CN101622519A - 振动管道诊断系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种振动管道诊断系统(100)。所述系统(100)包含至少一个适于固定到管道的振动发生器(104)，至少一个适于固定到管道的振动传感器(107)，以及与所述至少一个振动发生器(104)和所述至少一个振动传感器(107)通信的处理装置(111)。所述处理装置(111)被配置为使用所述至少一个振动发生器(104)来振动管道的一部分，从所述至少一个振动传感器(107)接收对所述振动的振动响应，将所述振动响应与管道的一个或多个之前的振动响应进行比较，如果所述振动响应与所述一个或多个之前的振动响应相差大于预定容限，则指示故障状况。

Description

振动管道诊断系统和方法
技术领域
本发明涉及管道诊断系统和方法，更具体地，涉及振动管道诊断系统和方法。
背景技术
管道被用于运输许多类型的气体和液体。不论是掩埋的管道还是地面上的管道都可以将这类材料运输数百或者甚至数千公里。石油管道和天然气管道只是经由管道的广泛网络被运输的材料的两个示例。
管道被设计为使用许多年。然而，这些管道不能永久存留。如果所运输的材料是至少部分有腐蚀性的，则管道壁可以随着时间逐渐受到腐蚀。这能够导致削弱管道并最终导致管道破裂。另外，如果所运输的材料包括固体颗粒，诸如沙或其它地质颗粒，则流动的材料可以侵蚀管道壁。该侵蚀过程也可以使管道壁变薄或变弱。
对管道的其它损害也是有可能的。例如，附近运行的机器可能冲击并损害管道。如果管道壁的一部分受到冲击而变形，则管道的结构完整性将受到影响。另外所存在的可能性是，管道壁的固有缺陷可能由于管道的使用而最终变得明显，诸如如果将管道加压到可观的压力级。
存在许多可用于检验管道状况的现有技术诊断装置和方法。可以从外面目视检查管道。然而，该现有技术方法非常耗时、乏味以及昂贵。另外，这样的检查可能不能够找到管道内部的缺陷、诸如腐蚀和侵蚀，或者至少直到问题变得足够严重到导致泄漏时才能够找到管道内部的缺陷。
一种现有技术检查装置被称为pig。pig是通过一段管道的电子检查装置。pig可以执行对管道内部的电子扫描，并且可以通过有线或无线电信号将信号或数据中继给外部站。然而，现有技术pig也具有缺点。在某些情况下的现有技术pig需要关闭材料流，从而pig在空管道中经过。可替换地，可以与具有材料流的管道一起应用pig，其中由材料流将pig载过管道。然而，可能为插入过程和取出过程而需要某种流中止。结果是，现有技术pig需要笨重的和耗时的插入和取出步骤。
另一现有技术诊断装置在颁发给Lander的美国专利公开2005/0279169中示出。Lander包括在内部附接到管道的振动传感器阵列，并且公开了管道中的泄漏将导致产生特征振动。Lander公开了，可以通过检测这些特征振动来检测泄漏。该现有技术方法的缺点是，该系统完全是被动的(passive)并且不能生成振动。另外，Lander的系统不能检测正在发展的管道弱化，并且不能检测管道中的未来缺陷或问题。Lander的系统不能检测或确定问题，直到泄漏发展。Lander的系统使得管道不能被维修以防止管道中的缺陷或变薄发展成严重泄漏。
仍存在对诊断系统和方法的需要来检测由腐蚀、侵蚀和其它物理冲击导致的结构退化以防止泄漏、避免环境冲击和冲击成本，以及将维修费用和停工时间最小化。
发明内容
根据本发明的实施例提供了一种振动管道诊断系统。振动管道诊断系统包含至少一个适于固定到管道的振动发生器，至少一个适于固定到管道的振动传感器，以及与该至少一个振动发生器和该至少一个振动传感器通信的处理装置。该处理装置被配置为使用该至少一个振动发生器来振动管道的一部分，从该至少一个振动传感器接收对该振动的振动响应，将该振动响应与管道的一个或多个之前的振动响应进行比较。该处理装置被进一步配置为如果该振动响应与该一个或多个之前的振动响应相差大于预定容限(tolerance)则指示故障状况。
根据本发明的实施例提供了一种用于管道的振动诊断方法。该方法包含振动管道的一部分，接收对该振动的振动响应，将该振动响应与管道的一个或多个之前的振动响应进行比较，以及如果该振动响应与该一个或多个之前的振动响应相差大于预定容限，则指示故障状况。
根据本发明的实施例提供了一种用于管道的振动诊断方法。该方法包含振动管道的一部分，接收对该振动的振动响应，以及根据该振动响应来确定管道的一部分的谐振频率。该方法进一步包含将该谐振频率与管道的一个或多个之前的谐振频率进行比较，并且如果该谐振频率与该一个或多个之前的谐振频率相差大于预定的频率容限，则指示故障状况。
在该系统的一个方面中，该故障状况与管道的一部分的壁厚的变化有关。
在该系统的另一方面中，该故障状况与管道的一部分的壁结构完整性的变化有关。
在该系统的又一方面中，该处理装置被配置为存储该振动响应。
在该系统的又一方面中，该处理装置被配置为传输该振动响应。
在该系统的又一方面中，该至少一个振动发生器和该至少一个振动传感器适于可移除地固定到管道。
在该系统的又一方面中，该处理装置被进一步配置为根据该振动响应来确定管道的一部分的谐振频率，将该谐振频率与管道的一个或多个之前的谐振频率进行比较，并且如果该谐振频率与该一个或多个之前的谐振频率的差超过预定的频率容限，则指示故障状况。
在该系统的又一方面中，该系统被配置为以预定的时间间隔重复该振动、接收和比较。
在该方法的一方面中，该方法进一步包括以预定的时间间隔重复该振动、接收和比较。
在该方法的另一方面中，该故障状况与管道的一部分的壁厚的变化有关。
在该方法的又一方面中，该故障状况与管道的一部分的壁结构完整性的变化有关。
在该方法的又一方面中，该方法进一步包括存储该振动响应。
在该方法的又一方面中，该方法进一步包括传输该振动响应。
在该方法的又一方面中，分析包括根据振动响应来确定管道的一部分的谐振频率，将该谐振频率与管道的一个或多个之前的谐振频率进行比较，以及如果该谐振频率与该一个或多个之前的谐振频率相差大于预定的频率容限，则指示故障状况。
在该方法的又一方面中，该方法进一步包括存储该谐振频率。
在该方法的又一方面中，该方法进一步包括传输该谐振频率。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的振动管道诊断系统。
图2是在管道中振幅(A)随频率(f)变化的图，该图图示了用于确定管道的谐振频率的一种方法。
图3是根据本发明实施例的用于管道的振动诊断方法的流程图。
图4是根据本发明实施例的用于管道的振动诊断方法的流程图。
具体实施方式
图1-4和下述说明描述了特定示例以教导本领域中的技术人员如何利用并使用本发明的最佳模式。出于教导发明原理的目的，将某些常规方面简化或省略。本领域的技术人员将意识到根据这些落入本发明范围的示例的变型方案。本领域的技术人员将意识到，可以用各种方式来组合下述特征以形成本发明的多个变型方案。结果是，本发明不限于下述特定示例，而只受到权利要求书及其等同物的限制。
图1示出了根据本发明实施例的振动管道诊断系统100。振动管道诊断系统100包括至少一个振动发生器104、至少一个振动传感器107和处理装置111。处理装置111与振动发生器104和振动传感器107通信。可以通过任何电线、电缆等的方式将处理装置111与振动发生器104和振动传感器107耦合，如图中所示。可替换地，可以通过任何无线连接方式(未示出)将处理装置111与振动发生器104和振动传感器107耦合。
振动发生器104和振动传感器107被固定到管道102。管道102可以包含管的一部分或一段。管道102可以是任何直径、长度或形状的管道。振动发生器104可以与振动传感器107在空间上分开，诸如分开距离D。可替换地，在另一实施例(未示出)中，振动发生器104和振动传感器107可以靠近地放置，或者甚至可以构成固定在管道102上的单个位置的单一组件。
在某些实施例中，振动发生器104和振动传感器107基本上被永久地固定到管道102。可替换地，振动发生器104和振动传感器107被可移除地固定到管道102。这两个组件可以用任何方式来可移除地固定，包括通过使用紧固件、带、夹具、粘合剂等。在某些实施例中，处理装置111也被可移除地或永久地固定到管道102。
处理装置111被配置为使用振动发生器104来振动管道102的一部分。处理装置111可以向振动发生器104发送驱动信号。振动发生器104从处理装置111接收驱动信号，并且随后根据该驱动信号在管道102中生成振动。该驱动信号例如可以包括预定的频率和振幅。该驱动信号例如可以包括预定的多个频率。
处理装置111被进一步配置为接收对振动的振动响应。该振动响应由振动传感器107生成并从振动传感器107接收。该振动响应包含对管道102的一部分的振动的测量，并且由发送给振动发生器104的驱动信号激励。
所接收的振动响应可用于确定管道102中的故障状况。因此，处理装置111被进一步配置为将该振动响应与一个或多个之前获得的管道102的振动响应进行比较。如果该振动响应与该一个或多个之前的振动响应相差大于预定的容限，则处理装置111指示故障状况。结果是，处理装置111可以确定是否已经发生了各种故障状况。
在一个实施例中，处理装置111根据当前的振动响应来确定管道102的一部分的谐振频率。如果管道102的一部分的壁厚或结构完整性未发生变化，则谐振频率不应发生变化。然而，谐振频率的变化可以指示管道102的一部分中的故障。例如，谐振频率的变化可以与管道102的一部分的壁厚的变化有关。管道壁厚可以由于腐蚀或侵蚀而减小，包括在管道102的流材料具有腐蚀性或磨损性的情况。另外，谐振频率的变化可以与管道102的一部分的壁结构完整性的变化有关。例如，如果管道102的一部分受到碰撞或以其它方式受到冲击，则谐振频率将发生变化。冲击可以使管道102凹陷或变形。冲击可以进一步导致管道102的破裂或其它结构损害。如果管道具有破裂或裂隙，则谐振频率将发生变化。
在某些实施例中，处理装置111可以包括附加性能。处理装置111可以存储当前的振动响应和/或谐振频率。振动响应/谐振频率可被存储以用作未来计算和比较中的历史数据。这使得处理装置111能够以预定间隔做出比较，并且可以跟踪发生在管道102中的任何腐蚀或侵蚀。处理装置111也可以使用所存储的数据来识别管道102的结构性损害的发生。所存储的数据也可以被用于未来的管道设计，包括选择管道材料和壁厚。另外，所存储的数据例如可以被用于预测进行更换或修理的时间。
处理装置111可以进一步传送数据给其它装置，包括远程监控或数据采集装置。数据例如可以包括振动响应、所确定的谐振频率和任何所确定的故障状况。处理装置111可以在信息被生成时或在另一装置请求该信息时传输该信息。
处理装置111可以与多个振动发生器104和多个振动传感器107通信。处理装置111可以被设计为与多个这样的站通信并控制该多个这样的站。有利的是，该实施例中的处理装置111可以减少费用和组件。另外，处理装置111能够检测正在传开的问题，诸如在管道102中向下游移动的腐蚀或侵蚀。
图2是在管道中振幅(A)随频率(f)变化的图，该图图示了用于确定管道102的谐振频率的一种方法。在管道102中生成处于预定频率的振动，如通过脉冲频率箭头所表示的。作为响应，管道102将以谐振频率振动，诸如在图中示出的响应频率尖峰。应该理解，振动发生器104不必为了在管道102中产生谐振频率响应而以谐振频率振动。
预定频率可以在谐振频率处或者接近谐振频率。例如，当管道是新的，没有出现任何侵蚀、腐蚀或结构问题时，可以以管道的谐振频率生成预定频率。可替换地，可以以之前确定的谐振频率(也就是例如之前存储的值)生成预定频率。
可替换地，振动管道诊断系统100可以生成扫频。扫频可以包括频率范围。振动响应可以包含管道102的振动，其中振动响应的振幅在谐振频率处将会大得多。
图3是根据本发明实施例的用于管道的振动诊断方法的流程图300。在步骤301中，管道的一部分受到振动。如之前所讨论的，可以以大约谐振频率、以所期望的谐振频率或者在频率范围上来振动管道的一部分。
在步骤302中，从管道的一部分接收振动响应。振动响应可以包括多个频率和振幅。
在步骤303中，将振动响应与一个或多个之前的振动响应进行比较。该一个或多个之前的响应可以由之前的诊断操作存储。结果是，该比较可以被用于确定管道的状况是否已经随时间发生变化。
在步骤304中，如果当前的振动响应与一个或多个之前的响应相差大于预定容限，则该方法进行到步骤305。否则，不指示故障，并且该方法绕过步骤305。
在步骤305中，因为当前的振动响应与一个或多个之前的响应相差大于预定容限，所以指示故障状况。这可以包括设定反映故障状况的状态、标志或变量。故障状况可以被存储和/或传输给其它装置。故障状况可以进一步被用于触发报警、提示对管道部分的检查等。
故障状况可以进一步反映故障的严重性。例如，故障状况可以包括反映在振动响应中所检测的变化量的水平。
可以重复执行上述步骤。可以以预定的时间间隔执行上述步骤。例如，可以以保证壁厚和/或壁结构完整性的任何变化将被检测到的间隔来执行这些步骤。
图4是根据本发明实施例的用于管道的振动诊断方法的流程图。在步骤401，管道的一部分受到振动，如之前所讨论的。
在步骤402，从管道的一部分接收振动响应。振动响应可以包括多个频率和振幅。然而，振动响应会很可能包括比周围频率可检测到地大的谐振频率。
在步骤403，根据振动响应来确定管道的一部分的谐振频率。在某些实施例中的谐振频率被确定为最大频率响应，如根据振动响应的振幅所确定的那样(见图2)。谐振频率包含管道的固有振动频率，并且可以取决于如下因素，诸如构造管道的材料、壁厚以及管道的形状和尺寸。其它因素也可影响谐振频率。
在步骤404，将谐振频率与一个或多个之前的谐振频率进行比较。该一个或多个之前的谐振频率可以由之前的诊断操作存储。结果是，该比较可以被用于确定管道的状况是否已经随时间发生变化。
在步骤405，如果当前的谐振频率与一个或多个之前的谐振频率相差大于预定的频率容限，则该方法进行到步骤406。否则，不指示故障，并且该方法绕过步骤406。
在步骤406中，因为当前的谐振频率与一个或多个之前的谐振频率相差大于预定的频率容限，所以指示故障状况。这可以包括设定反映故障状况的状态、标志或变量。故障状况可以进一步反映故障的严重性。例如，故障状况可以包括反映在谐振频率中所检测到的变化量的水平。如之前所讨论的，可以重复执行上述步骤。
可以根据实施例中的任何一个来应用振动管道诊断系统和方法以便提供若干优点(如果需要的话)。振动管道诊断系统和方法提供了非介入性的管道诊断性能，该非介入性的管道诊断性能在诊断过程期间消除了对管道流的破坏。振动管道诊断系统和方法提供了可以在不停止管道中的材料流的情况下被执行的诊断性能。振动管道诊断系统和方法提供了可以在不需要向管道中插入和从管道中移除诊断装置的情况下被执行的诊断性能。振动管道诊断系统和方法提供了远程监控管道的能力。振动管道诊断系统和方法可以显著地减少检查费用并提高检查频率。
振动管道诊断系统和方法提供了可以被用于监控最有可能经受问题和泄漏的管道部分的性能。振动管道诊断系统和方法提供了可以以间隔被执行的诊断性能。振动管道诊断系统和方法提供了可以经要求和在任何时间被执行的诊断性能。振动管道诊断系统和方法提供了在更经常和更规律的基础上监控变化的能力。
振动管道诊断系统和方法提供了对结构完整性问题的检测。振动管道诊断系统和方法提供了对壁变薄的检测。
振动管道诊断系统和方法可以防止泄漏。振动管道诊断系统和方法可以在泄漏发生之前检测到对管道的损害。振动管道诊断系统和方法可以避免环境冲击和相关费用。振动管道诊断系统和方法可以将维修费用和停工时间最小化。

Claims (21)

1.一种振动管道诊断系统(100)，其特征在于：
至少一个适于固定到管道的振动发生器(104)；
至少一个适于固定到所述管道的振动传感器(107)；以及
与所述至少一个振动发生器(104)和所述至少一个振动传感器(107)通信的处理装置(111)，其中所述处理装置(111)被配置为使用所述至少一个振动发生器(104)来振动所述管道的一部分，从所述至少一个振动传感器(107)接收对所述振动的振动响应，将所述振动响应与所述管道的一个或多个之前的振动响应进行比较，并且如果所述振动响应与所述一个或多个之前的振动响应相差大于预定容限，则指示故障状况。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述故障状况与管道的一部分的壁厚的变化有关。
3.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述故障状况与管道的一部分的壁结构完整性的变化有关。
4.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述处理装置(111)被配置为存储所述振动响应。
5.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述处理装置(111)被配置为传输所述振动响应。
6.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述至少一个振动发生器(104)和所述至少一个振动传感器(107)适于可移除地固定到所述管道。
7.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述处理装置(111)被进一步配置为根据所述振动响应来确定管道的一部分的谐振频率，将所述谐振频率与管道的一个或多个之前的谐振频率进行比较，并且如果所述谐振频率与所述一个或多个之前的谐振频率的差超过预定的频率容限，则指示故障状况。
8.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述系统(100)被配置为以预定的时间间隔重复所述振动、接收和比较。
9.一种用于管道的振动诊断方法，所述方法的特征在于：
振动管道的一部分；
接收对所述振动的振动响应；
将所述振动响应与管道的一个或多个之前的振动响应进行比较；以及
如果所述振动响应与所述一个或多个之前的振动响应相差大于预定容限，则指示故障状况。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括以预定的时间间隔重复所述振动、接收和比较。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述故障状况与管道的一部分的壁厚的变化有关。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述故障状况与管道的一部分的壁结构完整性的变化有关。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括存储所述振动响应。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括传输所述振动响应。
15.根据权利要求9所述的方法，其中分析包括：
根据振动响应来确定管道的一部分的谐振频率；
将所述谐振频率与管道的一个或多个之前的谐振频率进行比较；以及
如果所述谐振频率与所述一个或多个之前的谐振频率相差大于预定的频率容限，则指示故障状况。
16.一种用于管道的振动诊断方法，所述方法的特征在于：
振动管道的一部分；
接收对所述振动的振动响应；
根据所述振动响应来确定管道的一部分的谐振频率；
将所述谐振频率与管道的一个或多个之前的谐振频率进行比较；以及
如果所述谐振频率与所述一个或多个之前的谐振频率相差大于预定的频率容限，则指示故障状况。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括以预定的时间间隔重复所述振动、接收和比较。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述故障状况与管道的一部分的壁厚的变化有关。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述故障状况与管道的一部分的壁结构完整性的变化有关。
20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括存储所述谐振频率。
21.根据权利要求16所述的方法，进一步包括传输所述谐振频率。
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