CN104251381A - 基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统和方法，该系统由基于无人自主航行器的检测分系统和基于水下机器人的检测分系统组成。其中基于无人自主航行器的检测分系统包括无人自主航行器以及搭载在无人自主航行器上的管道位置探测模块及溢油检测模块，用于实现大范围快速巡检。基于水下机器人的检测分系统包括水下机器人、脐带缆收放模块、水上控制模块以及搭载在水下机器人上的管道位置精确探测模块和溢油精确检测模块，用于实现管道位置探测与高精度定位及微小泄漏准确检测。该系统检测速度快、费用较低，能够满足海洋石油安全生产的需要。

Description

基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种海底输油管道泄漏检测系统和方法，具体涉及一种基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统和方法，属于海洋工程水下装备与系统技术领域。

背景技术

海底输油管道是海上油田开发生产系统的主要组成部分，它是连续地输送大量原油最快捷、安全和经济可靠的运输方式。随着管道运行时间的延长，管道老化和腐蚀造成的穿孔经常发生，不仅损失大量的原油，而且还对海洋环境造成污染，人身安全造成威胁，给国家和企业带来严重的经济损失。因此，在海底管道在发生微小泄漏时及时报警提示，采取必要措施减少损失，尽可能避免海洋污染，具有重要的现实意义。

现有海底输油管道管外检测技术中，采用直升飞机沿管巡视或直接采用水下机器人搭载声波传感器进行泄漏检测应用较多。前者无法对微小泄漏进行检测，即使巡视出泄漏，也无法准确确定海底管道泄漏的位置及泄漏程度。后者检测效率较低，成本很高，同时无法确定该海域的原油泄漏量。

发明內容

有鉴于此，本发明提供一种基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统和方法，该系统和方法具备管道位置探测与高精度定位以及微小泄漏快速检测功能。

该方法基于无人自主航行器为搭载平台的快速检测步骤以及以水下机器人为搭载平台的精确检测步骤。

在所述无人自主航行器上搭载管道位置探测模块和溢油检测模块；所述水下机器人上搭载管道位置精确探测模块和溢油精确检测模块，水下机器人受控于工作母船；

所述快速检测步骤中，若海底输油管道的位置已知，则不启用管道位置探测模块，所述无人自主航行器在控制模块的控制下在海底输油管道的上方快速巡视；若海底输油管道的位置未知，通过所述管道位置探测模块探测海底输油管道，控制模块依据管道位置探测模块的探测结果实时调整无人自主航行器的航行方向，使无人自主航行器在所探测到的海底输油管道的上方快速巡视；

无人自主航行器在快速巡视过程中，溢油检测模块实时检测海底输油管道是否有泄漏，若检测到有泄漏，无人自主航行器向工作母船发送泄漏警报，并将泄漏位置发送给工作母船；否则无人自主航行器按照既定任务巡航；

工作母船接收到泄漏警报后，进入精确检测步骤；

所述精确检测步骤中，工作母船依据快速检测步骤中所提供的泄漏位置下放水下机器人，水下机器人在管道位置精确探测模块的引导下到达漏油管道所在位置；然后通过溢油精确检测模块检测并记录原油泄漏量。

所述快速检测步骤通过荧光传感器检测海底输油管道是否漏油；所述精确检测步骤，通过荧光传感器检测海底输油管道的原油泄漏量。

基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统包括以无人自主航行器为搭载平台的快速检测分系统以及以水下机器人为搭载平台的精确检测分系统；

所述快速检测分系统中，在无人自主航行器上搭载管道位置探测模块和溢油检测模块，同时所述无人自主航行器上设置有控制模块和通信模块；

所述管道位置探测模块布置在无人自主航行器的前透水舱内，包括磁异探测器；所述磁异探测器与控制模块相连，将探测信号实时发送给控制模块；每当磁异探测器的探测信号中出现峰值时，控制模块判断到当前位置的下方有输油管道，则改变无人自主航行器的航行方向，由此使无人自主航行器在所探测到的管道的上方沿Z形曲线航行；

所述溢油检测模块包括两个荧光传感器组，每个荧光传感器组包括两个以上用于检测海底输油管路是否漏油的荧光传感器；其中一个荧光传感器组位于无人自主航行器的前透水舱内，另一个荧光传感器组位于无人自主航行器的后透水舱内；荧光传感器分别与控制模块相连，将检测信号实时发送给控制模块；

所述精确检测分系统中，在水下机器人上搭载管道位置精确探测模块和溢油精确检测模块，所述水下机器人为带缆机器人，受控于工作母船上的水上控制模块；

所述管道位置精确探测模块由探测框架和三个磁力梯度计组成，三个磁力梯度计并排安装在探测框架上，探测框架固定在水下机器人上；管道位置精确探测模块将检测到的磁信号实时发送给水上控制模块，所述水上控制模块依据管道位置精确探测模块检测到的磁信号，控制水下机器人向最强磁场区域运动；

所述溢油精确检测模块为荧光传感器，荧光传感器将检测信息实时发送给水上控制模块。

所述荧光传感器包括光源、透镜组A、透镜组B、分光镜、入射滤光镜、棱镜、返回滤光镜、光电二极管和光电倍增管；其中光源为脉冲式疝气光源；入射滤光镜的透射波长为360nm，返回滤光镜的透射波长为235nm；

所述光源触发，发出入射光后，入射光穿过位于光源后方的透镜组A变为平行光，并照射在位于透镜组A后的分光镜上；所述分光镜将光线分为两束，一束直接被光电二极管采集，作为参考光强X；另一束通过位于分光镜后方的入射滤光镜后变为单色紫外光；该束单色紫外光通过位于入射滤光镜后方的棱镜反射，直接照射在待测海水上；待测海水返回的光线通过透镜组B整形成平行光后，照射到位于透镜组B后方的返回滤光镜；通过光电倍增管检测经返回滤光镜过滤后的光线的强度；

若当前位置的海底输油管道泄漏，则返回滤光镜出来的光线中只有235nm的受激荧光；荧光传感器将参考光强X和受激荧光的强度Y发送给水上控制模块，水上控制模块将荧光的相对强度Y/X在光源的一个脉冲周期内对时间积分，所得值即为待测海水中原油的浓度。

在所述控制模块中预设有磁异探测器的最小峰值限值；当磁异探测器的探测信号的峰值超过预设的最小峰值限值时，控制模块判断无人自主航行器的下方有输油管道。

所述管道位置探测模块中还包括侧扫声呐和变焦摄像机，所述侧扫声呐和变焦摄像机分别与控制模块相连，将探测图像实时发送给控制模块；当磁异探测器的探测信号中没有出现峰值时，若侧扫声呐或变焦摄像机的图像中有输油管道，则控制模块仍然判断无人自主航行器的下方有输油管道。

有益效果

(1)本发明将无人自主航行器和水下机器人作为检测系统的搭载平台，采用无缆的无人自主航行器作为管道泄漏检测系统的搭载平台可实现大范围快速巡检，而采用有缆的水下机器人搭载平台可实现泄漏小范围准确检测。两个系统配合使用，能够快速、准确地对管道进行泄漏检测及定位，极大地提高了检测效率，降低了检测费用，满足海洋石油安全生产的需要。该检测系统属于管外检测，不需停产，适用于所有口径海底输油管道。

(2)在基于无人自主航行器的检测分系统中，管道位置探测模块以磁异探测器为主，侧扫声呐及变焦摄像机为辅进行管道位置探测，采用多源信息融合方式进行判断，有效的降低了在复杂海底环境中因可能的磁场干扰而对管道的误判，提高了管道位置探测的准确度及可靠性。

(3)两个分系统中的溢油检测模块均通过荧光传感器来检测管道有无泄漏及泄漏量，具有灵敏度高，反应快的优点，能够有效提高检测效率。

(4)基于无人自主航行器的检测分系统中，在无人自主航行器的前后透水舱内均搭载有用于溢油检测的荧光传感器，能够缩短溢油检测模块的整体采样时间，大大提高了溢油检测的准确度及可靠性。

附图说明

图1为该系统的整体结构示意图；

图2为基于无人自主航行器的检测分系统示意图；

图3为荧光传感器溢油检测原理图。

其中：1-水下无人航行器、4-管道位置探测模块、5-溢油检测模块、6-水下机器人、7-管道位置精确探测模块、8-溢油精确检测模块、9-水上控制模块、10-脐带缆收放模块、34-水声通信模块、35-控制模块、36-蓄电池、37-导航模块、38-避碰声呐、39-照明模块、41-磁异探测器、42-侧扫声呐、43-变焦摄像机、51-荧光传感器、52-CTD传感器、200-工作母船

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提供一种基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统和方法，能够达到快速、准确对管道泄漏检测及定位的目的，极大地提高了检测效率，降低了检测费用，满足了海洋石油安全生产的需要。

该系统的整体结构如图1所示，包括基于无人自主航行器的检测分系统和基于水下机器人的检测分系统。其中基于无人自主航行器的检测分系统能够实现快速巡航，而基于水下机器人的检测分系统能够实现管道高精度定位及微小泄漏检测。

其中基于无人自主航行器的检测分系统以无人自主航行器为搭载平台，该无人自主航行器上设置有蓄电池36、控制模块35、水声通信模块34、导航模块37、避碰声呐38以及照明模块39，实现其动力、通信、导航、避碰和照明等基本功能。此外，在无人自主航行器上搭载管道位置探测模块和溢油检测模块，如图2所示。

所述管道位置探测模块布置在无人自主航行器的前透水舱内，包括磁异探测器41、侧扫声呐42和变焦摄像机43。所述磁异探测器41、侧扫声呐42和变焦摄像机43分别与控制模块35相连，将探测信号实时发送给控制模块35。控制模块35以磁异探测器41的探测信号为主，侧扫声呐42及变焦摄像机43的探测信号为辅，对管道位置进行判断，并依此控制无人自主航行器的航行轨迹。具体为：当在磁异探测器的探测范围内有输油管道时，其所探测的磁场强度信号会有跳变，出现峰值；为排除海底复杂环境带来的可能磁场干扰，在控制模块35中设置有最小峰值；若控制模块35监测到磁异探测器所探测的磁场强度信号的峰值超过预设的最小峰值，则判断无人自主航行器的下方有输油管道；在磁异探测器所探测的磁场强度信号的峰值没有超过预设最小峰值的情况下，若控制模块监测到侧扫声呐或变焦摄像机的图像中有输油管道时，则也可判断无人自主航行器的下方有输油管道。控制模块每次判断到当前位置的下方有输油管道时，改变无人自主航行器的航行方向，使无人自主航行器在所探测到的管道的上方沿Z形曲线航行，从而进行快速巡视。

所述溢油检测模块5包括CTD传感器(温盐深仪)52和两个荧光传感器组，每个荧光传感器组由两个荧光传感器组成。其中CTD传感器52和一个荧光传感器组位于无人自主航行器的前透水舱内，另一个荧光传感器组位于无人自主航行器的后透水舱内，采用两组四个荧光传感器能够大幅缩短溢油检测采样时间间隔。所述CTD传感器52和荧光传感器分别与控制模块35相连，将检测信号实时发送给控制模块35。管道微小泄漏及泄漏量检测以荧光传感器的检测结果为主，同时可结合CTD传感器52和变焦摄像机43对原油泄漏状况进行辅助判断，以提高溢油检测的准确度及可靠性。具体为：当荧光传感器检测到输油管道的某个位置漏油后，通过水声通信模块34向工作母船200发出泄漏警报，同时将CTD传感器52和变焦摄像机43的检测信息通过水声通信模块34发送给工作母船200，工作母船200结合CTD传感器52和变焦摄像机43的检测信息对原油泄漏状况进行辅助判断，以提高溢油检测的准确度及可靠性。

基于水下机器人的检测分系统以水下机器人为搭载平台，所述水下机器人与工作母船200配合，水下机器人上设置有照明模块、含云台装置的摄像头、多波束前视声呐、水声定位模块及激光尺度仪。水下机器人的视频图像、电力、控制等信号均由位于工作母船200上的水上控制模块9通过脐带缆收放模块10提供，其在水下的运动由操作人员在工作母船200上监视和控制。此外，在水下机器人上搭载有管道位置精确探测模块7和溢油精确检测模块8。

所述管道位置精确探测模块7由探测框架和3个磁力梯度计组成。三个磁力梯度计并排安装在探测框架上，探测框架固定在水下机器人上。水上控制模块9中设有显示单元，水上控制模块9将管道位置精确探测模块7检测到的磁信号合成三维彩色图像，并在显示单元上实时显示；操作人员依据该图像控制水下机器人向最强磁场区域运动，以迅速到达漏油管道所在位置。

所述溢油精确检测模块8为荧光传感器，该传感器实时输出的数据经由软件储存并以图像形式呈现在水上控制模块的显示单元上。LED灯及含云台装置的摄像头获得的图像信息经水上控制模块辅助判断原油的泄漏情况，如管道破损程度、大小等信息；同时水下机器人上的激光尺度仪能够测量管道破损的尺寸。

上述两个分系统中，采用荧光传感器进行溢油检测的原理如图3所示。所述荧光传感器包括光源、两个透镜组(分别为透镜组A和透镜组B)、分光镜、入射滤光镜、棱镜、返回滤光镜、光电二极管、光电倍增管和除法器。其中光源为脉冲式疝气光源，脉冲长度2ms，光源触发频率约为4Hz；入射滤光镜的透射波长为360nm，返回滤光镜的透射波长为235nm。

其溢油检测原理为：光源被触发时，入射光穿过位于光源后方的透镜组A变为平行光，并照射在位于透镜组A后的分光镜上。分光镜将光线分为两束，一束直接被光电二极管采集，作为参考光强X；另一束通过位于分光镜后方的入射滤光镜后变为单色紫外光(紫外光的波长为360nm)。该束单色紫外光通过位于入射滤光镜后方的棱镜反射，直接照射在待测海水上。

由于紫外光照射到有碳氢化合物的海水上才会激发荧光，若输油管道泄漏，则该位置的待测海水中会含有足量的碳氢化合物，由此从待测海水返回的光线中，实际包括了360nm的散射光和235nm的受激荧光。从待测海水返回的光线通过透镜组B整形成平行光后，由位于透镜组B后方的返回滤光镜滤去360nm的散射光。则从返回滤光镜出来的光线中只有235nm的受激荧光，使用光电倍增管检测受激荧光的强度Y。荧光传感器将参考光强X和受激荧光的强度Y发送给水上控制模块，水上控制模块中的除法器结合参考光强X和激荧光的强度Y，Y/X即为荧光的相对强度；水上控制模块将荧光的相对强度Y/X在一个脉冲周期内对时间积分，所得值对应于所测碳氢化合物浓度，即海水中原油的浓度。

采用该系统进行输油管道泄漏检测的过程为：

若海底输油管道的具体位置坐标已知，则不启用管道位置探测模块4。直接将依据该位置坐标所设定的航行轨迹存储在控制模块35中，控制模块35控制无人自主航行器沿着所设定的轨迹进行快速巡视。

若海底输油管道的具体位置坐标未知，则需启用管道位置探测模块4探测管道。无人自主航行器下水后，控制模块35控制其向已知的管道铺设方位直线运动。运动过程中，管道位置探测模块对管道位置进行实时探测，控制模块35依据管道位置探测模块的探测结果实时调整无人自主航行器的航行方向，使无人自主航行器在所探测到的管道的上方沿Z形曲线航行，进行快速巡视。

无人自主航行器在快速巡视过程中，溢油检测模块实时检测管道是否有泄漏，若没有发现泄漏，则无人自主航行器一直按照控制模块35中的既定任务巡航。若溢油检测模块检测到有泄漏，水声通信模块34向工作母船200发出泄漏警报，同时导航模块37将当前位置信息发送给工作母船200。

工作母船200接收到泄漏警报后，航行到导航模块37所发送的位置信息所在处。然后下放水下机器人。水下机器人的运动轨迹由工作母船200上的操作人员通过水上控制模块9控制。水下机器人依据基于无人自主航行器的检测分系统提供的泄漏大致位置，通过管道位置精确探测模块7寻找管道，水上控制模块9实时记录管道坐标并绘制管道走向曲线。溢油精确检测模块8发现泄漏位置后，水下机器人停止前进并坐沉管道上部，通过溢油精确检测模块8检测并记录原油泄漏量，可通过含云台装置的摄像头观测并记录泄漏大小及范围，通过水声定位模块定位并记录泄漏位置。

无人自主航行器在水下巡视过程中，控制模块35实时存储其上所有传感器的检测信息，待所有检测任务完成后由工作母船上200的操作人员读取。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测方法，其特征在于，该方法基于无人自主航行器为搭载平台的快速检测步骤以及以水下机器人为搭载平台的精确检测步骤；

在所述无人自主航行器上搭载管道位置探测模块和溢油检测模块；所述水下机器人上搭载管道位置精确探测模块和溢油精确检测模块，水下机器人受控于工作母船；

所述快速检测步骤中，若海底输油管道的位置已知，则不启用管道位置探测模块，所述无人自主航行器在控制模块的控制下在海底输油管道的上方快速巡视；若海底输油管道的位置未知，通过所述管道位置探测模块探测海底输油管道，控制模块依据管道位置探测模块的探测结果实时调整无人自主航行器的航行方向，使无人自主航行器在所探测到的海底输油管道的上方快速巡视；

无人自主航行器在快速巡视过程中，溢油检测模块实时检测海底输油管道是否有泄漏，若检测到有泄漏，无人自主航行器向工作母船发送泄漏警报，并将泄漏位置发送给工作母船；否则无人自主航行器按照既定任务巡航；

工作母船接收到泄漏警报后，进入精确检测步骤；

所述精确检测步骤中，工作母船依据快速检测步骤中所提供的泄漏位置下放水下机器人，水下机器人在管道位置精确探测模块的引导下到达漏油管道所在位置；然后通过溢油精确检测模块检测并记录原油泄漏量。

2.如权利要求1所述的基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测方法，所述快速检测步骤通过荧光传感器检测海底输油管道是否漏油；所述精确检测步骤，通过荧光传感器检测海底输油管道的原油泄漏量。

3.基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统，其特征在于，包括以无人自主航行器为搭载平台的快速检测分系统以及以水下机器人为搭载平台的精确检测分系统；

所述快速检测分系统中，在无人自主航行器上搭载管道位置探测模块和溢油检测模块，同时所述无人自主航行器上设置有控制模块和通信模块；

所述管道位置探测模块布置在无人自主航行器的前透水舱内，包括磁异探测器；所述磁异探测器与控制模块相连，将探测信号实时发送给控制模块；每当磁异探测器的探测信号中出现峰值时，控制模块判断到当前位置的下方有输油管道，则改变无人自主航行器的航行方向，由此使无人自主航行器在所探测到的管道的上方沿Z形曲线航行；

所述溢油检测模块包括两个荧光传感器组，每个荧光传感器组包括两个以上用于检测海底输油管路是否漏油的荧光传感器；其中一个荧光传感器组位于无人自主航行器的前透水舱内，另一个荧光传感器组位于无人自主航行器的后透水舱内；荧光传感器分别与控制模块相连，将检测信号实时发送给控制模块；

所述精确检测分系统中，在水下机器人上搭载管道位置精确探测模块和溢油精确检测模块，所述水下机器人为带缆机器人，受控于工作母船上的水上控制模块；

所述管道位置精确探测模块由探测框架和三个磁力梯度计组成，三个磁力梯度计并排安装在探测框架上，探测框架固定在水下机器人上；管道位置精确探测模块将检测到的磁信号实时发送给水上控制模块，所述水上控制模块依据管道位置精确探测模块检测到的磁信号，控制水下机器人向最强磁场区域运动；

所述溢油精确检测模块为荧光传感器，荧光传感器将检测信息实时发送给水上控制模块。

4.如权利要求3所述的基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统，其特征在于，所述荧光传感器包括光源、透镜组A、透镜组B、分光镜、入射滤光镜、棱镜、返回滤光镜、光电二极管和光电倍增管；其中光源为脉冲式疝气光源；入射滤光镜的透射波长为360nm，返回滤光镜的透射波长为235nm；

所述光源触发，发出入射光后，入射光穿过位于光源后方的透镜组A变为平行光，并照射在位于透镜组A后的分光镜上；所述分光镜将光线分为两束，一束直接被光电二极管采集，作为参考光强X；另一束通过位于分光镜后方的入射滤光镜后变为单色紫外光；该束单色紫外光通过位于入射滤光镜后方的棱镜反射，直接照射在待测海水上；待测海水返回的光线通过透镜组B整形成平行光后，照射到位于透镜组B后方的返回滤光镜；通过光电倍增管检测经返回滤光镜过滤后的光线的强度；

若当前位置的海底输油管道泄漏，则返回滤光镜出来的光线中只有235nm的受激荧光；荧光传感器将参考光强X和受激荧光的强度Y发送给水上控制模块，水上控制模块将荧光的相对强度Y/X在光源的一个脉冲周期内对时间积分，所得值即为待测海水中原油的浓度。

5.如权利要求3或4所述的基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统，其特征在于，在所述控制模块中预设有磁异探测器的最小峰值限值；当磁异探测器的探测信号的峰值超过预设的最小峰值限值时，控制模块判断无人自主航行器的下方有输油管道。

6.如权利要求3或4所述的基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统，其特征在于，所述管道位置探测模块中还包括侧扫声呐和变焦摄像机，所述侧扫声呐和变焦摄像机分别与控制模块相连，将探测图像实时发送给控制模块；当磁异探测器的探测信号中没有出现峰值时，若侧扫声呐或变焦摄像机的图像中有输油管道，则控制模块仍然判断无人自主航行器的下方有输油管道。

7.如权利要求3或4所述的基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统，其特征在于，所述溢油检测模块中还包括温盐深仪，所述温盐深仪与控制模块相连。

8.如权利要求3或4所述的基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测系统，其特征在于，所述水下机器人上设置有摄像头、水声定位模块和激光尺度仪。