CN108896657A - 一种管件裂缝方位和深度的预测方法和系统 - Google Patents

一种管件裂缝方位和深度的预测方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种管件裂缝方位和深度的预测方法，包括步骤：(1)对管件整体施加激励波，采集响应纵波信号；(2)建立速度‑深度模型；(3)根据多个检测点到激振点的方位角将管件整体划分为至少一个方位区域；(4)将管件分成多条管件分割道；(5)对方位区域内的多条管件分割道的信号进行短时傅立叶变换处理，生成傅立叶变换管件分割道集；(6)生成激励波入射角度域管件分割道集；(7)将生成的激励波入射角度域管件分割道集划分为至少一个角度区域；(8)计算出各个角度区域对应的激励波阻抗数据；(9)根据管件裂缝参数和所述波阻抗数据的关系，得到管件裂缝的方位和深度。还提供了相应的管件裂缝方位和深度的预测系统。

Description

一种管件裂缝方位和深度的预测方法和系统
技术领域
本申请涉及机械部件检测领域，尤其涉及一种管件缺陷的预测方法和系统。
背景技术
焊接管件成本低，技术也在不断完善，在很多行业已经逐渐替代了无缝管，然而服役条件比较恶劣的采矿业、化工业以及高压用管行业仍然难以普及，这是因为焊接和热处理过程中会产生管件的裂缝，严重影响管件的使用质量和焊缝质量。现有技术中还没有同时对管件的隐形裂缝方位和深度同时预测的方法，从而对管件的质量产生隐患。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种管件裂缝方位和深度的预测方法及系统，在考虑裂缝激励波入射角的情况下，利用纵波信号资料对管件裂缝的方位和深度进行预测。
本申请实施例提供的一种管件裂缝方位和深度的预测方法是这样实现的：
一种管件裂缝方位和深度的预测方法，包括步骤：
(1)对管件整体施加激励波，采集响应纵波信号；
(2)根据所采集的纵波响应信号建立速度-深度模型；
(3)根据多个检测点到激振点的方位角将管件整体划分为至少一个方位区域；
(4)在所述方位区域内将管件分成多条管件分割道；
(5)根据所述速度-深度模型，对所述方位区域内的多条管件分割道的信号进行短时傅立叶变换处理，生成傅立叶变换管件分割道集；
(6)根据所述速度-深度模型和所述傅立叶变换管件分割道集，生成激励波入射角度域管件分割道集；
(7)将所述生成的激励波入射角度域管件分割道集划分为至少一个角度区域；
(8)计算出各个所述角度区域对应的激励波阻抗数据；
(9)根据管件裂缝参数和所述波阻抗数据的关系，得到管件裂缝的方位和深度。
本申请实施例还提供一种管件裂缝方位和深度的预测系统，包括：预处理模块，速度-深度模型建立模块，方位区域和管件分割道划分模块，傅立叶变换管件分割道集生成模块，激励波入射角度域管件分割道集生成模块，角度区域划分模块，波阻抗数据计算模块，管件裂缝参数获取模块，其中：
所述预处理模块，用来对管件整体施加激励波，采集响应纵波信号；
所述速度-深度模型建立模块，用来根据所采集的纵波响应信号建立速度-深度模型；
所述方位区域和管件分割道划分模块，用来根据多个检测点到激振点的方位角将管件整体划分为至少一个方位区域，并且在所述方位区域内分将管件分成多条管件分割道；
所述傅立叶变换管件分割道集生成模块，用来根据所述速度-深度模型，对所述方位区域内的多条管件分割道的信号进行短时傅立叶变换处理，生成傅立叶变换管件分割道集；
所述激励波入射角度域管件分割道集生成模块，用来根据所述速度-深度模型和所述傅立叶变换管件分割道集，生成激励波入射角度域管件分割道集。
所述角度区域划分模块，用来将所述生成的激励波入射角度域管件分割道集划分为至少一个角度区域；
所述波阻抗数据计算模块，用来计算出各个所述角度区域对应的激励波阻抗数据；
所述裂缝参数获取模块，用来根据管件裂缝参数和所述波阻抗数据的关系，得到管件裂缝的方位和深度。
优选的，所述管件裂缝方位和深度的预测装置还包括：
方位角设置模块，用来给每个所述的方位区域分别设置一个方位角；
角度设置模块，用来给每个所述的角度区域分别设置一个角度。
优选的，所述预处理模块具体包括：
去噪处理模块，用来对激励波响应信号进行去噪处理；
提高分辨率处理模块，用来对激励波响应信号进行提高分辨率处理；
振幅保真处理，用来激励波响应信号进行振幅保真处理模块。
本申请实施例提供的一种管件裂缝方位和深度的预测方法及系统中利用的纵波信息与横波信息相比：一方面纵波信号容易获取，成本较低；另一方面纵波信号的品质较高，可以使得预测结果更加准确。另外，本申请实施例提供的一种管件裂缝方位和深度的预测方法及系统考虑了激励波的入射角对预测结果的影响，能够准确地预测管件裂缝的方位和深度。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
图1是根据本发明实施例的管件裂缝方位和深度的预测方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的管件分割道方位区域划分的示意图；
图3是根据本发明实施例的利用射线正演方法计算入射角度的示意图；
图4是根据本发明实施例中入射角随时间变化的角度区域划分的示意图；
图5是根据本发明实施例中管件裂缝方位与深度的平面示意图；
图6是根据本发明实施例的管件裂缝方位和深度的预测系统的模块功能图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
图1是本申请提供的一种裂缝方位和深度的预测方法的一个实施例的流程图。如图1所示，所述方法包括：
(1)对管件整体施加激励波，采集响应纵波信号；
激励波相应信号处理是管件裂缝检测过程中比较重要的基础工作，其处理成果的质量可以影响裂缝检测的全过程。激励波响应信号处理可以包括：去噪处理、提高分辨率处理以及振幅保真处理。其中，提高分辨率可以通过一些常见的手段来实现，例如小波变换分频重构、广义S变换、反Q滤波等；振幅保真可以通过真振幅恢复技术或相对保幅技术来实现。对激励波响应信号进行处理后，可以等到响应纵波信号。所述响应纵波信号可以在后续步骤中用来进行短时傅立叶变换处理。
(2)根据所采集的纵波响应信号建立速度-深度模型。
速度-深度模型是短时傅立叶信号变幻处理的基础。一般来说，速度模型可以通过管件分层速度相干反演、叠加速度反演或均方根速度转换等方法进行求取。用速度模型对时间层位进行射线偏移，就可以得到该层的深度，即深度界面模型。这样，从浅到深逐层分析得到各层的层速度，再将深度界面用层速度内插到深度域，就可以得到速度-深度的模型。
(3)根据多个检测点到激振点的方位角将管件整体划分为至少一个方位区域以及(4)在所述方位区域内将管件分成多条管件分割道。
图2为根据本发明实施例中管件分割道方位区域划分的示意图。如图2所示，例如，所有的管件被划分为6个方位区域。其中，五角星代表一个分割道，圆形代表反射面元中心，以正北方向为基准来计算各个方位区域的方位角。例如，方位区域A的方位角为0°到50°，方位区域B的方位角为50°到100°，以此类推，方位区域F的方位角为310°到360°。
对管件各个道划分方位区域后，可以给每个方位区域分别设置一个方位角。所述方位角可以设置为方为区域的中间位置。例如，可以将方位区域A的方位角设置为25°，可以将方位区域B的方位角设置为75°，以此类推，可以将方位区域F的方位角设置为335°。这样，便可以将一个方位区域内所有的管件分割道统一看成位于该方位角的管件分割道。例如，将0°到50°方位区域内的所有管件分割道统一可以看成位于25°方位角的管件分割道，将50°到100°方位区域内的所有管件分割道统一可以看成位于75°方位角的管件分割道，以此类推，将310°到360°方位区域内的所有管件分割道统一可以看成位于335°方位角的管件分割道。经过上述划分方位区域处理，整个区域内就相当于只有6个方位存在管件分割道，所有的管件分割道便可以集中到所述6个方位上。这样将某一方位区域限定到一个特定的方位可以提高该方位管件分割道的信号处理速度和质量。同时，将一个方位范围限定到一个确定的方位角度，便于后续步骤进行处理。
步骤(4)中，将管件分割道划分为方位区域时应当注意：
划分的方位区域个数以4-6个为宜，因为方位划分太多会减少方位区域内的管件分割道数量，从而无法保证限定方位后的管件分割道的信号处理速度和质量；
划分方位区域时应当要保证各个方为区域内管件分割道数量基本相同，并且检测点分布应当比较均匀。
(5)根据所述速度-深度模型，对所述方位区域内的多条管件分割道的信号进行短时傅立叶变换处理，生成傅立叶变换管件分割道集。
继续以上面的实施例进行说明。经过步骤(3)以及(4)，管件分割道可以被划分为6个方位区域，并且这6个方位区域分别可以被指定一个特定的方位角，得到6个方位。最终，所有的管件分割道便可以集中到所述6个方位上。现在基于步骤(2)所述建立的速度-深度模型，分别对这6个方位的管件分割道进行短时傅立叶变换处理，其中傅立叶变换管件分割道集中包括每个管件分割道的偏移距离信息。最终，可以对傅立叶变换管件分割道集进行滤波等常规优化处理后，进行后续处理。
(6)根据所述速度-深度模型和所述傅立叶变换管件分割道集，生成激励波入射角度域管件分割道集。
本申请实施例利用射线正演方法，可以将每个管件分割道集的偏移距离转换为对应的入射角度，这样便可以由所述的傅立叶变换管件分割道集中的距离信息，生成激励波入射角度域管件分割道集。图3为利用射线正演方法计算入射角度的示意图。如图3所示，激励波入射点到对应点的距离即为距离，该距离包含在傅立叶变换管件分割道集。利用射线正演方法，可以得到从激励波入射点到反射点的射线路径。以反射界面1为例，利用射线正演方法，可以得到激励波入射点1到反射点1的射线路径L1。射线路径与垂直方向的夹角即为入射角。入射角1和距离1及射线路径L1的三角函数关系为：
最终偏移距离1对应的入射角1为：
这样便可以得到不同距离对应的入射角。根据步骤(2)中所述的建立的速度-深度模型，可以得到第一深度的速度为v1，射线路径与第一深度速度的比值即为射线时间，具体表示为：
t1＝L1/v1
其中，t1为激励波点1至反射点1的射线时间，L1为激励波点1到反射点的射线路径，v1为第一深度的管件层速度。
如图3所示，在反射界面2上进行反射时，利用射线正演方法同样可以得到激励波入射1到反射点2的射线路径，只不过此时的射线路径不再沿直线传播。射线穿过反射界面1时，由于管件存在裂缝，因此各层波速度发生变化，根据折射原理，射线会在反射界面1上发生折射。最终，根据射线正演方法得到的入射点1至反射点2的路径为L2+L3；根据折射原理和三角函数关系，可以得到最终的入射角3具体为：
其中，v1为第一深度的管件层波速度，v2为第二深度的管件层波速度，L2为激励波入射点1至反射界面1的射线路径，L3为反射界面1至反射界面2的射线路径。通过分段计算射线时间，便可以得到从激励波入射1至反射点2的射线时间为：
t2＝L2/v1+L3/v2
其中，t2为激励波入射点1至反射点2的射线时间，v1为第一深度的管件层速度，v2为第二深度的管件层速度，L2为激励波入射1至反射界面1的射线路径，L3为反射界面1至反射界面2的射线路径。以此类推，可以得到不同深度的反射点对应的入射角和射线时间。
经过步骤(6)的处理，便可以得到不同时刻，不同偏移距离对应的入射角度，从而可以将傅立叶变换管件分割道集转换为激励波入射角度域管件分割道集。图4是根据本发明实施例的入射角随时间变化的激励波入射角度域管件分割道集的示意图。
(7)将所述生成的激励波入射角度域管件分割道集划分为至少一个角度区域。
与步骤(3)和(4)类似，步骤(7)将生成的激励波入射角度域管件分割道集同样进行区域划分。本实施例中，激励波入射角度域管件分割道集被划分为3个区域，分别为0°到15°，10°到25°以及20°到35°。与步骤(3)和(4)不同的是，步骤(7)中激励波入射角度域管件分割道集划分的3个区域中，相邻的角度区域可以有部分角度重叠。例如，0°到15°与10°到25°两个角度区域中，重叠的部分为10°到15°；10°到25°和20°到35°两个角度区域中，重叠的部分为20°到25°。将入射角度域管件分割道集划分角度区域后，还可以给每个角度区域分别设置一个特定的角度，所述特定的角度可以为每个角度区域的中间位置。例如，可以将7.5°设置为0°到15°角度区域的特定角度；可以将17.5°设置为10°到25°角度区域的特定角度；可以将22.5°设置为20°到35°角度区域的特定角度。最后，可以将每个角度区域中的管件分割道都统一看成入射角为特定角度的管件分割道。例如，可以将0°到15°角度区域内的管件分割道统一看成入射角为7.5°的管件分割道；可以将10°到25°角度区域内的管件分割道统一看成入射角为17.5°的管件分割道；可以将20°到35°角度区域内的管件分割道统一看成入射角为22.5°的管件分割道。采用相邻角度区域可以有部分角度重叠的划分方法的目的在于，可以增强相邻角度区域之间的关联性，使最终设置的特定角度之间有一定的相关性。将每个角度区域内的管件分割道统一看成入射角为特定角度的管件分割道的目的在于，可以提高以该特定角度为入射角的管件分割道的信号处理速度和质量，便于后续处理。
步骤(7)中，将管件分割道划分为角度区域时应当注意：
划分的方位区域个数以2-5个为宜，因为角度划分太多会减少角度区域内的管件分割道数量，从而无法保证限定入射角后的管件分割道的信号处理速度和质量；
划分角度区域时应当要保证各个角度区域内管件分割道数量基本相同，每相邻的两个角度区域中间应该有一定数量的重复的角度。
(8)计算出各个所述角度区域对应的激励波阻抗数据。
利用常规的激励波阻抗反演方法或者常规的激励波阻抗反演软件，可以计算出各个所述方位区域中的各个所述角度区域对应的波阻抗数据。
(9)根据管件裂缝参数和所述波阻抗数据的关系，得到管件裂缝的方位和深度
应用基于管件裂缝参数的各向异性反射系数方程，建立所述波阻抗数据域裂缝参数、管件分割方位和入射角度的方程组，用最小二乘法对方程组进行反演，可以求出管件裂缝的方位和深度，具体如下所述：
基于管件裂缝参数的各向异性反射系数方程具体为：
其中，Rp为波阻抗数据，θ为管件分割的入射角度，所述入射角度可以为步骤(7)中设置的特定入射角度，为管件分割道的方位角，所述方位角可以为步骤(3)和(4)中设置的特定方位角，β为管件裂缝的方位角，所述方位角用来确定管件裂缝的方位，I、G1、G2为待求解的参数，所述待求解的参数可以表示出管件裂缝的深度，具体如下所示：
裂缝深度＝I+G1+G2/I+G1
对上述基于管件裂缝参数的各向异性反射系数方程作如下处理：
令：
那么可以将基于管件裂缝参数的各向异性反射系数方程改写为：
现在假设经过步骤(3)，(4)和(7)，分别确定出4个方位区域和2个角度区域，其中可以用和分别代表4个方位区域的方位角，可以用θ1和θ2分别代表2个角度区域的入射角，则可以建立如下的方程组：
利用最小二乘法求解上述方程组，便可求出参数A、B、C、D，再由求解出的A、B、C、D便可以求出I、G1、G2以及β，最终管件裂缝的方位和深度具体表示为：
裂缝方位角裂缝深度＝I+G1+G2/I+G1
最后，可以将管件裂缝方位与深度共同展示在平面图上。图5为本申请一实施例中管件裂缝方位与深度的平面示意图。如图5所示，黑线方向表示裂缝方位，黑线长度表示裂缝深度。图5中的椭圆区域内管件裂缝深度较大，表示为管件裂缝起始并快速扩张延伸的区域。
本申请实施例还提供一种管件裂缝方位和深度的预测系统，如图6所示，包括：预处理模块，速度-深度模型建立模块，方位区域和管件分割道划分模块，傅立叶变换管件分割道集生成模块，激励波入射角度域管件分割道集生成模块，角度区域划分模块，波阻抗数据计算模块，管件裂缝参数获取模块，其中：
所述预处理模块，用来对管件整体施加激励波，采集响应纵波信号；
所述速度-深度模型建立模块，用来根据所采集的纵波响应信号建立速度-深度模型；
所述方位区域和管件分割道划分模块，用来根据多个检测点到激振点的方位角将管件整体划分为至少一个方位区域，并且在所述方位区域内分将管件分成多条管件分割道；
所述傅立叶变换管件分割道集生成模块，用来根据所述速度-深度模型，对所述方位区域内的多条管件分割道的信号进行短时傅立叶变换处理，生成傅立叶变换管件分割道集；
所述激励波入射角度域管件分割道集生成模块，用来根据所述速度-深度模型和所述傅立叶变换管件分割道集，生成激励波入射角度域管件分割道集。
所述角度区域划分模块，用来将所述生成的激励波入射角度域管件分割道集划分为至少一个角度区域；
所述波阻抗数据计算模块，用来计算出各个所述角度区域对应的激励波阻抗数据；
所述裂缝参数获取模块，用来根据管件裂缝参数和所述波阻抗数据的关系，得到管件裂缝的方位和深度。
此外，所述管件裂缝方位和深度的预测装置还包括：
方位角设置模块，用来给每个所述的方位区域分别设置一个方位角；
角度设置模块，用来给每个所述的角度区域分别设置一个角度。
另外，所述预处理模块具体包括：
去噪处理模块，用来对激励波响应信号进行去噪处理；
提高分辨率处理模块，用来对激励波响应信号进行提高分辨率处理；
振幅保真处理，用来激励波响应信号进行振幅保真处理模块。
通过上述本申请实施例可见，本申请实施例提供的一种管件裂缝方位和深度的预测方法及系统中利用的纵波信息与横波信息相比：一方面纵波信号容易获取，成本较低；另一方面纵波信号的品质较高，可以使得预测结果更加准确。另外，本申请实施例提供的一种管件裂缝方位和深度的预测方法及系统考虑了激励波的入射角对预测结果的影响，能够准确地预测管件裂缝的方位和深度。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来。该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

Claims (4)

1.一种管件裂缝方位和深度的预测方法，其特征在于包括步骤：
(1)对管件整体施加激励波，采集响应纵波信号；
(2)根据所采集的纵波响应信号建立速度-深度模型；
(3)根据多个检测点到激振点的方位角将管件整体划分为至少一个方位区域；
(4)在所述方位区域内将管件分成多条管件分割道；
(5)根据所述速度-深度模型，对所述方位区域内的多条管件分割道的信号进行短时傅立叶变换处理，生成傅立叶变换管件分割道集；
(6)根据所述速度-深度模型和所述傅立叶变换管件分割道集，生成激励波入射角度域管件分割道集；
(7)将所述生成的激励波入射角度域管件分割道集划分为至少一个角度区域；
(8)计算出各个所述角度区域对应的激励波阻抗数据；
(9)根据管件裂缝参数和所述波阻抗数据的关系，得到管件裂缝的方位和深度。
2.一种管件裂缝方位和深度的预测系统，包括：预处理模块，速度-深度模型建立模块，方位区域和管件分割道划分模块，傅立叶变换管件分割道集生成模块，激励波入射角度域管件分割道集生成模块，角度区域划分模块，波阻抗数据计算模块，管件裂缝参数获取模块，其中：
所述预处理模块，用来对管件整体施加激励波，采集响应纵波信号；
所述速度-深度模型建立模块，用来根据所采集的纵波响应信号建立速度-深度模型；
所述方位区域和管件分割道划分模块，用来根据多个检测点到激振点的方位角将管件整体划分为至少一个方位区域，并且在所述方位区域内分将管件分成多条管件分割道；
所述傅立叶变换管件分割道集生成模块，用来根据所述速度-深度模型，对所述方位区域内的多条管件分割道的信号进行短时傅立叶变换处理，生成傅立叶变换管件分割道集；
所述激励波入射角度域管件分割道集生成模块，用来根据所述速度-深度模型和所述傅立叶变换管件分割道集，生成激励波入射角度域管件分割道集。
所述角度区域划分模块，用来将所述生成的激励波入射角度域管件分割道集划分为至少一个角度区域；
所述波阻抗数据计算模块，用来计算出各个所述角度区域对应的激励波阻抗数据；
所述裂缝参数获取模块，用来根据管件裂缝参数和所述波阻抗数据的关系，得到管件裂缝的方位和深度。
3.根据权利要求2所述的管件裂缝方位和深度的预测系统，其特征在于还包括：
方位角设置模块，用来给每个所述的方位区域分别设置一个方位角；
角度设置模块，用来给每个所述的角度区域分别设置一个角度。
4.根据权利要求2-3任一所述的管件裂缝方位和深度的预测系统，其特征在于所述预处理模块具体包括：
去噪处理模块，用来对激励波响应信号进行去噪处理；
提高分辨率处理模块，用来对激励波响应信号进行提高分辨率处理；
振幅保真处理，用来激励波响应信号进行振幅保真处理模块。
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