CN111060058B - 一种海底管道竖向弯曲检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密检测技术领域，具体涉及一种海底管道竖向弯曲检测方法，包括如下步骤：S1、准备球形检测器，球形检测器中包括固定板以及固定在固定板上的电路板和加速度传感器，加速度传感器固定在靠近球半径中点的位置；S2、使得球形检测器在管道中做定轴滚动；S3、记管道的坐标系为O₁‑X₁Y₁Z₁，加速度计的坐标系为O₂‑X₂Y₂Z₂，球形检测器的坐标系为O₃‑X₃Y₃Z₃；坐标系O₁‑X₁Y₁Z₁的原点O₁固定在球心O₃处，坐标系不随球形检测器旋转。该方法检测精度高，效率高。

Description

一种海底管道竖向弯曲检测方法

技术领域

本发明属于精密检测技术领域，具体涉及一种海底管道竖向弯曲检测方法。

背景技术

海底管道是从海洋向陆地输送石油最重要的方式。伴随着海洋油气资源的开发，海底管道的长度增长十分迅速。海底管道长期处于恶劣的海底环境中且工作负荷巨大，非常容易发生断裂，而一旦管道断裂会引发石油泄漏，导致严重的环境污染甚至生态灾害。因此，定期对海底管道进行检查并采取适当的修复措施，可以及时发现缺陷和安全隐患，避免海底管道破裂的发生。

弯曲是引发管道破裂的重要原因之一。造成管道弯曲的因素有多种，包括悬跨、热应力屈曲、海床移位、洋流冲刷等。其中，管道悬跨下弯和竖向热屈曲由于幅度较大，导致管道破裂的风险极高。悬跨管道的自重和内部流体的重量对管道施加一个竖直向下的载荷使管道向下弯曲。悬跨长度会随着洋流的冲刷持续增加，跨度越长，管道遭受的弯曲应力越大。当弯曲应力超过了管道的屈服极限，管道就会发生损坏。管道输送原油时，为防止原油结蜡，需要对原油进行加热。热膨胀会使得管道变长，产生很大的轴向应力，并发生向上的屈曲剧变。为了及时修复和加固弯曲管道以防止其断裂，必须对海底管道弯曲进行监测或准实时检测。

管道内检测具有不受外界环境约束、效率高、精度高等优点，是陆地管道检测的主要手段。海底管道除了直立管道较多，其他结构性质与陆地管道基本相同。如果可以顺利通过海底管道而不卡堵，那么管道内检测可以胜任海底管道弯曲的准实时检测。管道内检测器有两种：管道检查仪(PIG)和球形检测器(SD)。管道检查仪广泛应用于陆地管道，但由于体积和重量较大，与管壁接触紧密，易造成堵塞，不易通过立管段，在海底管道中应用十分困难。球形检测器直径小于管径，具有使用方便、不易堵塞的优点。经过仿真和多次现场实验，验证了球形检测器通过管道的能力，尤其是通过直立管道的能力。其中，对管道的三维定位、拐点和磁异常检测、倾角测量、悬跨振动检测充分展示了球形检测器的丰富检测能力及准实时检测的优势。因此，球形检测器是一种很有前途的海底管道检测方法。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提出一种海底管道竖向弯曲检测方法，能够精密地检测出海底管道竖向弯曲度，检测精度高，效率高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海底管道竖向弯曲检测方法，包括如下步骤：

S1、准备球形检测器，球形检测器中包括固定板以及固定在固定板上的电路板和加速度传感器，加速度传感器固定在靠近球半径中点的位置；

S2、使得球形检测器在管道中做定轴滚动；

S3、记管道的坐标系为O₁-X₁Y₁Z₁，加速度计的坐标系为O₂-X₂Y₂Z₂，球形检测器的坐标系为O₃-X₃Y₃Z₃；坐标系O₁-X₁Y₁Z₁的原点O₁固定在球心O₃处，坐标系不随球形检测器旋转；当球形检测器在管道中向前滚动时，球形检测器能够稳定地绕Y₂轴和Y₃轴做定轴滚动；记加速度计Z₂轴和球形检测器坐标系Z₃轴的夹角为θ，也即是X₂轴和X₃轴的夹角；球形检测器的旋转角频率为ω₁；加速度计与旋转平面中心的距离为r₀；

S4、通过理论计算可知，与球形检测器旋转轴重合的敏感轴Y₂轴的加速度分量为0，信息将完全转移到另外两个敏感轴上；同时另外两轴交流分量幅值相等，直流分量的值与θ、ω₁和r₀有关；当球形检测器经过弯曲管道时，滚动速度会发生变化，ω₁就会发生改变，引起加速度的频率和直流分量的改变；

S5、r₀应尽可能大(可以取0.5r，即加速度传感器在半径中点处)，θ可以取135°，从而保证加速度的直流分量足够大，以提高弯曲检测的灵敏度；

S6、利用X轴和Z轴加速度的交流成分的频率或直流成分的幅值推测出管道弯曲的存在；

S7、利用算法识别管道弯曲的方向。

作为本发明所述的海底管道竖向弯曲检测方法的一种改进，在所述步骤S3中，r₀和θ会影响直流分量对滚动速度的灵敏度，需要在装配时仔细设计。

作为本发明所述的海底管道竖向弯曲检测方法的一种改进，在所述步骤S7中，包括如下步骤：

假设球形检测器内加速度计获得的X2轴和Z2轴的数据分别为a_X和a_Z，提取a_X和a_Z的直流分量并做差，可获得差分直流分量，如果差分直流分量呈现先增大后减小的趋势表示管道向下弯曲，如果呈现先减小后增大的趋势则表示管道向上弯曲。

作为本发明所述的海底管道竖向弯曲检测方法的一种改进，在所述步骤S7中，包括如下步骤：

假设球形检测器内加速度计获得的X₂轴和Z₂轴的数据分别为a_X和a_Z，提取a_X和a_Z的交流分量即瞬时频率，做差后可获得差分瞬时频率，如果差分瞬时频率呈现先增大后减小的趋势表示管道向下弯曲，如果呈现先减小后增大的趋势则表示管道向上弯曲。

作为本发明所述的海底管道竖向弯曲检测方法的一种改进，提取直流分量和瞬时频率采用的是峰谷识别的方法，包括如下步骤：

提取直流分量和瞬时频率采用的是峰谷识别的方法，首先提取a_X和a_Z所有的峰值a_max1a_max2…a_{max n}和谷值a_min1a_min2...a_{min n}，每一个峰值a_{max n}都与一个谷值a_{min n}相邻；每对峰-谷值对应的直流分量为(a_{max n}+a_{min n})/2；接下来使用中值滤波的方法对直流分量曲线进行平滑处理，便可得到a_X和a_Z的直流分量曲线；将a_X和a_Z的直流分量做差后取绝对值，即可获得差分直流分量；

假设峰值a_{max n}的位置为t₁，谷值a_{min n}的位置为t₂，则此对峰-谷值对应的瞬时周期为T＝2|t₁-t₂|，可得瞬时频率为f＝1/T＝1/(2|t₁-t₂|)；接下来使用中值滤波的方法对瞬时频率曲线进行平滑处理，便可得到a_X和a_Z的瞬时频率曲线；将a_X和a_Z的瞬时频率取平均值，便可获得差分瞬时频率。

作为本发明所述的海底管道竖向弯曲检测方法的一种改进，在步骤S1中，所述固定板为钨饼、钨环或一圈钨柱。在实际应用中，在球形检测器的大圆平面上固定一个很重的钨饼，把电路板结构固定在钨饼上；或在球形检测器的大圆平面上固定一个很重的钨环，把电路板结构固定在钨环中间；或沿着球形检测器的大圆平面法线方向固定一圈钨柱，把电路板结构固定在中间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中内置钨饼的球形检测器结构示意图；

图2为本发明实施例中内置钨环的球形检测器结构示意图；

图3为本发明实施例中内置钨柱的球形检测器结构示意图；

图4为本发明实施例中球形检测器在管道内前进时的结构示意图；

图5为本发明实施例中定轴的球形检测器采集的加速度数据组；

图6为本发明实施例中不定轴的球形检测器采集的加速度数据组；

图7为本发明实施例中不同下弯程度钢管的加速度差分直流分量曲线组；

图8为本发明实施例中下弯钢管的加速度差分瞬时频率曲线；

图9为本发明实施例中上弯钢管的加速度差分直流分量曲线；

图10为本发明实施例中上弯钢管的加速度差分瞬时频率曲线。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

本发明提供了一种海底管道竖向弯曲检测方法，具体如下：

1.结构方面

本发明中球形检测器的设计原则是使其质量主要分布在大圆平面上，使得球形检测器绕大圆平面法线的转动惯量远大于绕其他轴的转动惯量，从而使球形检测器能够在管道中稳定地绕大圆平面法线做定轴滚动，具体来说有以下三种结构：

①在球形检测器的大圆平面上固定一个很重的钨饼，把电路板结构固定在钨饼上，如图1所示；

②在球形检测器的大圆平面上固定一个很重的钨环，把电路板结构固定在钨环中间，如图2所示；

③沿着球形检测器的大圆平面法线方向固定一圈钨柱，把电路板结构固定在中间，如图3所示。

以上三种结构均能保证球形检测器在管道中做定轴滚动，其中加速度传感器均固定在靠近球半径中点的位置。加速度传感器使用市面上常见的型号即可，比如Bosch公司的BMI160。以第一种结构为例，如图4所示，记管道的坐标系为O₁-X₁Y₁Z₁，加速度计的坐标系为O₂-X₂Y₂Z₂，球形检测器的坐标系为O₃-X₃Y₃Z₃。坐标系O₁-X₁Y₁Z₁的原点O₁固定在球心O₃处，坐标系不随球形检测器旋转。当球形检测器在管道中向前滚动时，球形检测器能够稳定地绕Y₂轴和Y₃轴做定轴滚动。图中，θ代表加速度计Z₂轴和球形检测器坐标系Z₃轴的夹角，也即是X₂轴和X₃轴的夹角，ω₁表示球形检测器的旋转角频率，r₀表示加速度计与旋转平面中心的距离。

通过理论计算可知，与球形检测器旋转轴重合的敏感轴Y₂轴的加速度分量为0，信息将完全转移到另外两个敏感轴上；同时另外两轴交流分量幅值相等，直流分量的值与θ、ω₁和r₀有关。当球形检测器经过弯曲管道时，滚动速度会发生变化，ω₁就会发生改变，引起加速度的频率和直流分量的改变。r₀和θ会影响直流分量对滚动速度的灵敏度，需要在装配时仔细设计。经过实验验证，r₀应尽可能大(可以取0.5r，即加速度传感器在半径中点处)，θ可以取135°，从而保证加速度的直流分量足够大，以提高弯曲检测的灵敏度。最后利用X轴和Z轴加速度的交流成分的频率或直流成分的幅值就可以推测出管道弯曲的存在。

2.识别算法方面

假设球形检测器内加速度计获得的X₂轴和Z₂轴的数据分别为a_X和a_Z。第一种方法是提取a_X和a_Z的直流分量并做差，可获得差分直流分量，如果差分直流分量呈现先增大后减小的趋势表示管道向下弯曲，如果呈现先减小后增大的趋势则表示管道向上弯曲；第二种方法是提取a_X和a_Z的交流分量即瞬时频率，做差后可获得差分瞬时频率，如果差分瞬时频率呈现先增大后减小的趋势表示管道向下弯曲，如果呈现先减小后增大的趋势则表示管道向上弯曲。

提取直流分量和瞬时频率采用的是峰谷识别的方法。首先提取a_X和a_Z所有的峰值a_max1a_max2…a_{max n}和谷值a_min1a_min2…a_{min n}，每一个峰值a_{max n}都与一个谷值a_{min n}相邻。每对峰-谷值对应的直流分量为(a_{max n}+a_{min n})/2。接下来使用中值滤波的方法对直流分量曲线进行平滑处理，便可得到a_X和a_Z的直流分量曲线。将a_X和a_Z的直流分量做差后取绝对值，即可获得差分直流分量。

假设峰值a_{max n}的位置为t₁，谷值a_{min n}的位置为t₂，则此对峰-谷值对应的瞬时周期为T＝2|t₁-t₂|，可得瞬时频率为f＝1/T＝1/(2|t₁-t₂|)。接下来使用中值滤波的方法对瞬时频率曲线进行平滑处理，便可得到a_X和a_Z的瞬时频率曲线。将a_X和a_Z的瞬时频率取平均值，便可获得差分瞬时频率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明中设计的球形检测器可以在管道内定轴滚动，对突然出现的扰动具有很强的免疫效果，而且以各种角度发射球形探测器都不会影响结果。当球形检测器转轴为三轴加速度计的敏感轴时，其他两个加速度分量均能达到最高信噪比，从而能够灵敏可靠地检测管道的低频振动和弯曲。图5展示的是定轴的球形检测器采集的加速度数据，图6展示的是不定轴的球形检测器采集的加速度数据。对比图5和图6可知，定轴的球形检测器采集的加速度数据十分稳定，而且受到干扰后能够迅速恢复原来的状态；

(2)本发明中提到的识别算法配合球形检测器可以实现低成本高效的管道垂直方向弯曲(上弯和下弯)检测。钢管的弯曲程度可以用钢管在4m处的挠度γ表示，γ越大表示钢管越弯。以利用加速度直流分量识别为例：图7展示的是向下弯曲的钢管在γ＝0到γ＝5cm的几种情况下的加速度差分直流分量曲线。可知，在钢管向下弯曲的情况下，加速度差分直流分量曲线呈现凸起的形状，即先增大后减小，而且曲线凸起的程度随弯曲程度的增大而增大。图8展示的是向下弯曲钢管的加速度差分频率曲线，与差分直流分量曲线拥有类似的变化趋势，也可用于识别弯曲；

图9展示的是向上弯曲钢管的加速度差分直流分量曲线。可知，在钢管向上弯曲的情况下，加速度差分直流分量曲线呈现下凹的形状，即先减小后增大。图10展示的是向上弯曲钢管的加速度差分频率曲线，与差分直流分量曲线拥有类似的变化趋势，同样可用于识别弯曲。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种海底管道竖向弯曲检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、准备球形检测器，球形检测器中包括固定板以及固定在固定板上的电路板和加速度传感器，加速度传感器固定在靠近球形检测器半径中点的位置；

S2、使得球形检测器在管道中做定轴滚动；

S3、记管道的坐标系为O₁-X₁Y₁Z₁，加速度计的坐标系为O₂-X₂Y₂Z₂，球形检测器的坐标系为O₃-X₃Y₃Z₃；坐标系O₁-X₁Y₁Z₁的原点O₁固定在球心O₃处，坐标系O₁-X₁Y₁Z₁不随球形检测器旋转；当球形检测器在管道中向前滚动时，球形检测器能够稳定地绕Y₂轴和Y₃轴做定轴滚动；记加速度计Z₂轴和球形检测器坐标系Z₃轴的夹角为θ，也即是X₂轴和X₃轴的夹角；球形检测器的旋转角频率为ω₁；加速度计与旋转平面中心的距离为r₀；

S4、通过理论计算可知，与球形检测器旋转轴重合的敏感轴Y₂轴的加速度分量为0，信息将完全转移到另外两个敏感轴上；同时另外两轴交流分量幅值相等，直流分量的值与θ、ω₁和r₀有关；当球形检测器经过弯曲管道时，滚动速度会发生变化，ω₁就会发生改变，引起加速度的交流成分的频率和直流分量的改变；

S5、r₀取0.5r，即加速度传感器在半径中点处，θ取135°，从而保证加速度的直流分量足够大，以提高弯曲检测的灵敏度；

S6、利用X轴和Z轴加速度的交流成分的频率或直流成分的幅值推测出管道弯曲的存在；

S7、利用算法识别管道弯曲的方向，假设球形检测器内加速度计获得的X₂轴和Z₂轴的数据分别为a_X和a_Z，提取a_X和a_Z的直流分量并做差，可获得差分直流分量，如果差分直流分量呈现先增大后减小的趋势表示管道向下弯曲，如果呈现先减小后增大的趋势则表示管道向上弯曲；假设球形检测器内加速度计获得的X₂轴和Z₂轴的数据分别为a_X和a_Z，提取a_X和a_Z的交流分量即瞬时频率，做差后可获得差分瞬时频率，如果差分瞬时频率呈现先增大后减小的趋势表示管道向下弯曲，如果呈现先减小后增大的趋势则表示管道向上弯曲；并且，采用峰谷识别的方法提取直流分量，首先提取a_X和a_Z所有的峰值a_{max 1}a_{max 2}…a_{max n}和谷值a_{min 1}a_{min 2}…a_{min n}，每一个峰值a_{max n}都与一个谷值a_{min n}相邻；每对峰-谷值对应的直流分量为(a_{max n}+a_{min n})/2；接下来使用中值滤波的方法对直流分量曲线进行平滑处理，便可得到a_X和a_Z的直流分量曲线；将a_X和a_Z的直流分量做差后取绝对值，即可获得差分直流分量；采用峰谷识别的方法提取瞬时频率，假设峰值a_{max n}的位置为t₁，谷值a_{min n}的位置为t₂，则此对峰-谷值对应的瞬时周期为T＝2|t₁-t₂|，可得瞬时频率为f＝1/T＝1/(2|t₁-t₂|)；接下来使用中值滤波的方法对瞬时频率曲线进行平滑处理，便可得到a_X和a_Z的瞬时频率曲线；将a_X和a_Z的瞬时频率取平均值，便可获得差分瞬时频率。

2.如权利要求1所述的海底管道竖向弯曲检测方法，其特征在于：在所述步骤S3中，r₀和θ会影响直流分量对滚动速度的灵敏度。

3.如权利要求1所述的海底管道竖向弯曲检测方法，其特征在于；在步骤S1中，所述固定板为钨饼、钨环或一圈钨柱。

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