CN1761871A - 用于扫描腐蚀和表面缺陷的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定管道安全使用期限的方法和装置，包括步骤：a)在管道上限定用于表面腐蚀分析的区域，b)为管道上限定区域的扫描设置腐蚀扫描系统，c)使用腐蚀扫描系统定位和测定限定区域表面的腐蚀，d)使用腐蚀扫描系统确定在限定区域的管道剩余管壁厚度，e)处理在步骤c)和步骤d)获取的涉及限定区域腐蚀的表面状况数据用以确定管道的安全使用期限。本发明的另一方面涉及腐蚀扫描系统，所述系统用以实施本发明所述方法。本发明的另一方面涉及预报系统，所述系统用以预报管道的安全使用期限。

Description

用于扫描腐蚀和表面缺陷的方法和装置
发明领域：
本发明涉及领域为检验材料存在的腐蚀和表面缺陷，例如凹痕、第三方损伤等等。本发明尤其涉及一种确定和分析在管道内或管道上腐蚀的方法和仪器。此外，本发明还涉及确定管道安全使用期限的方法和仪器。本发明在其他方面还涉及用于预报管道安全使用期限的预报系统。
发明背景：
对使用中的管道、箱槽或其他工业资产内外表面的腐蚀降低了材料的完整性而且潜在减少设备的服务期限。缺陷可以有多种形式而且可由一种或多种机理潜在引发腐蚀和/或裂开。这些因素在很宽的范围内影响材料并且涉及了许多工业行业，包括：汽车、工业、航空、管道、电力生产、箱槽、容器容器、热交换器、气体耐压瓶、近海平台支架、烟囱、蒸馏塔和海运业。
腐蚀是主要由在两种材料间交换电子的电化学途径引起的母体材料损伤。腐蚀通过过早退化潜在减少产品的设计期限。存在不同种类的腐蚀。均匀或通常的腐蚀以近似相同的速率腐蚀整个表面。由局部腐蚀引起的点腐蚀导致金属表面的凹坑。隙间腐蚀出现在或立即环绕在材料的损伤处。晶间腐蚀导致金属在晶界处或附近的腐蚀。侵蚀腐蚀包括侵蚀和腐蚀的联合，它通常出现在快速流动的湍流级别高的液体内。环境诱发的开裂由机械应力和腐蚀共同作用导致。
各种腐蚀类型产生截然不同的腐蚀图样。然而，无论腐蚀是影响大片区域的低级和点腐蚀的结果，还是更具侵入性的电化腐蚀或微生物引起的腐蚀，结果是可危及管道或其他结构完整性的金属损失。产生的腐蚀图样包括均匀缺陷、表面凹坑、条状和槽形缺陷。
管道腐蚀是一个很费钱问题而且是工业生产必须一直面对的。管道操作者使用各种管道内部检验工具用于确定管道的腐蚀状况。此类的探测工具中的一种包括所谓的“管道除垢器”和“智能管道除垢器”或通管器。管道除垢器是与特定管道具有相同直径的圆筒状塞，“智能管道除垢器”是一种检验工具，它可以移入和穿过管道，并且其上安装有机械装置，诸如复杂的电子传感器和数据收集器件。许多管道装有发射器和接收器，允许远处的“智能管道除垢器”被泵压送着通过管道以定期评定管道情况。也存在电缆除垢器，它安置在管道内，朝一个方向移动并由电缆拉出。管道内部的智能管道除垢器可以识别损失和腐蚀，也可评估管道的整体情况。
可是，尽管总的来说很有效，但使用智能管道除垢器测量点腐蚀的方法存在许多缺点。使用此类智能管道除垢器的一个劣势是除垢器在穿过锐角转角、挤压至不同形状开口和管道尺寸改变时存在困难。因此，测量方法主要是在沿着管道直段的纵向上进行，排除了对管道的肘状部份，弯曲部份和弯曲圆周部分所需的评价。此外，现存的腐蚀测量仪器有机械限制，这就进一步限制了对小块区域腐蚀和点腐蚀测量。结果是，现有方法通常获取数据的精度和分辨率较低。在管道直径阻止进入的地方，对内表面接近仅限于开口附近的表面。
Kania和Carroll(1998，Int.Pipeline Conf.Vol 1，ASME p.309-313)描述了三个系统的使用，即基于激光的管道腐蚀评估系统、半自动超声系统和磁通量渗漏扫描器，它们用于测量暴露在外的管道的外部和内部的腐蚀。由这些系统生成的结果在腐蚀评估过程，例如RSTRNG，中使用，用来评价管道情况和在需要的情况下提出适当的补救行为。然而，所述技术允许探测和定位腐蚀区域，但是不能在需要考虑管道的安全使用的情况下提供管道剩余使用期限的信息。
总之，现有的用于腐蚀测量的方法不仅在机械上受限，也因为其用于执行操作、处理数据和得出结论所涉及的人力导致财力和时间的大量耗费。此外，当在管道内探测和定位腐蚀时，现有的可用技术具有另一主要缺点，即在需要考虑管道的安全使用的情况下不能提供管道剩余使用期限的信息。
因此，需要提供一种经济的分析外部和/或内部表面的腐蚀和表面分析的仪器，同时需要提供一种方法，能够快速测量和评价所有类型管道段的腐蚀，同时克服现有方法和仪器的缺点。
因此，本发明的目标是提供一种改进的方法和仪器，用于测量腐蚀，尤其用于测量管道、箱槽、容器、烟囱等等。具体说，本发明的目的在于提供一种方法和装置，用于确定管道的安全使用期限。
发明概述：
在运输气体和液体的管道中的腐蚀可以导致危险和耗费昂贵的损害，因此需要对管道情况的进行定期评估。环境保护及管道的安全运作是现今油气工业面临的两大问题。因此，有效的尺寸定位、测量和归档腐蚀缺陷及它们的传播和分布是全球范围内的管道运营商面临的主要问题。
用于管道内部测量的现有方法可以在管道内定位出腐蚀敏感区域。但是，这些方法不能确定腐蚀管道的安全使用期限。本发明通过提供改进的、用于确定管道的安全使用期限的方法和装置，给出这一问题的解决方法。
本发明涉及改进的、用于确定管道的安全使用期限的方法和装置，所述方法和装置用于确定可能遭受腐蚀的物体的安全使用期限。本发明将结合参考管道，例如气体或液体传输管道，进行描述安全使用期限的确定。然而，根据本发明所述的方法和装置也可被用于确定腐蚀和表面缺陷，例如凹痕、第三方损伤等等，和用于确定其他物体安全使用期限，这些物体包括而不仅限于公路桥、铁路、机动车、飞机、船只、反应器、起重机、箱槽、容器、烟囱、铁路货车、热交换器、蒸馏塔、气瓶和耐压瓶、近海平台支架、热交换器等等。
在第一个方面，本发明涉及确定管道安全使用期限的方法，其步骤包括：
a)在管道上限定用于表面腐蚀分析的区域
b)为管道上限定区域的扫描提供腐蚀扫描系统
c)通过使用腐蚀扫描系统定位和测量限定区域表面的腐蚀，此系统用于定位和测量所述表面的多个腐蚀坑，
d)使用腐蚀扫描系统测定限定区域的管道剩余管壁厚度，以及
e)处理由步骤c)和d)获得的涉及在限定区域的腐蚀的表面状况数据用以确定管道的安全使用期限。
在一个较佳实施例中，本发明进一步涉及一种由上所述的方法，可以识别、扫描、分析缺陷处最低的金属损伤区的轨迹。在另一个较佳实施例中，本发明进一步涉及一种由上所述的方法，可以自动生成在某一特定表面缺陷中的最深各点流体底部的最差情况剖面图。
关于在这里在使用的物体“安全使用期限”是指剩余时间周期，在此阶段内能够可靠安全地使用该物体，其中由腐蚀引起的破裂和损害预计不会发生。
“管道上的限定区域”是指包括管道外表面和/或内表面的某一区域。
在这里使用的术语“表面状况数据”包括管道外表面状况数据和/或内表面状况数据。
根据本发明所述的方法可以提供易于使用的涉及限定区域的腐蚀的输出数据。输出数据可被用于识别点腐蚀，即在某一特定区域和深度的凹坑，同时评价剩余材料总量，即剩余管壁厚度和被腐蚀管道强度。因此，使用可在三维表面内所有可能方向上移动的腐蚀扫描系统。
这样，这一本发明包括通过三维移动腐蚀扫描系统以定位和测量某一限定区域表面的腐蚀，从而定位管道表面多个腐蚀坑。根据本发明所述方法中使用的腐蚀扫描系统以允许其被定位在三维表面上所有可能方向这一方式构成。
在一个较佳实施例中，本发明涉及一种如上所述的方法，其中步骤c)和步骤d)包括在限定区域表面上方三维移动腐蚀扫描系统，其中使用腐蚀扫描系统的每次测量均提供(外部和/或内部的)X、Y、Z坐标形式的表面状况数据。
在一个更佳的实施例中，根据本发明所述的方法的步骤c)和d)包括在限定区域表面上方三维移动腐蚀扫描系统，其中由腐蚀扫描系统所得的每个测量的X、Y、Z坐标形式的表面状况数据是可变化的。
其结果是，可在所有方向上扫描管道。表面状况数据可被三维获得，这样就提供了比现有技术可获取的管道内腐蚀坑表面状况数据的更为精准的评价。
此外，本发明也为定位和验证管道上疑似腐蚀区域提供了可能。因此，根据本发明所述的方法将邻近的腐蚀坑当做腐蚀易感区进行定位、扩展、解释。
本发明的第二个方面涉及腐蚀扫描系统，所述系统包括
-一个定位臂，它用于三维定位和移动可拆卸地连接于其上的仪器；
-一个激光仪器，它适用于发射激光至某一表面的某一区域并探测从该区域反射回的激光用以估计该区域的情况，所述激光仪器是可拆卸安装在定位臂上，以及
-第一计算机可读装置，它连接到激光仪器和定位臂用于对它们的控制，由此计算机可读装置接收和处理通过激光仪器获得的表面状况数据。
在一个较佳实施例中，腐蚀扫描系统进一步包括
-一个超声测量仪器，它适合传送声学信号至某一表面的某一区域以及探测从该区域反射回的声学信号用于估算该区域的情况，超声测量仪器可拆卸地安装在定位臂上，以及
-第二计算机可读装置，它连接至超声测量仪器和定位臂用于对它们的控制，由此第二计算机可读装置接收和处理通过超声测量仪器获得的表面状况数据。
在一个较佳实施例中，腐蚀扫描系统可包括附加的测量仪器，例如而不限于激光超声探测器或后向散射探测器。
腐蚀扫描系统可通过确定管道上腐蚀的位置和严重程度，另外还可通过确定管道在被腐蚀区域的剩余管壁厚度，来确定管道的安全使用期限。因此，给腐蚀扫描系统配置激光仪器，最好还配置超声或激光超声或基于伽马(γ)射线或贝它(β)射线反向散射测量仪器，它们都可安装在定位臂上，因此可以三维移动。
因为激光仪器和超声测量仪器可以在三维表面的所有可能方向上移动，仪器可以非常精准地确定腐蚀坑的表面情况，包括它们的位置和表面特性，例如宽度、深度、结构和腐蚀坑的形式。具体说。使用腐蚀扫描系统的每次测量都提供X、Y、Z坐标形式的表面状况数据。此外，使用腐蚀扫描系统的每次测量所提供X、Y、Z坐标形式的表面状况数据是可变的。有利地是，在三个可变方向上获取表面状况数据使获得更加正确精准的腐蚀信息成为可能。
腐蚀扫描系统相配的计算机可读装置能够接受和处理由激光仪器和超声测量仪器获取的表面状况数据，用以计算管道的剩余使用期限，在此期间管道的使用是安全的。
在这里使用的术语“第一计算机可读装置”和“第二计算机可读装置”指代具有一个通用处理器的两台不同的计算机或者具有两个不同处理器的一台计算机。在后一种情况下，通过使用激光仪器获取的数据可以在一个处理器中被处理，而另一个处理器处理由使用超声测量仪器获得的数据。所述计算机包括便携式计算机或野外计算机。
在第三个方面，本发明涉及由本发明所述方法获得的数据和包括这些数据的数据库。此外，本发明进一步涉及根据本发明所述方法获得数据的使用，它用于为确定管道安全使用期限准备预测图表。
这样，本发明提供一种方法，所述方法允许探测、定位、分析在管道内部或管道上的腐蚀，同时计算管道的剩余使用期限和管道的安全使用期限。本发明仅使用涉及管壁厚度和表面腐蚀的数据探测和定位腐蚀，同时计算剩余管道使用期限。此外，表面腐蚀和厚度的测量由单个系统执行。
通过以下的详细的描述及结合所提供的附图，本领域普通技术人员将会立刻认识到实施例的许多可能的用法和本发明的最终用途。
附图说明：
图1是根据本发明的一个实施例的腐蚀扫描系统定位臂的透视图。
图2是根据本发明的一个实施例的腐蚀扫描系统的装备有激光扫描器或白光扫描器的定位臂透视图。
图3是根据本发明的一个实施例的腐蚀扫描系统的装备有激光扫描器的定位臂透视图，并且所述定位臂安放在滑动架上。
图4是根据本发明的一个实施例的腐蚀扫描系统的装备有激光扫描器的定位臂透视图，并且所述激光扫描器连接至计算机可读装置。
图5示出根据本发明用于扫描管道的腐蚀扫描系统的使用。
图6示出根据本发明用于扫描管道的腐蚀扫描系统在某一特定地区的使用。所扫描的管道至少部分被掘出，而且扫描系统固定在管道上。
图7根据本发明提供的最佳拟合算法流程图。
图8至图14示出应用在管道上最佳拟合算法的一些步骤。
图8提供管道扫描表面的实时图。图9A-C代表将多个3D图像转化为多角表面的结果。图10示出扫描坐标系以全局坐标系的对准。图11示出在最佳拟合算法中两个测径器的使用。图12示出从最佳拟合圆柱体中创建的参照物，以及用曲线根据扫描数据横截面创建的最外层曲面。图13示出三个被腐蚀区。黑色曲线是表示10％金属损失线的拓扑线。封闭的区域代表腐蚀。图14描绘在管道表面的两个腐蚀区，由白色长方形框标出。
具体实施方式：
腐蚀是自然发生的现象，通常定义为物质，一般是金属或者它的性能因为与环境的反应的而劣化。腐蚀可导致对物体危险和花费巨大的损失，所述物体诸如公路桥、气体和液体运输管道、铁路、机动车、飞机、船只、起重机、石油提炼、化学，石化及制药生成厂、核电站等等。腐蚀可以导致结构损坏，使用寿命损失、基建投资的缺失和环境损害，因此需要进行探测、测量、标注和评价。
一个通常的误解是腐蚀破坏是以同一速率和同一腐蚀机制一直进行的，实际上并非如此。腐蚀的发生是阶段性的，涉及特定的发生条件，例如由温度的波动引起，或者由变化的产品化学性能和管道材料之间相互反应引起。腐蚀的严重性，或者潜在的灾变特性，不能仅由速率确定。例如，在加压系统里，低速局部腐蚀(例如点腐蚀)可能比高速普通腐蚀对管道完整性造成更大的损害。
本发明提供腐蚀扫描系统和方法，能够快速测量和评价在管道段笔直的主要部份及弯曲部分的腐蚀，以节省与之相关的费用。费用节省进一步由改进的精度产生，因为关于移除或修补管道段的决定可有更大的确定性，从而避免不必要的修理，这些修理在使用旧有的方法和精度较低的技术时被认为是需要的。此外，可以做出更可靠的修理，此修理所需的安全因素更低，从而提供进一步的费用节省。此种系统和方法还允许区分、计算和归档管道外部及内部腐蚀损伤的金属损失。
方法
在第一个实施例中，本发明提供用于确定管道安全使用期限的方法，此方法可应用于任一平坦的，弯曲的或焊接的表面，诸如管道肘接处、管道圆周面，管道焊接处等等。
该方法包括起始步骤，用于确定管道上用于表面腐蚀分析的区域和为管道上限定的内部和/或外部区域的扫描提供腐蚀扫描系统。随后，通过腐蚀扫描系统在限定区域的表面定位腐蚀和进行测量。据此，找出在所述表面的多个腐蚀凹坑并进行测量。本方法的下一步，通过腐蚀扫描系统测量管道限定区域的剩余管壁厚度。在最后一个步骤中，处理由本方法所述的通过腐蚀扫描系统获取的涉及限定区域腐蚀的表面状况数据，用于确定管道的安全使用期限。
根据本发明所述的方法能够提供涉及限定区域腐蚀的易于使用的输出数据。输出数据可被用于识别点腐蚀，在某一特定区域和深度的凹陷，并且评价剩余材料的总量，即剩余管壁厚度和被腐蚀管道的强度。
在传统方法中，腐蚀扫描通常在固定距离上进行，即管道上Z坐标为常数。这样的结果是表面情况坐标仅在两个维度上可变，即提供可变的X和Y坐标。在传统方法中，不测量Z轴的表面状况数据。
相反地，根据本发明所述的方法三维执行腐蚀扫描。这意味着扫描并非在被扫描管道的固定距离处进行。在根据本发明所述的方法中，应用可三维的所有可能方向上移动的腐蚀扫描系统。其结果是，由在以上提供的方法中的腐蚀扫描系统所完成的每次测量提供以X、Y坐标及Z坐标形式的表面状况数据。此外，使用腐蚀扫描系统的每次测量提供以X、Y、Z坐标形式的表面状况数据是可变的。变化的三维坐标与测量情况相对应，这就能提供关于腐蚀更为精确、完整、有效的数据，这些数据使用传统腐蚀扫描系统是无法获取的。
在某些特定的实施例中，本发明不仅提供识别单独的腐蚀坑的方法，还提供确定管道上腐蚀易感区域的方法。因此，在根据本发明所述方法中使用的腐蚀扫描系统通过允许定位单独的腐蚀坑的方式被构成。被定位的邻近腐蚀坑被组合在一起，并且作为腐蚀易感区域被指明。
因为本发明所述方法允许通过使用在X、Y、Z方向上可移动的腐蚀扫描系统定位和测量限定区域表面，所以本发明提供可在管道的所有部分上进行的腐蚀分析方法，所述所有部分包括平直及弯曲的管道区域和最好包括焊接区域，所述焊接区域通常更易于受到腐蚀。
在根据本发明所述方法中使用的腐蚀扫描系统优选地包括一个定位臂，它可以三维定位和移动可拆卸地连接于其上的仪器；一个激光仪器，它适用于发射激光至某一表面的某一区域及探测从该区域反射的激光用以评价该区域的情况，所述激光仪器是可拆卸地安装在定位臂上，以及第一计算机可读装置，它能够被连接到激光仪器和定位臂用于对它们的控制，由此计算机可读装置适合于接收和处理通过激光仪器获得的表面状况数据。
在一个较佳实施例中，本发明涉及以上描述的方法，其中第一计算机可读装置通过使用最佳拟合算法适于接收和处理由激光仪器获得的表面状况数据。关于最佳拟合算法的更多描述将在随后提供。
在进一步的实施例中，第一计算机可读装置适于接收和处理通过使用其他技术的激光仪器获得的表面状况数据，所述其他技术包括表面参考技术、内管壁厚度规格技术和浮动最佳拟合平面技术。关于这些技术的更多描述将在随后提供。
在一个更佳的实施例中，在根据本发明所述方法中使用的腐蚀扫描系统进一步包括超声测量仪器，它适合传送声学信号至某一表面的某一区域以及探测从该区域反射回的声学信号用于估算该区域的情况，超声测量仪器可拆卸地安装在定位臂上，和第二计算机可读装置，它能够连接至超声测量仪器和定位臂用于对它们的控制，由此第二计算机可读装置可接收和处理通过超声测量仪器获得的表面状况数据。
优选地，根据其他实施例，本发明涉及一种方法，其中第二计算机可读装置不同于第一计算机可读装置，其中第二计算机可读装置适合通讯连接至第一计算机可读装置。
腐蚀扫描系统
在另一实施例中，本发明涉及腐蚀扫描系统，所述系统用于确定和描述用于腐蚀扫描分析的某一物体表面某一限定区域上的腐蚀。腐蚀扫描系统包括定位臂、可拆卸地连接至此定位臂的激光仪器和计算机可读装置，它连接到激光仪器和定位臂上用于对它们的控制。
参考图1，示出一个腐蚀扫描系统定位臂1的例子。定位臂可以手动或自动操作。所示的定位臂1包括适于将臂1定位在安装元件5上的基座2、可旋转连接至基座2的第一支架3和可旋转连接至第一支架1的第二支架4，以及适合安装在其上的至少一个可旋转可拆卸仪器。重要地是，此定位臂1可以在为腐蚀扫描分析所限定区域的上方三维定位和移动可拆卸地连接于其上的至少一个仪器。定位臂的第一支架3和第二支架4最好由金属，铝或是诸如Cevelar的合成材料制成。在一个较佳实施例中，定位臂的支架3，4由合成材料制成。此类材料具有对温度波动敏感性低的优点。
定位臂的支架数不限于图1所示的数目。定位臂，在这里也可称为3D定位器，可以根据支架数目具有单个或多个轴，例如从限于一个限定或不限定的轴到14个或更多个在不同支架间的自由轴。定位臂可被放置在有磁轮的滚轮上，同时提供编码器，用于计数和记录装置的位移和移动。
在另一个较佳实施例中，一个或更多的测量仪器，例如激光扫描器，超声测量仪器或其他探测器可以被安装在相同的定位臂上。仪器可以安装在定位臂的一个支架上，也可以安装在定位臂的第二、第三或是第四支架上。
在另一个较佳实施例中，根据本发明的腐蚀扫描系统进一步包括冷却系统，它可连接到位于所述定位臂上的测量仪器，同时能够控制所述测量仪器温度。合适的冷却系统包括但不仅限于使用冷却板的闭环冷却系统，或压缩机冷却和/或定位臂的温度补偿和/或激光传感器或白光扫描器，或在传感器罩壳内通过空气流动冷却。可以通过PT100、PT1000等等在测量仪器和3D定位器内建立温度补偿，用以对环境温度的测量补偿。
定位臂是高度精确且便携的，它可以不考虑周围环境在所需要的地方容易地被安装。在一个较佳实施例中，定位臂装备有基座2，所述基座被设计用来可移动的或是固定的使用，同时使定位臂可被安装在不同种类的安装元件或安装表面上，所述安装表面包括但不仅限于桌面、滑行轨道、三脚架、磁块、凸轮锁之类的元件上。这样定位臂可以通过磁体安放在将被扫描的物体表面。此类磁体可以是例如电磁铁，或是具有凸轮锁系统的磁铁。更佳地，定位臂1的基座是可拆卸地连接至被测表面的。对定位臂的可拆卸连接来说，可拆卸连接意味着诸如搭接、磁连接，例如永久或电磁体、钳夹、托架、拴接、框架、真空夹、凸轮锁系统之类，它们可如要求用于保证定位臂1相对于表面的固定。同样地，定位臂1可以装配在可移动或固定的底座上，它们用来搬运定位臂1。例如图3示出根据本发明实施例的在滑动轨10上定位臂1的安装。这种滑动轨可以架在横向轨道系统上，这样定位臂可以在轴向和径向上移动。可选地，图5示出根据本发明在管道13提供的安装表面5上的定位臂1的安装。
当定位臂被安放在有磁轮的滚轮上或其他移动元件上，定位臂的位移被记录，同时此数据被添加至由安装在定位臂上的仪器测得的3D表面状况数据。这样定位臂的位移可以被方便快速地记录在已记录的表面状况数据相同的全局坐标系中。
如图6所示，根据本发明所述系统是便携而且便于在野外使用。如图所示，管道13被掘出，而且腐蚀扫描系统在所掘出的管道上使用。扫描系统通过把定位臂1的基座2固定安装表面5将扫描系统装在管道上。使用者现在可以很轻易的移动在被埋设管道表面之上的连接在定位臂第二支架4上的仪器6用于检查那片区域的腐蚀状况。定位臂连接至计算机可读装置7，为此获取的数据可以在屏幕上实时建立，从而可以验证数据是否被捕捉且物体被完全扫描。
图2示出根据本发明实施例的腐蚀扫描系统，由此激光仪器6连接至定位臂1。激光仪器可以发射激光至某一表面的某一区域及探测从该区域反射的激光用以估计该区域的情况。激光仪器可以轻易地从定位臂1的第二支架4上移除或重新连接。在一个较佳实施例中，本发明涉及腐蚀扫描系统，其中激光仪器6包括激光源，所述激光源适于发射激光通过为腐蚀扫描分析所限定的材料表面某一区域、和投射激光穿过所述表面区域的装置和激光探测器，所述探测器适合探测从所述材料表面区域反射回的激光同时产生表面状况数据。
激光仪器可包括本领域内周知的任意激光仪器，包括白光扫描器，例如莫阿(moiré)。激光仪器适用于表面的数字化。在激光仪器中，激光源可以是传统的，例如激光二极管或气体激光器，例如5mW氦氖激光器，或者莫阿(moiré)白光扫描器。现知的所有激光器，包括那些产生可见光、红外光和紫外光的激光器可被使用。用于激光投射的装置为激光仪器建立了一个视场，而且在表面产生窄扫描区。投射装置包括使激光束穿过扫描区的反复扫描的装置。在那种情况下，光束持续地从扫描区的一端移动到另一端用于追踪扫描区。优选的投射装置包括用于以恒定的图案发射激光以持续限定扫描区的装置，诸如使用某一元件衍射或折射激光束。可选地，投射装置仅仅是用于限定从光源投射的激光区域的装置，例如定型的隔板，用于限定由激光二极管输出的放射状投射和用来为激光仪器产生视场。从要被测量的表面反射的激光被激光探测器探测到。激光探测器优选是电荷耦合器件(CCD照相机)，它探测和记录从扫描区反射回的激光的图案和强度。可以达到相同结果的其他合适的探测器，可以被理解为在本发明此元件的范围之内。此类探测器可以是，作为非限制性的例子，CCD阵列、光电探测器阵列、TDI阵列和光电探测器，例如Si、Ge、Pb、和InGaAs光探测器。同样地，可以达到相同结果的其他合适投射装置，被理解为在本发明的范围之内。
在本发明的另一个较佳实施例中，激光仪器6每秒可以扫描大约20.000或更多的测量点。不考虑投射激光的方法或仪器，每秒的扫描数可由用户调整，而且在同一区域可以进行重复扫描。在本发明的一个较佳实施例中，激光仪器6每秒能够优选地扫描23.000或更多的点。光探测器，例如电荷耦合器件，可以每400毫秒或更短的时间间隔采样连同角度位置的反射光用于产生一个测量点，所述测量点将被发送至计算机可读装置。在另一个较佳实施例中，根据本发明的腐蚀扫描系统能够扫描区域范围在每分钟500至1000cm2之间。此外，在根据本发明的另一个实施例中，腐蚀扫描系统能够提供高精度测量，达到μm级和每个测量点间0.025mm密度。
激光仪器在运转中连接到定位臂的第二支架。因为此定位臂可以在所有可能方向上移动，因此，在运行中激光束被投射穿过材料表面以限定在所有可能方向的扫描区域，即在X、Y也包括Z方向上。其结果是，使用激光仪器的每次测量能够获取X、Y、Z坐标形式的表面状况数据。此外，对于使用腐蚀扫描系统的每次测量，X、Y、Z坐标形式的表面状况数据是可变的。由此得到的结果是，可以很精确的估计一个限定区域、减少定位错误、以及提高精密度、正确度和速度，同时腐蚀坑的表面情况，包括位置和表面特性，例如宽度、深度、结构和腐蚀坑形状，可以被很精确的确定。
如图4示出装有激光扫描器的定位臂的一个实施例的透视图，其中所述扫描器连接至计算机可读装置。这个(第一)计算机可读装置7可以被连接至激光仪器6和定位臂1用以对它们的控制。第一计算机可读装置适于接收和处理通过激光仪器1获取的表面状况数据。在一个较佳实施例中，腐蚀扫描系统进一步包括第一计算机可读装置7，其中使用最佳拟合算法的第一计算机可读装置适于接收和处理通过激光仪器6获取的表面状况数据，如下将详述。
在一个较佳实施例中，定位臂可以在两次扫描之间分步移动或在扫描同时移动激光仪器用于测量整个限定区域。在本发明的操作中，激光仪器产生表面状况数据同时定位臂产生相关位置数据，两种数据被计算机可读装置接收。
更佳地，表面状况数据和位置数据的产生是自动的，同时计算机可读装置自动处理那些数据用以产生涉及在被测表面区域上的腐蚀的数据。关于某个区域腐蚀的数据主要涉及腐蚀坑的识别和深度。在另一个实施例中，尽管本发明也提供腐蚀扫描系统，此系统通过将邻近的腐蚀坑分别组合成腐蚀易感区域，能够识别某一表面有效的腐蚀易感区域。为激光仪器和定位臂的自动运行所编的程序，也包括自动信号处理，在本领域技术人员能力范围内。数据可被实时处理，数据输出器件也可以适于以本领域使用的形式迅速提供数据，或下载至存储器随后处理。
在一个较佳实施例中，不同种类的测量仪器可被连接至本发明所述的腐蚀扫描系统。在传统方法中，当使用不同种类仪器测量腐蚀缺陷时，精确匹配一个仪器测量的缺陷和另一个仪器测量的缺陷是一个问题。测距仪滑程、方位差别、工具差别、精度和灵敏度及腐蚀大小和形状的改变都使匹配不同仪器变的困难。本发明的腐蚀扫描系统通过在同一系统中提供不同的测量仪器解决这一问题。这里的腐蚀在同一地点、以最高精度、使用安装在同一定位臂上的不同测量仪器进行测量。在同一地点，即在X、Y、Z坐标相同的同一地点，使用不同测量仪器进行不同的测量。
这样，在一个较佳实施例中，本发明涉及如上所述用于确定和描述为腐蚀扫描分析所限定物体表面的某一区域的腐蚀扫描系统，进一步包括可拆卸安装在定位臂上的超声测量仪器，它适合传送声学信号至某一表面的某一区域以及探测从该区域反射回的声学信号用于估算该区域的情况，以及第二计算机可读装置，它能够连接至超声测量仪器和定位臂用于对它们的控制，由此第二计算机可读装置接收和处理通过超声测量仪器获得的表面状况数据。在一个较佳实施例中，激光仪器和超声测量仪器都被可旋转安装在定位臂的第二支架上。
术语“超声”涉及其频率或音调高于人耳听力上限的声能。超声机械振动发生在高于人类听力上限的频率，所述听力上限约为20kHz。大多工业超声测试在500KHz到20MKz频率范围内进行，尽管低于50KHz和高于200MHz的频率被用于一些特定情形。通常情况下，使用更高的频率对薄型材料和小裂纹将产生更清晰的分辨率，而更低的频率为难以传播声波的厚样品或材料的测量提供更佳的穿透力。
超声波具有高度的方向性。不像可听见的声音从声源向任意方向辐射，超声可作为高度聚集的束被产生，此束以预置的图案穿过材料传播。所有的声波在不同材料的分界处发生反射。但是在超声频率，很短的波长允许来自很小目标的反射，例如小裂纹。例如，空气分界，像测试块的远端壁或其他实心物体内部的裂缝，将接近100％反射击中它的超声声束。
超声测量仪器适于确定物体厚度，例如管壁厚度。
在一个较佳实施例中，本发明涉及腐蚀扫描系统，其中超声测量仪器包括超声换能器，所述换能器适于产生声学信号穿过为腐蚀扫描分析所限定材料表面的某一区域，同时适于探测从材料表面那一区域反射回的声学信号并产生表面状况数据。超声换能器把电能转化为机械振动，反之亦然，同时产生和接收高频声波。当材料的物理结构改变，声波穿过其中的路径也会改变。超声材料分析通常要考虑参数，例如声速、声衰减、散射或包含回声的频率。这些参数帮助分析或限定材料特性，包括材料厚度。用于这些操作的仪器可以是从简单的脉冲发生器或接收器到复杂的分析系统。超声探测器探测和记录从管道壁外部或内部反射的超声信号(声波)。特别地，探测器确定发射和接收声学信号间时间差的波动。基于其上的数据，管壁厚度可被计算。其他合适的可达成相同目的的探测器，被理解为在本发明范围之内。
超声测量仪器在运行中被连接到定位臂的第二支架。因为此定位臂可以在任意方向上移动，因此，在运行中，声学信号被投射穿过定向于任意方向的材料表面。
在一个实例中，激光探测器和超声探测器可由系统的同一定位臂提供，并三维记录表面状况数据。因为臂上的两个探测器间的距离已知，特定的软件程序将一个探测器的3D测量结果转化至另一个探测器同样的3D测量结果。如果两个探测器的深度测量值不完全相等，就可基本确定存在外部腐蚀。两个探测器的相等深度测量值确保了本系统的精度，同时也可认为是一种校准可能性。由激光探测器提供的深度测量值通过最佳拟合圆柱方法被确定，所述方法提供通过穿越缺陷区域扫描整个管道的外部直径获取的真实标称直径。腐蚀缺陷的外部金属损失可在3D上被定量。如果超声探测器的深度测量值与激光探测器所获取的深度测量值不一致，就可基本认定管道内部有金属损失，此损失可从由激光探测器获取的mm3形式的总金属损失推定出的由超声探测器获取的mm3形式的总金属损失中，即在最佳拟合圆柱体下穿过缺陷区域的激光探测器总金属损失被定量。
根据本发明使用超声测量仪器的腐蚀扫描系统能够产生测量记录，此记录可被用于确定管壁的特性，例如在管道中，管壁特性主要指的是管壁厚度。特别地，在腐蚀管道的实例中，它能够测量剩余管壁的厚度。如果管壁内没有由于腐蚀或其他机械损伤造成的金属损失，使用仪器连同超声系统将会显示正常的管壁厚度。然而，如果存在金属损失，系统将会记录信息，指出现在管壁薄于最初的未受损的管壁。传统上，超声过程只是测量超声能进入管壁由外管壁反射再回到换能器所花的时间。在这里的测量，参考的是来自内部管壁(ID)表面的第一反射。由换能器接收到的下一个信号通常是来自外部管壁(OD)的反射。从ID信号开始到OD信号开始的时间差示出了超声能横越管壁两次所需的时间。这通常被称为双路时间，而在管道检查用语里，它通常被称为“金属时间”因为它指代超声能穿越钢制管壁所需时间。使用金属时间的一半(单路时间)易于计算管壁厚度，因为在钢铁里的声音传播速度(约为5793米/秒)是已知的。
第二计算机可读装置是连接至超声测量仪器和定位臂用于对它们的控制。第二计算机可读装置适于接收和处理通过超声测量仪器获得的表面状况数据。在一个较佳实施例中，根据本发明的腐蚀扫描系统提供第二计算机可读装置，它不同于第一计算机可读装置，由此第一计算机可读装置与第二计算机可读装置可互连。第一计算机可读装置和第二计算机可读装置可集中在一个便携单元里，或者计算机可读装置的部份与激光仪器或超声测量，定位臂和/或其他元件仪器相连但与它们分开放置和/或作为它们的专用。这样计算机可读装置可以，例如由一个或更多可读微型计算机组成。不考虑结构，计算机可读装置的至少部分是与激光仪器或超声测量仪器和定位臂分开放置地，优选地由电缆(即通过光纤电缆)连接到定位臂和/或激光仪器或超声测量仪器，用于控制和接收从该区域来得数据。可选地，第一计算机可读装置和第二计算机可读装置可与激光仪器和超声测量仪器分别无线互连。
由第一计算机可读装置和第二计算机可读装置接收的数据可被处理用于提供关于扫描表面图像的、直观的或列表的信息或者输出，同时可进一步被处理用来确定所扫描材料的剩余壁厚和剩余强度，所述材料诸如管道。进一步的处理可被合并用于提供被扫描表面的相关修理意见。键盘和数据输出仪器，例如打印机、绘图机、显示器等等或它们的结合，优选地被提供用于允许操作程序接口至计算机可读装置。在另一个较佳实施例中，所述数据输出器件也可包括经由移动电话或GPRS的电子消息邮件。
可以被理解的是依照本发明多个激光仪器和/或超声测量仪器可被同时使用，也可被定位在同一定位臂以增加用于某一被评估表面区域的速度和能力。
可以进一步理解的是附加的测量仪器，适于测量某一物体的腐蚀情况，特别是管道，可被连接至同一定位臂。合适的附加测量仪器的非限制性实例包括激光超声探测器、UT激光探测器、基于伽马(γ)射线或贝它(β)射线的反向散射探测器；磁通探测器、壁厚探测器等等。例如，在另一个实施例中，壁厚测量仪器可在定位臂上使用。例如，在另一个实施例中，单点激光可与其他探测器一起安装在定位臂上。例如散射测量仪器，举例来说，像是伽马(γ)探测器之类的辐射探测器也可依照本发明被使用。“散射”被定义为在材料媒介中传播的波，是一种当波与媒介内非连续物相遇或者在原子或分子级与材料相互作用的情况下波的方向、频率或偏振性改变的现象。“辐射散射”是指在大气或其他媒介中，由于热辐射、电磁辐射或核辐射在辐射源和与其有一段距离的某个点之间与原子、分子或更大物体的相互反应或碰撞导致它们从它们的原始路径中分散。散射的测量涉及对当一束X光束穿过某一物体时衰减的测量并记录在探测器上。也例如，具有贝它或伽马射线的反向散射仪器可被安装在定位臂上。用基于使用反向散射的探测器可在不移除被测物体绝缘体的情况下测量外部和内部表面缺陷，所述被测物体即管道、容器、容箱、烟囱、蒸馏塔等等。反向散射仪器测量测量材料密度并可显示材料间中差异。在本装置中使用基于伽马射线或贝它射线的反向散射探测器技术，可以测量多层管壁厚度和测量绝缘层厚度，管壁厚度和中间绝缘层。
使用全部安装在同一定位臂上不同测量仪器的一大优点是通过使用不同的测量仪器获取不同的腐蚀测量和结果，同时所有的结果都在一个位置上获得，即对所有使用的仪器具有相同X、Y、Z坐标。这里允许通过对某一被扫描物体内部和/或外部某一特定区域不同的测量，获取最佳的、完全的和精确的信息。
另一个优点是用于实验室范围的，例如教育目的或研究目的，一种小3D定位装置(定位臂)，可被提供主要用于腐蚀速率测量和分析。
在另一个实施例中，本发明提供系统和适当的软件，能够用在定位臂上与其他探测器结合的触点探测器在扫描模式下追踪腐蚀表面。此外，这也可由其他三维移动的仪器实现，例如测量机或X-Y-Z平台。
算法
如上所述，最佳拟合算法用于处理例如通过使用扫描装置上的激光仪器获取的表面状况数据。图7提供在最佳拟合算法中使用的各步骤的图解概览。
本方法的第一步包括在逻辑框13内指明的扫描数据的获取。在实际应用中，激光仪器，例如激光条纹传感器，安装在定位臂上。定位臂可手动或自动操作。激光条纹传感器在要被扫描的物体上投射一条线。它测量在条纹各点上的深度，同时定位臂提供通用的XYZ位置坐标。激光条纹传感器和定位臂在一个确定维度的立方体里对准。对准结果被存储在每个扫描文件里。激光仪器在待扫描物体上方被手动或自动移动，优选地每秒捕捉23,000个点。所获取的数据被实时的建立在屏幕上，使数据是否被捕获且物体是否被完全扫描能够进行校验。图8提供一个被扫描管道表面实时视图。
在一个较佳实施例中，获取外部的(外表面的)表面数据，及内部的(内表面的)表面数据。优选地，外表面数据由前述段落所解释的方法获取。为获取内表面数据，需进行管壁厚度测量。使用臂顶结合有探测器的定位臂使厚度测量被添加至外表面测量，所述探测器包括例如超声探测器、UT激光探测器、反向散射探测器、磁通探测器、管壁厚度探测器，
随后，扫描数据被并入全自动过程，该过程将提取自扫描插补或未组织点云的多重3D图像转化为多角形表面或网孔。如图7所示，获取在逻辑框14所指明的多角模型，同时获取在逻辑框15中指明在多角坐标系内的扫描数据。存在于顶点(点)的多角模型用三角形连接到相邻的顶点。这些转化有如下优点。每个多角表面(三角形)具有一个常态，使其中内部和外部的差异是可视的同时明暗图也可被制作。同样地，消除了交叠，同时使用一个合适的3D过滤器可在保护边缘和细节的同时进行巧妙的缩减。图9A-C指代将多重3D图像转化为多角表面的结果。图9A示出原始数据(点云)；图9B示出合并的阴影网孔，图9C示出来自合并网孔的点云(顶点)，与原始点云相比缩减了5至10倍。
在一个较佳实施例中，在合并外部扫描数据之后，检查扫描系统的精确性。为此，磁性或非磁性的鉴定规块被放置在管道的最好由水准仪确定的12点或6点的处。更佳地，规块也有一个指示流向的箭头。管道厚度可由测径器自动测量。“测径器”是一个自动测量器件，它测量规块台阶的高度。测径器定义规块“最高台阶的上表面和最低台阶的上表面之间的距离”。把被测的规块台阶与规块的鉴定距离相比。被测和鉴定值之间的差别恰好位于扫描系统精确度内。
在一个实例中，两个测径器相互“台阶式”的被放置在12点处，如图11所示。使用“测径器方法”自动测量来自上部的测径器的厚度，并与测径器的鉴定厚度相比。这些值的差别最好落在扫描系统精确度范围内。
多角模型的坐标系最先在任意依靠定位臂定位的扫描坐标系中被提供。对之后的步骤来说，需要多角模型转化为参考坐标系或全局坐标系。这通过在多角模型上创建最佳拟合圆柱体达成。执行321对准使来自最佳拟合圆柱体的轴，即管轴，变为X轴，而且物理流向和X轴方向一致。在一个较佳实施例中，此方向如上所述由规块的箭头定义。设置Z轴的位置和方向，它从管道/导管指向物理意义的12点位置。更佳地，方向由规块的位置定义。如逻辑框17所示获取参考坐标系。图10示出扫描坐标系到全局坐标系的校准。
实体管道的外表面从不是精确的圆柱体。典型的变形是由纵向和横向的焊接接缝的存在，以及管道本身笔直度和椭圆变形(非圆形)引起的。参考管道笔直度和椭圆形、焊接接缝的存在、腐蚀尺度和被腐蚀区域，一些参考类型被建立。参考代表了未腐蚀状态下实体管道，如下所述使用最佳拟合圆柱体技术的除外。合并扫描数据和参考间的评估对照代表了局部的变形，即弯曲、材料损失、管壁厚度等等。
可根据不同的技术获取参考。
在一个实施例中，需要创建至少一个最佳拟合圆柱体(用于更大的腐蚀的多于30也不例外)用于获得实体管道的良好参考，即未腐蚀状态下的管道。有时候由唯一(多个)最佳拟合圆柱体无法创建良好参考。在那种情况下，需要使用表面技术创建所需参考，解释上图12示出从一个最佳拟合圆柱体中创建的参考(浅灰区)、用曲线从扫描数据截面(暗灰区)中创建的顶层表面。在一个实施例中，可在轴向也可在径向上创建最佳拟合圆柱体。例如，对直径较小的管道来说，在该区域管道的整个圆周被腐蚀，则通常在轴向上创建最佳拟合圆柱体，或者通过表面技术创建。
在其他实施例中，使用不同技术创建参考。在非标准管道、弯曲管道、印压等情况下，使用最佳拟合圆柱体技术很难或者不可能创建良好参考。在这些情况下，可基于非腐蚀区中画在多角合并模型上的参数立方曲线，创建曲线曲面的非均匀有理B样条(Nurbs)表面。
在另一个实施例中，如果内表面足够致密，此数据集可被合并，给出可靠的管道内表面多角数据集。内部(合并或未合并)和外部(合并或未合并)扫描数据间的对照示出了实际管壁厚度。
在另一个实施例中，可使用浮动最佳拟合平面技术。这一技术创建的参考尤其适用于自动报告。
执行如逻辑框18指出的多角模型和(多)参考(最佳拟合圆柱体或其他类型的参考)之间的对照，同时此对照示出了腐蚀的深度。参考和外部(合并)扫描数据间的对照给出了表面误差图。这为每个点给出了局部材料损失值，或实际管壁厚度，如果参考产生自内部扫描数据。如逻辑框18指出表面误差图被自动生成并且给出了腐蚀深度和维数的清晰环形概览。若某区域的偏差超过管道或导管壁厚的例如10％，便可认为该区域是腐蚀区域。用于确定腐蚀区域的值可以变化并参照相关工业的标准。下一步如逻辑框19指出在图上标出腐蚀区域，然后在如逻辑框20所示把每块腐蚀区域的表面状况数据输出至文本文件。这些文本文件包含每个顶点的坐标，即X、Y、Z坐标，还有这些值与参考值相比的偏差。图13示出三个腐蚀区域，其中黑色曲线是拓扑曲线，它代表10％材料损失线，而封闭区域代表腐蚀。
在本方法的下一个步骤中，如逻辑框21所示处理每块腐蚀区域的表面状况数据，用以确定腐蚀易感区和如逻辑框22所示获取在该区域的进一步数据。腐蚀区域的每个点，连同相对参考的误差矢量在定制程序中被读取。这些点的坐标以与展开的圆柱体表面相比的方式被转换。依靠所使用的腐蚀评价系统，诸如限定外部缺陷轮廓的长方形尺寸、具有最大误差的点的位置和深度、最坏情况的X、Y剖面图和“河床”此类数据被自动计算并从所有的缺陷中提取。可能的报告文件中的一些包括但不仅限于表面误差图；最坏情况剖面图和河床。这样，在另一个较佳实施例中，本发明提供一种方法，此方法用于计算在某一特定表面缺陷中最深点河底的“最坏情况剖面图”。依靠在部门和/或相关工业上使用的规范标准，一个或更多的区域被当做是一个腐蚀易感区。图14代表了管道表面内确定的两个腐蚀区域，所述区域由白色长方形框标出。
最后，管道的腐蚀报告由前述步骤获取的各元素做出，如逻辑框23所示。可手动地或自动地提供腐蚀报告。用于标准管道的专用自动腐蚀分析和报告软件已被开发。在一个较佳实施例中，所述程序包括以下步骤：
-扫描管道，外部和/内部
-通过执行测径器控制估计扫描精度，
-从原始扫描数据直接创建最佳拟合圆柱体，用于使用辅助3-2-1对准技术将数据集转换为全局坐标系。扫描数据是展开的，即借助由前一步骤创建的最佳拟合圆柱体展开数据。
-合并已获取的数据集
-执行“浮动最佳拟合平面”方法，用于从若干最适面中创建参考。这些在展开数据上的局部最适面与手动报告中的做出使用的局部最佳拟合圆柱体兼容。
-借助合适的相互规则自动确定腐蚀区域和缺陷，以及
-指定将在用户专用模板报告的元素(诸如具有最大偏差的点的位置和深度，最差情况下的X和Y轮廓等等)。这些单元被自动生成、计算并以pdf或html格式报告。或者腐蚀表面最深点的XYZ坐标的excel表格，所述表格中添加或未添加该位置的合适管壁厚度。
关于本领域周知的有限元分析，可基于获取的3D扫描数据完成，使用FEM组件标准的强度或材料应力分析。FEM软件分析和计算强度。所述强度是指“某一结构上可允许的最大破裂压力”。
在另一个实施例中，腐蚀报告可现场产生。为此，在另一个实施例中，处理获取的3D数据的方法包括直接在记录的3D数据点云中执行过滤，以及设计精确的最佳拟合圆柱体。
在另一个较佳实施例中，可如下所述完成在本发明使用的激光探测器或其他探测器的精度校准与控制。在某一快板上，例如金属板，金属件两侧的腐蚀区被研磨，用于模仿内部或外部腐蚀。此外，使用不同的材料作为校准材料，例如使用钢，用来为超声测量探测器和其他探测器执行正确的信号分析，并且用来校准这些探测器。用激光或其他探测器扫描腐蚀面。在一个较佳实施例中，用此校准块获取的具有1μM级精确度的测量值，根据本发明引入本3D软件中，并且把不同探测器获取的数据通过此软件进行比较。依靠此结果，可精确校准探测器。这些校准协议也能够提供当扫描实际腐蚀表面或补偿扫描时所获数据的精度指征，和/或使用精确测量数据的壁厚数据以及使用鉴定校准部份测量的测量偏差的精度指征。根据本发明，模拟腐蚀部份、校准部份由依照NIST、NAMAS、DKD、BKO、NKO或其他地方或国际标准所鉴定的高精度测量器件测量。这里的装置符合这些相关的精度和可重复性标准。由于该装置可在不同的气候条件下使用，则可在不同的温度下执行腐蚀分析。装置适用于在例如阿拉斯加及中东的沙漠里使用。
在本发明所述的另一个实施例中，系统和适当的软件能够迅速比较扫描数据和由清管器清理(pigging-runs)获取的数据。此外，根据本发明的系统和适当的软件也能够相互比较由其他测量仪器测量的X、Y数据或X、Y、Z数据的扫描数据。这样本发明能够连接在报告中获取的3D数据至其他软件程序，诸如管道完整性软件程序、管道管理软件程序和GIS程序。本发明也提供局部和细节视图，所述视图直接位于拓扑和GIS报告及数据集中。
在另一个较佳实施例中，本发明涉及一种方法，其中腐蚀扫描装置的位置由GPS全局坐标确定。装置测得的数据可与定位臂的GPS位置相关并加入其中。管道上的定位臂位置也可被此位置的GPS坐标所监控。
工业应用
根据本发明的装置和方法可有许多应用，其中应测量和定性腐蚀，和/或其中应测量和定性外部和/或内部表面缺陷。在其他实施例中，本发明尤其涉及腐蚀扫描系统和表面缺陷探测系统的使用，所述系统用于确定和定性为腐蚀扫描分析限定的某个物体内部和/或外部表面某区域上的腐蚀。在另一个较佳实施例中，本发明涉及腐蚀扫描系统和涉及本发明的方法的使用，所述系统和方法用于确定某个物体的安全使用期限。所述物体尤其可以从下述组中选择，所述组包括公路桥、管道、铁路、机动车、飞机、轮船、起重机、反应器、容箱、容器、烟囱、热交换器、蒸馏塔、气或液压力瓶、近海平台支架、铁路货车等等。在一个特定较佳实施例中，所述物体包括气体或液体传输管道。
本腐蚀扫描装置与本领域周知的已有装置相比具有许多优点。
本发明提供的上述方法，能够识别、扫描和分析缺陷上最低金属损失区的所在地。
在管道标准中推荐保护管道免受腐蚀的措施。它们包括例如保护性外部和/或内部涂层的应用。根据本发明的腐蚀扫描装置能够探测涂层厚度并且及时与腐蚀缺陷金属损失的传播做出比较以及时改变和估计这些涂层。最佳拟合圆柱体方法允许在腐蚀缺陷影响之前和之后定出管道半径和管道直径。
此外，管道内的动态应力可能产生缺陷生长。根据本发明的腐蚀扫描装置能够及时以3D坐标形式归档和测量内部及外部裂纹和裂纹的传播。
此外，管道可能被扭曲。时常发生的扭曲模式包括：a)局部(管壁)扭曲，由外部压力、轴向挤压、弯曲和扭转，或这些负荷的组合引起；b)传播扭曲，由随着局部弯曲和局部损失的外部压力引起；和c)全局扭曲，由来自于高工作温度和压力的轴向挤压力引起。根据本发明的腐蚀扫描装置能够以3D坐标形式测量扭曲长度并且精确测量纵向轴偏差和环绕扭曲区域的不同直径，用以进一步改进使用不同的现存的或新的数学算法计算剩余使用期限的修理仪器的评估。最佳拟合圆柱体技术允许在扭曲之前或之后定出管道的内部及外部半径或直径以及在这些最佳拟合圆柱体的程度上的轴向偏差。本系统能够作为一个时间函数以3D坐标形式归档和测量扭曲区域和它们的传播，使这些传播影响的评估和阐明得以改进。
引起管道损害的另一个原因是来自外力的偶然损害，诸如某些人挖掘进入或撞击管道。管道的故障可能发生在几个月甚至今年以后。这些损失影响的确定是很重要的。根据本发明的腐蚀扫描装置能够通过精确测量环绕凹痕区的不同半径进一步改善使用不同的现有计算和新的数学算法计算剩余使用期限的修理仪器的评估功能，以3D坐标形式测量深度、长度及外部和内部凹痕体积。在有金属损失的情况下，金属损失的测量将根据所选深度范围以金属损失深度和金属损失体积的不同范围依次排列。可完成完整的1D、2D或3D数字归档。
在另一个实施例中，本发明涉及根据本发明所述方法获取的数据。这些数据基本包括由根据本发明所述的腐蚀扫描系统提供的测量仪器获取的表面状况数据。在一个进一步的实施例中，本发明涉及包括根据本发明所述数据的数据库。这样，根据本发明，获得一个缺陷和腐蚀的3D库。
为确定在其整个设计期限内管道故障的可能性，必须识别所有可能的故障模式(即负载)并进行有效的故障分析。关于陆上或近海管道的首要可靠度故障包括外界干扰和腐蚀(外部和/或内部)。对一些管道来说，故障模式可包括疲劳，例如由大的周期压力变化引起的焊缝缺陷；弯曲不稳定性，即由热压力或海床移动或环形焊缝缺陷引起的扭曲，诸如由压力、外部负载或来自环形压力的疲劳。这些故障模式的概率分析，即整个寿命期限设计的应用，通常受到缺乏合适的数据的限制，例如缺陷分布、腐蚀速率等等，它们强加一些保守的假设和随后的保守故障速率。特别地，对计算故障概率而言，缺陷分布是必须的。但是多数现有系统不保存管道缺陷记录，而且那些数据库只使记录故障即导致产品损失的事件可用。这就妨碍了任何随机方法(极限状态设计或风险分析)，因为故障概率受缺陷总体的影响。相反地，这里的腐蚀扫描系统提供记录腐蚀扫描数据并且创建包含这些数据的数据库。有利地是，在另一个实施例中，这些数据和数据库可用于准备预测图表，此图表用于确定管道安全使用期限。
根据本发明的腐蚀扫描装置的外部和内部3D测量精密性对确定关于管道安全使用期限的更佳预测结果大有帮助。腐蚀缺陷及其传播的测量精度不足可导致对大量缺陷未来严重度的过高估计或对少量缺陷严重度的过低估计。在第一种情况下，过高估计是保守地，但是它的过度保守会导致由进行不必要维修引起的资源浪费。在第二种情况下，对严重度的过低估计可导致操作者对安全性的虚假判断，潜在导致管道故障。
这里的腐蚀扫描系统提供极高精度的管道外部和/或内部3D腐蚀测量，使用适当的软件处理所有可能的操作法和数理方法，这些方法使用精确的3D数字档案文件用于整个寿命期限状态设计和剩余使用期限估计，它们为腐蚀分布与传播的有效测量提供了新的可能，仅简单通过从历史扫描中分离出新的扫描数据和通过适当的软件滤出缺陷的变化与传播。
可以理解的是根据本发明的数据和数据库也可用于准备预测图表，所述图表用来确定许多其他物体安全使用期限，这些物体包括但不仅限于公路桥梁、管道、铁路、机动车、飞机、轮船、起重机、反应器、容箱、容器、烟囱、热交换器、蒸馏塔、气体和液体压力瓶、近海平台支架、铁路货车等等。
本腐蚀扫描系统的另一个应用包括它在复制上的使用。现今，许多腐蚀缺陷仍旧通过橡胶复制物或其他材料存档。本腐蚀扫描系统可以以三维形式测量或归档这些复制品。
在另一个实施例中，本腐蚀扫描系统也可用于重建在另一个管道部份或其他部份获取的缺陷或腐蚀的表面状况数据(3D形式)。借助本装置的3D数据与适当软件，存在复制在管道一个部份或其他部份的腐蚀或缺陷和它们特定的金属损失，并在另一部份模拟这些腐蚀和缺陷以用于测试的可能性。这可通过研磨、电腐蚀机、火花机、弯压机等等实现。不同的测试，诸如破裂实验，能够与这些测试相比较，这些测试例如随后使用期望的或估算的结果/影像的静止破裂压力或应力分析测试。这样本发明能够将计算或期望测试与有效测试进行比较，所述有效测试诸如在像管道、涡轮部件、容箱、“泵”外壳或结构上的破裂压力测试。
本腐蚀扫描系统也可用于教学实例或研究，籍此关于表面缺陷的形状和大小修正以复制品的形式制作。本腐蚀扫描系统可由各种材料制成，包括但不仅限于钢、铸铁钢、不锈钢、塑料、木材等等。
在另一个较佳实施例中，本腐蚀扫描系统和适当软件也可用于扫描裂纹和执行应力分析。
在另一个实施例中，本扫描系统也提供三维形式的多层厚度扫描。为此目的优选地可使用探测器，诸如超声、激光超声和反向散射测量仪器的探测器，它们可在一次运行中测量25层或更多层。
在另一个实施例中，本方法和装置也可应用在管道结构产业。提供管道的最佳安装顺序是本行业所需的良好工具。基于管道端扫描数据，一个最小最佳拟合圆柱体可自动生成。这是数学形式上的圆柱体(半径＝常数)，具有最大可内切半径(每个点都在拟合圆柱体外部或每个点与拟合圆柱体相比具有正向误差)。拟合单元与扫描数据间的对照给出对照表和表面误差图。基于误差表，可形成一个过程，用以确定提出管道最佳拟合解决方式顺序的表格。需要考虑三个参数：a)最佳拟合最小圆柱体半径，b)与圆柱体的平均差，c)与圆柱体的标准差(StdDev)。这一过程的结果是一张给出最佳安装顺序的表格：例如管1侧2、管x1侧y1、管x2侧y2、管x3侧y3等等。
显而易见的是，本发明还有许多其他实施例，它们虽然可能没有在以上被特别描述，但是明确属于本发明和它的等效范围之内。因此以上的描述被认为是示意性地，本发明的实际范围将由附上的权利要求独自确定。

Claims (27)

1.一种用于确定管道安全使用期限的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)在管道上为表面腐蚀分析限定一个区域，
b)提供腐蚀扫描系统，用于在管道上扫描限定区域，
c)借助腐蚀扫描系统，定位和测量限定区域表面上的腐蚀，以定位和测量所述表面上的多个腐蚀坑，
d)使用腐蚀扫描系统确定限定区域处管道的管壁厚度，以及
e)处理与步骤c)和d)中获得的限定区域处的腐蚀相关的表面状况数据，用以确定管道安全使用期限。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)和d)包括在限定区域表面之上三维移动腐蚀扫描系统，从而腐蚀扫描系统的每次测量都提供了X、Y、Z坐标中的表面状况数据。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤c)和d)包括在限定区域表面之上三维移动腐蚀扫描系统，从而对腐蚀扫描系统的每次测量而言，X、Y、Z坐标的表面状况数据是可变的。
4.如权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其特征在于，使相邻的腐蚀坑被定位和扩展至并被认为是易受腐蚀区。
5.如权利要求1至4的任意一项所述的方法，其特征在于，腐蚀扫描系统包括
-定位臂(1)，能够三维定位和移动可拆卸地连接于其上的仪器；
-激光仪器(6)，适用于发射激光至某一表面区域并检测从该区域反射的激光，用以估计其状况，所述激光仪器可拆卸地安装在定位臂上，以及
-第一计算机可读装置(7)，能连接到激光仪器(6)和定位臂(1)用于对它们进行控制，从而计算机可读装置(7)适用于接收和处理使用激光仪器(6)获取的表面状况数据。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第一计算机可读装置(7)适合于通过使用最佳拟合算法接收和处理借助激光仪器(6)获取的表面状况数据。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，第一计算机可读装置(7)进一步适合于通过使用浮动最佳拟合面算法来接收和处理借助激光仪器(6)获取的表面状况数据。
8.如权利要求1至7中的任意一项所述的方法，其特征在于，腐蚀扫描系统进一步包括
-超声测量仪器，它适用于将声学信号发送至某一表面区域并且检测从该区域反射的声学信号，以估计其状况，该超声测量仪器可拆卸地安装在定位臂上，以及
-第二计算机可读装置，能够连接至超声测量仪器和定位臂，用于对它们进行控制，从而第二计算机可读装置适用于接收和处理借助超声测量仪器可获得的表面状况数据。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二计算机可读装置不同于第一计算机可读装置，其中第二计算机可读装置适用于通信连接至第一计算机可读装置，并且其中第一计算机可读装置和第二计算机可读装置可以包括具有一个公用处理器的两台不同的计算机或者是具有两个不同处理器的一台计算机的任意一种情况。
10.如权利要求1至9的任意一项所述的方法，其特征在于，在管道上用于表面腐蚀分析的限定区域包括平直管道区域和弯曲管道区域，优选是焊接区域。
11.一种腐蚀扫描系统，用于限定用于腐蚀扫描分析的物体表面区域上的腐蚀进行判定和定性，所述系统包括
-定位臂(1)，能够在限定用于腐蚀扫描分析的区域上以三维定位和移动可拆卸地连接于其上的至少一个仪器，所述定位臂包括基本部件(2)，它适用于将定位臂(1)放置在安装元件(5)上；第一支架(3)，它可旋转地连接至基本部件(2)；第二支架(4)，它可旋转地连接至第一支架(1)并且适用于在其上可旋转和可拆卸地安装至少一个仪器；
-激光仪器(6)，可拆卸地连接至定位臂(1)的第二支架(4)，所述激光仪器适用于发射激光至某个表面区域及检测从该区域反射的激光，用以估计其状况，以及
-第一计算机可读装置(7)，连接至激光仪器(6)和定位臂(1)用于对它们进行控制，从而第一计算机可读装置(7)适用于接收和处理借助激光仪器(1)获取的表面状况数据。
12.如权利要求11所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，所述定位臂(1)的所述基本部件(2)放置在安装元件(5)上，诸如桌面、滑行轨道、三脚架、磁块、凸轮锁等。
13.如权利要求11或12所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，第一计算机可读装置(7)适合于通过使用最佳拟合算法接收和处理通过激光仪器(6)可获得的表面状况数据。
14.如权利要求11至13中的任意一项所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，通过使用浮动最佳拟合面算法，第一计算机可读装置(7)进一步适用于接收和处理通过激光仪器(6)可获取的表面状况数据。
15.如权利要求11至14中的任意一项所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，激光仪器(1)包括适用于发射激光通过为腐蚀扫描分析所限定的材料表面某一区域的激光源；用于投射激光到所述表面区域的装置；和适用于检测从材料表面的所述区域反射的激光并且生成表面状况数据的激光探测器。
16.如权利要求11至15中的任意一项所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，所述腐蚀扫描系统用于判定和定性为腐蚀扫描分析所限定的物体表面的某一区域上的腐蚀，该腐蚀扫描系统进一步包括
-超声测量仪器，它可拆卸地连接在定位臂的第二支架上，适用于将声学信号发送至某一表面区域以及检测从该区域反射的声学信号，以估计其状况，以及
-第二计算机可读装置，它连接至超声测量仪器和定位臂，用于对它们进行控制，从而第二计算机可读装置适用于接收和处理借助超声测量仪器获取的表面状况数据。
17.如权利要求11至16中的任意一项所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，所述激光仪器和超声测量仪器都可旋转地安装在定位臂的第二支架上。
18.如权利要求11至17中的任意一项所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，第二计算机可读装置不同于第一计算机可读装置，从而第一计算机可读装置和第二计算机可读装置可以互连，而且其中第一计算机可读装置和第二计算机可读装置可以包括具有一个公用处理器的两台不同的计算机或者是具有两个不同处理器的一台计算机的任意一种情况。
19.如权利要求11至18中的任意一项所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，第一计算机可读装置和第二计算机可读装置包括数据输出装置，其选自电子显示器、打印机、绘图器或其组合。
20.如权利要求11至19中的任意一项所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，所述系统进一步包括附加测量仪器，它们可拆卸地连接至定位臂的第二支架。
21.如权利要求11至20中的任意一项所述的腐蚀扫描系统，其特征在于，所述腐蚀扫描系统进一步包括一冷却系统，它可连接至所述定位臂上的测量仪器，并能控制所述测量仪器的温度。
22.如权利要求11至21中的任意一项所述的腐蚀扫描系统的使用，其特征在于，用于判定和定性为腐蚀扫描分析所限定的物体表面的某一区域上的腐蚀，其中所述物体选自公路桥梁、管道、铁路、机动车、飞机、轮船、起重机、反应器等等。
23.如权利要求22所述的腐蚀扫描系统的使用，其特征在于，用于确定所述物体的安全使用期限。
24.如权利要求22或23所述的腐蚀扫描系统的使用，其特征在于，所述物体是气体或液体运输管道。
25.通过如权利要求1至10的任何一项所述的方法获取的数据。
26.包含如权利要求25所述的数据的数据库。
27.如权利要求25所述的数据的使用，用于制备预报图表，以确定管道的安全使用期限。
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