CN105042341A

CN105042341A - 基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置及方法

Info

Publication number: CN105042341A
Application number: CN201510467850.7A
Authority: CN
Inventors: 徐长航; 龚漂; 任乐峰; 韩国星; 史焕地; 张丽珍; 陈国明; 程丽萍
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: CN105042341B

Abstract

本发明属于管道检测领域，具体涉及一种基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置及方法，定位装置包括：第一、第二波导杆分别固定在泄漏源的两侧；第一、第二压电加速度传感器下端分别粘附在第一、第二波导杆表面，上端通过接线分别与第一、第二前置放大器相连；然后将信号输送给第一、第二数据采集模块；两个数据采集模块同时将信号输送到A/D转换器转换成数字信号；所述A/D转换器将数字信号传输给主机，主机最终确定出管道的泄漏源位置。本发明由区域定位、精确定位相结合的多层次泄漏源定位方法，采用基于信号幅值衰减的区域定位，最终实现在复杂工况下的管道泄漏声发射检测精确定位，该方法适用于埋地条件下的管道泄漏定位。

Description

基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置及方法

技术领域

本发明属于管道检测领域，具体地涉及一种埋地管道在非开挖检查情况下的泄漏点多层次定位方法，尤其涉及一种基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置及方法。

背景技术

管道运输在全球的能源物资(包括原油、成品油、天然气、油田伴生气等)运输中占有重要的地位，成为铁路、公路、水运、航空运输之后的第五大运输业。随着管道运输业的发展，管道泄漏现象的出现与泄漏带来的损失为管道泄漏检测带来了发展的机会。

由于在管道泄漏时采集得到的声发射信号组成非常复杂，其中不仅包括含有泄漏信息的声发射信号，还包括管道振动、流态变化以及其他原因引起的噪声信号。故而直接对泄漏声发射信号进行互相关定位时，其定位精度难以得到保证。《机械工程学报》第40卷第10期的“基于导波理论的管道泄漏声发射定位新技术研究”利用管道中导波传播的频散特性，在提取单一模态导波基础上，提出了一种实用的声发射泄漏定位方法；《常州大学学报(自然科学版)》第23卷第3期的“基于小波包分析的模拟天然气管道泄漏声发射定位”，《制造业自动化》第34卷第6期的“基于小波变换的管道泄漏声发射检测信号处理”应用小波包理论对声发射信号进行预处理，然后再应用互相关方法进行声发射源定位，取得了较好的效果；《压电与声光》第22卷第2期的“基于EMD的声发射管道泄漏检测研究”对管道泄漏声发射信号进行经验模态分解后，选择包含有声发射特征的前3个IMF分量进行重构，再对根据IMF分量重构的声发射信号进行相关分析计算，得到管道泄漏点的位置；《浙江大学学报》第40卷第7期的“声发射与EMD相结合的埋地水管道泄漏定位检测”提出了一种基于经验模态分解(EMD)与能量特征提取相结合的水管泄漏定位方法。

由以上研究现状可知，大部分的专家选择首先应用小波包分解、EMD方法或者频率加窗等方法提取单一模态或者含有较多泄漏位置信息的声发射信号，再对其进行互相关分析的定位方法，其结果证明该方法能比较有效的提高管道泄漏声发射定位精度。但是这些研究中并没有明确指明如何对单一模态或者含有较多泄漏位置信息的声发射信号进行选取，以小波包分解为例，随着小波包分解层数的增加，小波包分量个数也在增加(5层分解有32个分量，6层分解有64个分量)，如何选取合适的分量进行准确定位是一个难点。

发明内容

管道埋设于土壤中，当管道发生泄漏时泄漏物质通过土壤渗透到地表面，为克服现有技术存在的不能精确定位泄漏位置的缺陷，本发明提供一种基于声发射检测的管道泄漏多层次定位装置及方法，能够实现埋地管道非开挖情况下的精确定位。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置，包括：第一波导杆、第二波导杆，其中：第一波导杆、第二波导杆分别通过强力磁铁固定在管道泄漏源的两侧并间隔一定距离；第一压电加速度传感器通过耦合剂粘附在第一波导杆表面，第二压电加速度传感器通过耦合剂粘附在第二波导杆表面；第一前置放大器与第一传感器通过接线相连，第二前置放大器与第二传感器通过接线相连；第一压电加速度传感器、第二压电加速度传感器分别将第一波导杆和第二波导杆输出的声发射信号转换为电流信号，第一前置放大器、第二前置放大器分别将第一传感器和第二传感器输入的电流信号放大并转换成电压信号然后分别将其输送给第一数据采集模块和第二数据采集模块；第一数据采集模块和第二数据采集模块分别将电压信号同时输送到A/D转换器转换成数字信号并存储；所述A/D转换器将电压信号转换为可以处理的数字信号并通过通信网络传输给主机，主机通过采集到的数字信号确定出管道的泄漏源位置。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：由区域定位、精确定位相结合的多层次泄漏源定位方法，采用基于信号幅值衰减的区域定位，避免互相关定位受声速和延迟时间影响，定位结果产生巨大偏差的缺点；在提取含有较多泄漏信息的声发射信号过程中，选取合适的小波包分量，克服互相关系数对定位结果的影响，最终实现在复杂工况下的管道泄漏声发射检测精确定位，其适用于埋地条件下的管道泄漏定位，提高定位精确度，及时准确的发现泄漏源位置。

附图说明

图1是基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置的结构示意图；

图2是基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位方法的流程示意图；

图3是埋地管道声发射信号传播特性曲线；

图4a是第一传感器5信号幅值时间历程；

图4b是第二传感器6信号幅值时间历程；

图5是基于信号幅值衰减区域定位流程图。

具体实施方式

如图1所示，管道2埋设于土壤7中，当管道发生泄漏时，泄漏物质通过土壤渗透到地表面，可以根据地表面的泄漏物质初步确定泄漏源1的大致位置。

基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置，包括：第一波导杆3、第二波导杆4，第一波导杆3、第二波导杆4分别通过强力磁铁固定在管道泄漏源1的两侧并间隔一定距离；第一压电加速度传感器5通过耦合剂粘附在第一波导杆3表面，第二压电加速度传感器6通过耦合剂粘附在第二波导杆4表面；第一波导杆3实现管道2与第一压电加速度传感器5的声联接，即通过第一波导杆接收泄漏源声发射信号并传送给第一压电加速度传感器5；第二波导杆4实现管道2与第二压电加速度传感器6的声联接，即通过第二波导杆接收泄漏源声发射信号并传送给第二压电加速度传感器6；第一前置放大器8与第一传感器5通过接线相连，第二前置放大器9与第二传感器6通过接线相连；第一压电加速度传感器5、第二压电加速度传感器6分别将第一波导杆3和第二波导杆4输出的声发射信号转换为电流信号，第一前置放大器8、第二前置放大器9分别将第一传感器5和第二传感器6输入的电流信号放大并转换成电压信号然后分别将其输送给第一数据采集模块10和第二数据采集模块11；第一数据采集模块10和第二数据采集模块11分别将电压信号同时输送到A/D转换器12转换成数字信号并存储；所述A/D转换器将电压信号转换为可以处理的数字信号并通过通信网络传输给主机13，主机13通过采集到的数字信号确定出管道的泄漏源位置。

如图2所示，基于声发射检测的埋地油气管道泄漏源多层次定位方法，包括以下步骤：

步骤一，发现运行的埋地管道发生泄漏时，立即寻找与埋地管道相同的废弃管道，废弃管道不需埋地，在废弃管道通入相同的介质，然后在废弃管道表面任意位置凿孔；将一根波导杆的下表面通过强力磁铁固定在距离泄漏源附近的管壁处，波导杆的上表面通过耦合剂连接压电加速度传感器，加速度传感器将波导杆输出的声发射信号转换为电流信号；压电加速度传感器与前置放大器相连，前置放大器将压电加速度传感器输入的电流信号放大并转换成电压信号然后将其输送给数据采集模块；数据采集模块将电压信号输送到A/D转换器转换成数字信号并存储，最后传输给主机13；波导杆的安装位置与泄漏源的距离分别为5m，10m，…，120m，间隔5m布置一次，每布置一次波导杆，记录波导杆与泄漏源的距离以及主机13显示的幅值衰减值，根据所记录的结果绘制幅值衰减值随着波导杆与凿孔的距离变化曲线；

步骤二，在埋地泄漏管道泄漏源两边挖掘并显露出与波导杆下表面面积相同的管道表面，采用上述基于声发射检测的埋地油气管道泄漏源多层次定位装置，将第一波导杆3和第二波导杆4的下表面通过强力磁铁分别安装在管道的表面，记录第一波导杆3和第二波导杆4的间距L以及主机13显示的两者幅值，求出两者的幅值差A，L为10～150m；

步骤三，将步骤二中第一波导杆3和第二波导杆4的间距平均分为10个区域，由第一波导杆3指向第二波导杆4方向分别命名为第1区域，第2区域，…，第10区域，其中第i区域的范围为i＝1,2,…,10；

取为泄漏源位置，因此泄漏源距第一波导杆3和第二波导杆4的距离分别为和将泄漏源与第一波导杆3的距离和泄漏源与第二波导杆4的距离分别代入步骤一求得的曲线，并可分别得出两者的幅值衰减值，分别记为A_i5、A_i6，

其中A_i5表示泄漏源在第i区域时，泄漏声发射信号传播到第一传感器5的幅值衰减值，A_i6表示泄漏源在第i区域时，泄漏声发射信号传播到第一传感器6的幅值衰减值；

则第i区域产生的泄漏声发射信号传播到达第一压电加速度传感器5和第二压电加速度传感器6的幅值差记为A_i，即A_i＝A_i5-A_i6；

步骤四，将步骤二实际测得的幅值差A与各个A_i进行对比，找出与实际幅值差相差最小的区域A_i，此时区域定位结果为A_i区。

以下结合某实际案例进行示例性说明：

基于声发射检测的埋地油气管道泄漏源多层次定位方法，包括以下步骤：

步骤一、发现运行的埋地管道发生泄漏时，针对一段与埋地管道尺寸相同的废弃管道，选用美国PAC公司的PCI-2声发射检测系统，声发射检测系统包括：波导杆、压电加速度传感器、前置放大器、数据采集模块、A/D转换器以及主机；然后在废气管道表面中间位置凿孔；将一根波导杆的下表面通过强力磁铁固定在距离泄漏源附近的管壁处，波导杆的上表面通过耦合剂连接传感器，传感器与前置放大器相连，通过数据采集模块将电压信号输送到A/D转换器，最后传输给主机13；波导杆的安装位置与泄漏源之间的距离分别为5m，10m，…，40m，间隔5m布置一次，每布置一次波导杆，记录波导杆与泄漏源的距离以及主机13显示的幅值衰减值，根据所记录的结果绘制幅值衰减值随着波导杆与凿孔的距离变化曲线，如图3所示；

步骤二，对步骤一的埋地管道进行实际检测，管段长L约120米，在管道两端进行挖掘，从而使管道表面暴露，采用上述基于声发射检测的埋地油气管道泄漏源多层次定位装置，将第一波导杆3和第二波导杆4的下表面通过强力磁铁分别安装在管道的表面，通过主机13直接显示的埋地管道气体泄漏声发射信号的幅值时间历程图如图4a和图4b所示，由图4a可以计算第一传感器5幅值平均值为48.9dB，图4b可以计算第二传感器6幅值平均值为20.7dB，两者相差28.2dB。

步骤三，图5所示是基于信号幅值衰减区域定位流程图，通过采集两个传感器的声发射信号，对信号进行区域定位。具体步骤如下：

(1)将第一波导杆3和第二波导杆4的间距L＝120m平均分为10个区域，由第一波导杆3指向第二波导杆4方向分别命名为第1区域，第2区域，…，第10区域，其中第i区域的范围为i＝1,2,…,10。其中划分的区域范围如表1所示。

表1区域范围

区域名称

第1区

第2区

第3区

第4区

第5区

第6区

第7区

第8区

第9区

第10区

区域范围(m)

0～12

12～24

24～36

36～48

48～60

60～72

72～84

84～96

96～108

108～120

(2)在计算第i区域内内泄漏源产生的泄漏声发射信号传播到达两个传感器形成的幅值差时，取为泄漏源位置。因此泄漏源距第一波导杆3和第二波导杆4的距离分别为和其中各个区域内的泄漏源位置以及波导杆与泄漏源的距离如表2所示；

表2泄漏源位置

(3)基于图3所示信号幅值衰减规律，计算第i(i＝1,2,…,10)区域内产生的泄漏声发射信号传播到第一压电加速度传感器5和第二压电加速度传感器6的幅值衰减，分别记为Ai5、Ai6，则第i区域产生的泄漏声发射信号传播到达第一压电加速度传感器5和第二压电加速度传感器6形成的幅值差为Ai＝Ai5-Ai6；得到的各个区域内幅值差如表3所示；

表3信号幅值衰减

区域名称	第1区	第2区	第3区	第4区	第5区	第6区	第7区	第8区	第9区	第10区
											A_i5	19.7	38.1	46.6	52.3	56.5	59.8	62.6	65.0	67.1	69.0
A_i6	69.0	67.1	65.0	62.6	59.8	56.5	52.3	46.6	38.1	19.7
											A_i	49.3	29.0	18.4	10.3	3.3	3.3	10.3	18.4	29.0	49.3

步骤四，将步骤二实际测得的泄漏源传播到两传感器产生的幅值差28.2dB与各个Ai进行对比，最终找出与实际幅值差相差最小的区域为A2。

Claims

1.一种基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置，包括：第一波导杆、第二波导杆，其特征在于：第一波导杆、第二波导杆分别通过强力磁铁固定在管道泄漏源的两侧并间隔一定距离；第一压电加速度传感器通过耦合剂粘附在第一波导杆表面，第二压电加速度传感器通过耦合剂粘附在第二波导杆表面；第一前置放大器与第一传感器通过接线相连，第二前置放大器与第二传感器通过接线相连；第一压电加速度传感器、第二压电加速度传感器分别将第一波导杆和第二波导杆输出的声发射信号转换为电流信号，第一前置放大器、第二前置放大器分别将第一传感器和第二传感器输入的电流信号放大并转换成电压信号然后分别将其输送给第一数据采集模块和第二数据采集模块；第一数据采集模块和第二数据采集模块分别将电压信号同时输送到A/D转换器转换成数字信号并存储；所述A/D转换器将电压信号转换为可以处理的数字信号并通过通信网络传输给主机，主机通过采集到的数字信号确定出管道的泄漏源位置。

2.根据权利要求1所述的基于声发射检测的埋地管道泄漏源多层次定位装置，其特征在于：第一波导杆和第二波导杆的间距L为10～150m。

3.一种基于声发射检测的埋地油气管道泄漏源多层次定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，发现运行的埋地管道发生泄漏时，立即寻找与埋地管道相同的废弃管道，废弃管道不需埋地，在废弃管道通入相同的介质，然后在废弃管道表面任意位置凿孔；将一根波导杆的下表面通过强力磁铁固定在距离泄漏源附近的管壁处，波导杆的上表面通过耦合剂连接压电加速度传感器，加速度传感器将波导杆输出的声发射信号转换为电流信号；压电加速度传感器与前置放大器相连，前置放大器将压电加速度传感器输入的电流信号放大并转换成电压信号然后将其输送给数据采集模块；数据采集模块将电压信号输送到A/D转换器转换成数字信号并存储，最后传输给主机；波导杆的安装位置与泄漏源的距离分别为5m，10m，…，120m，间隔5m布置一次，每布置一次波导杆，记录波导杆与泄漏源的距离以及主机显示的幅值衰减值，根据所记录的结果绘制幅值衰减值随着波导杆与凿孔的距离变化曲线；

步骤二，在埋地泄漏管道泄漏源两边挖掘并显露出与波导杆下表面面积相同的管道表面，采用上述基于声发射检测的埋地油气管道泄漏源多层次定位装置，将第一波导杆和第二波导杆的下表面通过强力磁铁分别安装在管道的表面，记录第一波导杆和第二波导杆的间距L以及主机显示的两者幅值，求出两者的幅值差A；

步骤三，将步骤二中第一波导杆和第二波导杆的间距平均分为10个区域，由第一波导杆指向第二波导杆方向分别命名为第1区域，第2区域，…，第10区域，其中第i区域的范围为i＝1,2,…,10；

取为泄漏源位置，因此泄漏源距第一波导杆和第二波导杆的距离分别为和将泄漏源与第一波导杆的距离和泄漏源与第二波导杆的距离分别代入步骤一求得的曲线，并可分别得出两者的幅值衰减值，分别记为A_i5、A_i6，

其中A_i5表示泄漏源在第i区域时，泄漏声发射信号传播到第一传感器的幅值衰减值，A_i6表示泄漏源在第i区域时，泄漏声发射信号传播到第一传感器的幅值衰减值；

则第i区域产生的泄漏声发射信号传播到达第一压电加速度传感器和第二压电加速度传感器的幅值差记为A_i，即A_i＝A_i5-A_i6；

4.根据权利要求1所述的基于声发射检测的埋地油气管道泄漏源多层次定位方法，其特征在于，第一波导杆和第二波导杆的间距L为10～150m。