具有使所述管子穿过其中的贯穿通道，其中多个超声传感器围绕所述大致圆柱形主体间隔开，所述方法还包括控制系统，该控制系统与多个超声传感器连通从而形成合成波以检查管子；其中，所述多个超声传感器中的每一个同时使用；其中，所述多个超声传感器中的每一个根据限定的延时方式依次使用；其中，管子具有圆周和大致圆柱形主体并且具有贯穿主体的通道以用于管子穿过，其中多个超声传感器围绕所述大致圆柱形主体间隔开，所述方法还包括致动多个相邻超声传感器从而围绕管子圆周形成多个多次合成波以检查整个管子；和/或在不使管子旋转和/或不使超声传感器旋转的情况下利用管鞋设备检查管子。
为了更好地理解本发明，现在将参考附图仅以举例方式进行描述，其中
图1A是根据本发明的设备的第一实施例在使用中的示意性透视
图1B是图1A所示设备的一部分的示意性主视图；图1C是图1A所示设备的示意性剖视图2A是在图1A所示设备中使用的PVDF薄膜的第一实施例的示意性透视图2B是图2A所示薄膜的一部分的示意性端视图，所述薄膜处于压扁状态；
图2C是图2A所示薄膜的一角的示意性俯视放大图；图2D是在图1A所示系统中使用的PVDF薄膜的第二实施例的示意性透视图2E是图1A所示设备的一部分的示意性端视图；图2F是图2E的一部分的放大图2G是显示了图2E所示设备的一部分连接到控制系统上的示意图3A是根据本发明的设备的第二实施例在使用中的示意性透视
图3B是图3A所示设备的一部分的示意性透视图3C是图3B所示部件在使用中的示意性侧视图3D是安装到框架上的图3A所示设备的示意性透视图；和
图3E是图3D所示系统的示意性端视图。
具体实施例方式
图1A显示了根据本发明的系统10，所述系统具有带有通道14的大致圆柱形主体12(或"管鞋")，待检测的管P可运动穿过所述通道。多个PVDF超声传感器20围绕通道14的圆周间隔开。PVDF薄膜22覆盖通道14的内部，每一个传感器20包括由该薄膜制成的条状物或指状物。PVDF薄膜22可以是一个或多个部件，其中的每一个部件在其顶部和底部表面上具有图案化的电极以形成多个传感器。例如但不限于，所述图案可以是其间具有很小间隙的矩形电极阵列。顶部电极和底部电极完全重叠的区域限定了每一个传感器20的活性区域。"顶部"电极可用作接地电极，"底部，，电极是信号电极，或者反之亦然。在管子穿过主体12时，邻近主体12并介于传感器和待检查管子之间的耦合器(未显示)为传感器提供了耦合并且保持管子和传感器之间的隔离。
每一个传感器20对应于主体12的部分15并且直接连接到电子控制设备上，或者例如，如图所示的连接到印刷电路板("PCB，， )30上。在某些方面，每一个传感器围绕主体圆周具有大约0.25"( ~6mm)的宽度，并且已经发现在该情况下工作良好。每一个传感器的接地电极连接到PCB30的接地面上，并且它的信号电极连接到位于PCB30上的信号布线(track)上(参见图2E、 3F的布线15，和图3B的布线115)。"布线"通过将导电材料薄层沉积或"印刷"在电路板表面上从而形成在电路板上以连接单个的电子部件。位于每一块板30外面的金属板40利用穿过主体12的螺栓42连接在一起。在一个方面，板40由铝制成(但是可由例如钢或铜或任何不导电材料制成)。主体12由例如LUCITE (商标)材料或任何适当的塑料、金属、橡胶或聚脂制成。
图2A显示了 PVDF压电薄膜50，其具有由PVDF制成的基部52;由间隔开的电极排55构成的顶层54;和由间隔开的电极排57构成的底层56 (参见图2B)。顶部电极55和底部电极57部分重叠。重叠区域(例如图2B中的区域OA)限定了传感器的活性区域，未重叠区域(例如，在每一个电极的端部)用于电连接，这可以通过以下方式实现，例如但不限于将薄膜50的未重叠端部机械按压在PCB 30上以使得电极与PCB的布线(参见图2E、 2F中的布线15，和图3B中的布线115)直接接触，或者将连接器或电线直接连接到薄膜50的未重叠端部上。从市场上可获得的PVDF薄膜的一般厚度包括9nm、25nm、52nm和110nm，然而也可以使用其它厚度。在某些方面，电极由导电墨、油漆、带或真空淀积金属制成。
如图2C所示，薄膜50在排55、 57之间(从端部到端部或者只在端部)被切开(线53)以形成在板30的间隔开的布线上方折叠的条状物或指状物58从而实现电连接(也参见图2E)。在所示的结构中，PCB 30上的布线连接到位于主体12 —侧上的"底部"电极54(即，在图2D中位于薄膜50的外表面上的那些电极)上。当"顶部"电极54 (即，在图2D中位于薄膜50内表面上的那些电极)向外折叠到主体12上时，电极不与任何东西接触。当金属板40 (参见图1C)通过螺栓连接到主体12的端部上时，这些电极的露出部分与所述金属板接触。金属板40随后连接到PCB 30的接地面上，从而使顶部电极接地。将顶部和底部电极以这种方式连接成一周的一个优点是可以使信号电极(即，底部电极)更好地屏蔽外部电磁干扰。然而，可能使电极以相反方式连接成一周，即，将顶部电极连接到布线15上，将底部电极连接到电路板的接地面上。
图2D显示了一块形成为圆筒状的、带有条状物58a的PVDF压电薄膜51 (不按比例)，用于插入类似于通道14的通道中并且利用
ii粘合剂连接到通道壁上。切割线53与圆筒的轴线平行。每一个条状物 58a是一个PVDF超声传感器20,其顶部接地电极连接到PCB 30的 接地面上，其底部信号电极连接到PCB 30的信号布线上。位于薄膜 51后面的检测主体12用作传感器的衬底材料。薄膜51的顶部可涂覆 有丙烯酸树脂、粘合剂、合成橡胶树脂、环氧树脂和/或氰基丙烯酸盐 粘合剂等以防止电极腐蚀和氧化。
如图2E所示，薄膜51位于检测主体12内，使得当条状物58a 的端部在PCB 30上方折叠时，它们与PCB 30的信号布线15对齐。 如图2F所示，条状物58a在PCB30的信号布线15上方折叠。
图2G说明了将PCB板30连接到控制系统72上的主连接件70。 PCB30上的所有信号布线15都连接到主连接件70上，因此，由条状 物58a限定的所有超声传感器都连接到控制系统72上。控制系统72 可通过产生高压脉沖并将该高压脉沖传送给一个传感器而激励该传感 器，并且随后根据由该传感器接收到的信号进行壁或缺陷测量，然后 移到下一个传感器。在一个方面，在两个连续的测量之间产生空隙， 这是因为在由两个相邻传感器产生的超声波束之间存在间隙。控制系 统还可以同时激励多个相邻传感器或利用明确限定的延迟方式来激励 多个相邻传感器以形成合成波，相当于由与多个传感器占据相同区域 的单个PVDF传感器产生的波，并且根据由同 一组传感器接收的累加 信号进行壁或缺陷测量，然后移到下一组相邻传感器以形成与之前的 合成波部分重叠的新的合成波。这消除了由每次激励单个传感器所引 起的间隙，从而使得完全覆盖管子的整个圆周和区域。
图3A显示了类似于系统10的根据本发明的系统100，但是该系 统具有多个明显偏置的检测管鞋102 (或"管鞋段")。检测管鞋102 部分重叠(例如，如图3E中虚线所示的重叠)以完全覆盖被测管P 的整个圆周。图3B显示了检测管鞋102的内部部件。PVDF薄膜113 通过粘合剂与衬底材料112的内圆柱形表面连接。PVDF薄膜113具 有位于其上的多个超声传感器110。每一片PVDF薄膜113及其超声 传感器110制成如图2A所示的那样。每一个超声传感器110的端部条状物114被切割并在PCB 118上的信号布线115上方折叠，所述 PCB安装到衬底材料112的侧面上。端部条状物114和信号布线115 电连接。信号布线115连接到安装在PCB118上的连接器117上。管 鞋102经由电缆C通过连接器117电连接到控制系统(与图2G所示 的控制系统类似)上。与系统10类似，控制系统可以激励一个传感器 或一组相邻传感器以形成单波或合成波并且进行壁测量，随后移到下 一个传感器或下一组传感器。
图3C显示了检测管鞋102沿着位于其下的检测管E的轴线方向 的侧视图，所述检测管鞋的内部露出。尽管图中显示了检测管鞋102 与管子E直接接触，然而它可以与管子间隔开。在检测管鞋102与管 子E直接接触的情况下，检测管鞋安置在管E的外表面上并与管E的 外表面相符。水隔室116直接位于PVDF薄膜下面。水隔室116从底 部敞开或者由透声隔膜119密封。水隔室116为超声传感器提供了水 耦合，并且在管子沿轴向方向运动穿过所述系统时保持传感器和管子 之间的隔离。如果水隔室116是敞开的，则它利用流动的水不断地填 充。如果水隔室116是密封的，则只有在隔膜119和管子E的外表面 之间的间隙111利用流动的水不断地填充。
图3D显示了通过可动臂121和致动机构122(例如但不限于气缸) 安装到框架120上的多个检测管鞋102。臂121将所述管鞋向下带到 管子处或者使所述管鞋运动离开管子R。例如，当管子R沿轴向方向 运动到系统中时，被致动的臂121带动所述管鞋朝向管子运动，从而 开始检测和在进行检测时将所述管鞋保持在管子周围。当管子要离开 系统时，被致动的臂使所述管鞋运动远离管子。图3E是图3D所示系 统的端视图。
本发明的一个特别优点是，可以在不需要使检查头围绕管子旋转 或者使管子相对于检查头旋转的情况下对管子进行检查。这大大简化 了检查设备的结构和维护，在一些情况下，与依赖旋转的检查方法相 比可以更快的速度检查管子。此外，本发明提供了以较低成本(与例 如使用传统的压电陶瓷传感器相比)制造的多通道检查头。
权利要求
1.一种用于检查管子的管鞋设备，所述管鞋设备包括主体；位于所述主体上的薄膜，所述薄膜包括压电材料；和位于所述薄膜上的多个超声传感器。
2. 如权利要求1所述的管鞋设备，还包括控制系统，所述多个超声传感器中的每一个与所述控制系统连通。
3. 如权利要求2所述的管鞋设备，其中，在使用中，所述控制系统控制任意单个的超声传感器、 一系列相邻的超声传感器或者多个系列的相邻超声传感器。
4. 如权利要求1、 2或3所述的管鞋设备，还包括用于将超声波从超声传感器传播到待检查管子的耦合器，所述耦合器适合在所述主体和待检查管子之间配合。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的管鞋设备，其中，所述主体为大致圓柱形的并且包括贯穿主体的通道，待检查的管子能穿过所述通道。
6. 如权利要求1-4中任一项所述的管鞋设备，还包括多个分离的主体，所述主体在使用中形成待检查的管子能穿过的通道。
7. 如权利要求6所述的管鞋设备，还包括运动设备，所述运动设备用于使每一个分离的主体朝向和远离形成所述通道的位置运动。
8. 如权利要求6或7所述的管鞋设备，其中，每一个主体在待检查管子上提供一圆周覆盖部分，并且其中，所述多个分离的主体布置成使得相邻的圆周覆盖部分重叠。
9. 如前述任一项权利要求所述的管鞋设备，其中，所述多个超声传感器沿着所述主体或每一个主体间隔开。
10. 如前述任一项权利要求所述的管鞋设备，还包括连接到所述主体上的电路板，并且每一个超声传感器连接到所述电路板。
11. 如权利要求10所述的管鞋设备，其中，所述主体为大致圆柱形的，并且所述多个超声传感器围绕所述大致圆柱形主体间隔开。
12. 如权利要求10或11所述的管鞋设备，其中，每一个传感器包括所述薄膜的一部分，其具有顶表面、底表面、位于所述顶表面上的顶部电极、位于所述底表面上的底部电极，每一个电极连接到所述电路板上。
13. 如权利要求12所述的管鞋设备，还包括第一电路板和第二电路板，所述顶部或底部电极中的一组连接到所述第一电路板上，所述顶部或底部电极中的另一组连接到所述第二电路板上。
14. 如权利要求10、 11、 12或13所述的管鞋设备，其中，所述薄膜连接到所述主体的检查部分上，该检查部分在使用中面向被检查的管子，所述薄膜具有露出在所述检查部分外的端部，在所述主体一侧上露出的端部能连接到所述电路板的信号布线上，在所述主体另一侧上露出的端部能连接到所述电路板的接地面上。
15. 如权利要求14所述的管鞋设备，其中，所述露出端部在位于所述主体的任一侧上的边缘上方折叠。
16. 如权利要求14所述的管鞋设备，其中，所述薄膜包括在使用中最靠近管子的顶部电极、和在使用中比所述顶部电极更远离所述管子的底部电极，带有所述顶部电极的所述露出端部被折叠抵靠着所述主体一側的所述电路板上的布线，在所述主体的另一侧上，带有所述底部电极的所迷露出端部被折叠抵靠着所述主体，并且所述底部电极经由导电板连接到所述电路板的接地面上。
17. 如权利要求10-16中任一项所述的管鞋设备，还包括控制系统，每一个超声传感器经由所述电路板与所述控制系统连通。
18. 如前述任一项权利要求所述的管鞋设备，其中，所述薄膜包括电活化聚合物。
19. 如权利要求17所述的管鞋设备，其中，所述电活化聚合物包括聚偏二氟乙烯或其共聚物。
20. 如前述任一项所述的管鞋设备，其中，所述薄膜具有大约9nm到110pm的厚度。
21. 如前述任一项权利要求所述的管鞋设备，其中，每一个传感器具有与待检查管子的圆周尺寸相应的宽度，所述宽度为大约6mm。
22. —种用于检查管子的设备，所述设备包括一个或多个如权利要求1-21中任一项所述的管鞋设备，所述一个或多个管鞋设备布置成使得在使用中能大体上检查整个管子，而不需要管子和所述一个或多个管鞋设备之间的相对旋转。
23. —种用于检查管子的方法，所述方法包括(1) 将管子引入如权利要求22所述的设备；和(2) 使用控制系统致动所述超声传感器，从而产生导向所述管子的超声波以检查所述管子。
24. 如权利要求23所述的方法，所述方法还包括使所述控制系统与单个超声传感器连通以检查管子的步骤。
25. 如权利要求23所述的方法，所述方法还包括使所述控制系统与多个超声传感器连通以形成合成波来检查管子的步骤。
26. 如权利要求25所述的方法，还包括基本上同时致动所述多个超声传感器中的每一个的步骤。
27. 如权利要求25所述的方法，还包括根据限定的延迟方式依次致动所述多个超声传感器中的每一个的步骤。
28. 如权利要求25-27中任一项所述的方法，还包括致动多个相邻超声传感器以围绕管子圆周形成多个多次合成波从而检查整个管子的步骤。
29. 如权利要求23-28中任一项所述的方法，还包括在无需使所述管子或所述管鞋设备相对于彼此旋转的情况下大体上检查整个管子的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种用于检查管子(P)的管鞋设备(10；100)，所述管鞋设备包括主体(12；112)；位于所述主体(12；112)上的薄膜(22；50；51；113)，所述薄膜包括压电材料；和位于所述薄膜上的多个超声传感器(20；110)。
文档编号G01N29/04GK101542278SQ200880000602
公开日2009年9月23日 申请日期2008年3月6日 优先权日2007年3月29日
发明者C·C·拉姆, Y·郭 申请人:国民油井华高有限合伙公司