CN109556700B - 一种海底悬跨管道振动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底悬跨管道振动检测方法，所述方法包括以下步骤：将三轴加速度传感器固定在球型内检测器尽可能靠中心的位置，为球型内检测器配置存储模块，单片机，电池并固定；将球型内检测器投管巡检，三轴加速度传感器将球型内检测器所有的加速度信号记录下来，测量海底管道中的加速度数据，巡检完毕，将球型内检测器记录的数据下载到上位机，进行数据处理；对加速度数据进行傅里叶变换后去除直流分量，然后再进行傅里叶变换得到直流数据曲线；并与原始数据曲线进行比对，此时与球型内检测器自身滚动频率f₁相关的频率都会减少，剩余不变的峰是f₂和2f₂，从而得出管道振动的频率。

Description

一种海底悬跨管道振动检测方法

技术领域

本发明涉及管道内检测领域，主要对海底输油管道的悬跨状态进行检测，尤其涉及一种海底悬跨管道振动检测方法。

背景技术

海底管道是海上油气输运的重要基础设施。对其结构健康进行监测或准实时检测，可以避免海底管道破裂和失效，以及由此带来的经济损失和环境灾难。由于海流冲刷，海底管道底部的泥沙被冲失，会发生悬空。海流在流经悬空管道时会产生交变的涡旋，引发悬跨管段的周期性振动，称为涡激振动。伴随着海水不断地冲刷，悬跨管段长度变大、固有频率降低。当漩涡泄放频率接近悬跨管道固有频率时，会引发悬跨管道剧烈共振。悬跨管道长期处于大振幅激振状态会引起疲劳破坏。及早地检测出悬跨管道的振动，可以提前采取填埋或加固等补救措施，避免悬跨发展和激振恶化乃至管道破裂。

悬跨管道发生事故之前一个明显的特征是振动。目前有多种检测物体振动的方法，激光测振法灵敏度高，能够测量很微小的振动。利用激光测量光源与物体之间的距离，从而得到振动的位移信息。脉冲激光测量的原理是计数器从开门到关门期间，所进入的时钟脉冲个数经过运算得到参考脉冲和返回脉冲之间的时间间隔，从而算出目标距离。相位式激光测距也称连续波激光测距。当激光器发出连续波激光后，经幅度调制器调制后发射至被测目标，由被测目标返回的回波信号经延迟后进入接收系统，传到光电探测器，再由解调器对延迟信号进行解调送到相位差测量模块中进行鉴相，得到相位差，根据相位差就可得到要测的距离。干涉激光测量是经典的精密测距方法。根据光的干涉原理，两列具有固定相位差，而且有相同频率、相同振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象。

干涉法激光测距就是根据这一原理，把明暗相间的干涉条纹由光电转换器转换为电信号，经光电计数器计数，从而实现对距离和位移的测量。激光测振法需要激光器发出激光射向目标体，然后由接收系统进行接收，整个过程中光需要在介质中传播。目标体表面的粗糙程度也影响到测量的准确性。

超声波测振是一种基于多普勒效应的方法，它能够运用于高温、高压、粉尘、强腐蚀等恶劣环境中，具有成本低的特点。但是超声波测振对声源和接收器的角度要求高，测量精度低。加速度传感器和分布式光纤检测振动要求检测器与被检测物体接触，接触式测振具有技术成熟，获取信息丰富等优势，缺点是噪声大，误差大。

在海底部署上述方法检测管道振动非常困难。水下环境复杂，除了分布式光纤，这些方法只能布放在很少的几个监测点，不能实现对全管段振动情况的监测。海水对电磁波和光的屏蔽和吸收使得电涡流和激光测振方法失效。由于采用电池供电，这些方法的连续工作时间很短暂，更换维护成本很高。对海底悬跨管道进行监测或准实时检测可分为外检测和内检测。长输海底管道特殊的服役环境，需要利用可移动的内检测设备来检测管道悬跨振动。

发明内容

本发明提供了一种海底悬跨管道振动检测方法，本发明利用球形内检测器携带加速度计检测悬跨海底管道振动，通过数学分析和实验测试，解决了如何从球形内检测器测得的加速度信号中准确识别出管道振动的问题，详见下文描述：

一种海底悬跨管道振动检测方法，所述方法包括以下步骤：

将三轴加速度传感器固定在球型内检测器尽可能靠中心的位置，为球型内检测器配置存储模块，单片机，电池并固定；

将球型内检测器投管巡检，三轴加速度传感器将球型内检测器所有的加速度信号记录下来，测量海底管道中的加速度数据，巡检完毕，将球型内检测器记录的加速度数据下载到上位机，进行数据处理；

将单分量的加速度数据进行分段，计算每段单分量的傅里叶变换，得到每段单分量的频谱图；

检测每段的频率峰值，当有单个峰时，可确定为球滚动的频率f1；当有多个峰时，可将该段数据对应的管道段确认为存在疑似悬跨；

对疑似悬跨振动的三分量加速度数据，去除每轴加速度的直流分量，然后计算三分量的平方和；

对加速度的三分量的平方和，进行傅里叶变换，得到频谱图；

若在频谱图中同时寻找到幅值最大的频率f2以及它的二倍频2*f2；则该段数据对应的管段发生悬跨振动，频率f₂即是管道振动的频率。

其中，所述去除每轴加速度的直流分量具体为：

采用连续小波变换，取细节系数进行重构，以去除直流分量；或

分段求均值、减去均值实现去除直流分量。

进一步地，若不能同时在频谱图中寻找到频率f2以及二倍频2*f2，则对疑似悬跨管段密集投放球形内检测器，多次检测加以确认。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、海底环境复杂不易于检测工作的进行，本发明从管道内部实现了对海底悬跨管道振动的检测，可完美避开海底的恶劣环境；

2、本发明利用球型内检测器，与其他类型检测器相比，球型具有灵活不易卡堵的优势，增加了检测工作的安全系数；

3、由于滚动，球型检测器的数据坐标系是在转动的，这给信号的处理带来了极大的困难，本发明利用非常简便的方法对信号进行了处理并提取。

附图说明

图1为一种海底悬跨管道振动检测方法的示意图；

图2为模拟海底悬跨管道振动检测实验的系统示意图；

图3为加速度数据处理过程最终得到的结果图；

图4为一种海底悬跨管道振动检测方法的流程图。

附图中，各部件的列表如下：

1：球型内检测器(滚动频率f1)； 2：三轴加速度传感器；

3：海底管道； 4：管内油；

5：洋流； 6：管道振动频率f2；

7：测试管道； 8：过渡管道；

9：激振器； 10：激光位移传感器；

11：第一采集卡； 12：功率放大器；

13：笔记本电脑； 14：鼓风机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种海底悬跨管道振动检测方法，参见图1，该方法包括：

101：组装球型内检测器；

该步骤的详细操作为：

1)将三轴加速度传感器2固定在球型内检测器1的尽可能靠中心的位置(实际上做不到处于正中心)，这样做的原因是让三轴加速度传感器2的旋转半径尽可能小，如此可提高检测信号的质量。

2)为球型内检测器1配置存储模块(sd卡)，单片机，电池等组件并固定。

3)球壳经过详细计算，整个球型内检测器1的质量，密度，体积都保证处于安全工作的区间。

4)组装球形内检测器。

102：振动数据获取；

其中，该步骤102的的详细操作为：将球型内检测器1投管巡检，球型内检测器1通过在海底管道3中滚动，与海底管道3的内壁接触。海底管道3的振动会如实传递至球型内检测器1中，三轴加速度传感器2会将所有的加速度信号记录下来，测量海底管道3中的加速度数据，巡检完毕，将球型内检测器1记录的数据下载到上位机，进行数据处理。

103：数据初处理；

其中，该步骤103的详细操作为：对加速度数据进行傅里叶变换(FFT)，并直接做图，可得到类似图2的原始数据，一般情况下，如果悬跨管道的振动已经发生，可直接得到管道振动的频率f₂明显高于其他峰。在管道振动不是十分明显的特殊情况下，图中各频率的峰值有可能接近(共五个峰)，这时候需要对数据进一步处理。

104：数据进一步处理(去除直流分量)。

该步骤的详细操作为：将加速度数据去除直流分量，然后再进行傅里叶变换，做图后可得到类似图2的去直流数据，并与原始数据曲线进行比对，此时与球型内检测器1自身滚动频率f₁相关的频率都会发生明显的减少，剩余不变的峰只可能是f₂和2f₂，从而得出管道振动的频率。

综上所述，本发明实施例利用球形内检测器携带加速度计检测悬跨海底管道振动，通过数学分析和实验测试，解决了如何从球形内检测器测得的加速度信号中准确识别出管道振动的问题。

实施例2

为了验证本发明的可行性，实验验证的步骤如下：

201：模仿海底管道振动搭建检测系统；

该检测系统利用管道内检测的优势，忽略了管道外部的环境因素，可以模拟和海底管道振动相仿的振动状态，该振动状态包括：振动频率、振动幅度、以及振动方向。

介于管道内流体对球型检测器的作用力在悬跨管道中主要是克服检测器滚动的阻力，该检测系统利用气体流动模拟水平海底悬跨管道中油的流动，来推动检测器的平稳前进。

参见图2，该检测系统包括：球型内检测器1、三轴加速度传感器2、测试管道7、过渡管道8、激振器9、激光位移传感器10、信号放大器11、采集卡12、笔记本电脑13、以及鼓风机14。

其中，球型内检测器1的球直径与管道内径比在0.7-0.8之间，球型内检测器1内部搭载了三轴加速度传感器2，且三轴加速度传感器2接近球心位置；球型内检测器1中搭载电池对三轴加速度传感器2进行供电。该球型内检测器1用于检测振动信号。

测试管道7：供振动测试用管道段，长度自定。过渡管道8：供球型内检测器1稳定滚动状态用，长度需满足稳定球型内检测器1的条件。

激振器9：对测试管道3施加设定的频率，使其做受迫振动。

激光位移传感器10：用于检测管道中心处外壁一点位移。

信号放大器11：用于控制激振器5的电压。

采集卡12：用于数据采集。

笔记本电脑13：用于设置激振频率，保存数据，处理数据。

鼓风机14：利用气流控制球型内检测器1的滚动速度。

将检测系统按照图2示意组装好：

1)安装测试管道7，悬跨长度任意，悬跨段两端利用卡具固定支撑；

2)在测试管道4一端安装过渡管道8，过渡管道8是稳定球型内检测器1滚动状态的管道，长度需要达到使球型内检测器1稳定滚动的要求；

3)在测试管道7的中心位置正上方安装激振器9和激光位移传感器10；

4)激振器9连接信号放大器11；信号放大器11和激光位移传感器10一同连接采集卡12；采集卡12连接笔记本电脑13；

5)过渡管道8的入口连接鼓风机14。

202：振动数据的采集：

其中，该步骤202具体包括：

1)接通电源，打开笔记本电脑13、采集卡12、信号放大器11、激振器9、以及激光位移传感器10；

2)通过笔记本电脑13设置激振器9激振的频率，频率的大小和海底管道发生涡激振动的频率相仿；

3)通过笔记本电脑13和信号放大器11设置激振器9振动的振幅，振幅大小和海底管道发生涡激振动的振幅相仿；

4)将三轴加速度传感器2调至采集模式，并放入球型内检测器1中组装好，将球型内检测器1从入口处放入过渡管道8中；

5)打开鼓风机14调节风力大小并连接至过渡管道8入口处，使球型内检测器1的滚动速度与海底管道输油过程中油的速度相仿；

6)在测试管道7的出口收集球型内检测器1，将球型内检测器1和电脑连接，将球型内检测器1采集到的加速度数据下载到上位机电脑；激光位移传感器10采集到的振动位移数据保存到上位机。

203：振动数据的分析和处理。

1)利用matlab软件读取数据，其中加速度数据是三轴加速度信号，位移数据是电压信号；

2)对位移数据进行频谱分析，得到管道的振动频率，作为此方法检测数据的参考依据；

3)将三轴的加速度信号计算平方和，得到球型内检测器1的加速度平方和，并对其进行频谱分析，得到频谱图(图4点划线)；

4)将三轴加速度信号去除直流分量，再进行平方和计算，得到去除直流分量的加速度平方和，对其进行频谱分析得到频谱图(图4虚线)；

5)通过对比加速度信号的频谱图，可以得到管道振动的频率，以从位移数据得到的频率作为参考见图4。

综上所述，本发明实施例通过搭建模拟海底管道悬跨振动的系统，提出了利用球型内检测器检测振动的方法，通过对比可知，本方法测量精度高，且具有简便，安全，可操作性强的优点。

实施例3

下面结合具体的实验对实施例1和2中的方法进行可行性验证，详见下文描述：

本发明实施例对比了滚动球记录的加速度信号的分量、模平方、分量去直流模平方检测管道振动的性能。加速度模平方含有1倍和2倍管道振动频率的成分，而分量没有。由于这俩的幅值只跟管道振幅有关，不会被球的旋转噪声所干扰，加速度模平方检测管道振动频率的信噪比要高于分量。进一步地，去除每个分量的直流分量，再计算加速度模平方，可以消除滚动频率对识别振动频率的干扰。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种海底悬跨管道振动检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将三轴加速度传感器固定在球型内检测器靠中心的位置，为球型内检测器配置存储模块，单片机，电池并固定；

将球型内检测器投管巡检，三轴加速度传感器将球型内检测器所有的加速度信号记录下来，测量海底管道中的加速度数据，巡检完毕，将球型内检测器记录的加速度数据下载到上位机，进行数据处理；

将单分量x、y、z中的任一分量的加速度数据进行分段，计算每段单分量的傅里叶变换，得到每段单分量的频谱图；

检测每段的频率峰值，当有单个峰时，将每段单分量的频谱图上的位置确定为球滚动的频率f1；当有多个峰时，将该段数据对应的管道段确认为存在疑似悬跨振动；

对疑似悬跨振动的三分量加速度数据，去除每轴加速度的直流分量，然后计算三分量加速度的平方和；

对加速度的三分量的平方和，进行傅里叶变换，得到频谱图；

若在频谱图中同时寻找到幅值最大的频率f2以及它的二倍频2*f2；则该段数据对应的管段发生悬跨振动，频率f₂即是管道振动的频率。

2.根据权利要求1所述的一种海底悬跨管道振动检测方法，其特征在于，所述去除每轴加速度的直流分量具体为：

采用连续小波变换，取细节系数进行重构，以去除直流分量；或

分段求均值、减去均值实现去除直流分量。

3.根据权利要求1所述的一种海底悬跨管道振动检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

若不能同时在频谱图中寻找到频率f2以及二倍频2*f2，则对疑似悬跨管段密集投放球形内检测器，多次检测加以确认。

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