CN115290227B - 一种山区页岩气管道应力检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山区页岩气管道应力检测方法及装置，应力检测系统包括探头机构，探头机构上分布有若干磁体，若干磁体均匀分布成若干列，相邻两列磁体的磁性相反，每列磁体以管道轴线为中心成螺旋阵列排布；检测方法包括步骤S1‑S3。本发明利用螺旋（倾斜）永磁体阵列作为磁化装置，控制阻力皮碗的变化使整个系统相对管道稳定运动，产生稳定时变磁场，激励管道局部区域产生连续巴克豪森信号，并通过建立巴克豪森信号特征值与应力的关系，实现对管道应力大小和方向的准确测量。

Description

一种山区页岩气管道应力检测方法及装置

技术领域

本发明涉及管道应力检测技术领域，具体涉及一种山区页岩气管道应力检测方法及装置。

背景技术

管道在生产和服役中受到高温和高压介质的影响，特别是山区页岩气管道，由于其不可避免的布置在地质灾害高发区容易发生地表变形，且途径地形高低起伏、落差大，这些因素将导致山区页岩气管道极易出现布局应力集中现象，直接导致局部的变形，结构强度的降低，同时会进一步地发展为微小缺陷严重降低山区页岩气管道的寿命，最终导致山区页岩气管道失效，产生巨大的安全事故。因此需要对在役山区页岩气管道进行定期的应力检测来判断山区页岩气管道的运行状态，提高山区页岩气管道的质量、延长山区页岩气管道的使用寿命、保障山区页岩气管道长期安全运行。

常规的管道应力检测方法有很多，包括应力应变片测量法、超声波检测法、X射线衍射法、金属磁记忆法等，但这些方法都有各种各样的缺点，不能实现管道的长时间、全覆盖、高灵敏度双向应力检测。而巴克豪森噪声检测法作为一种新型的应力无损检测方法，已经在大量的研究和工程中得到应用，由于其能有效地反映铁磁性材料内部微观组织的变化，因此能够实现对材料的应力检测与评估。然而常规的巴克豪森应力检测系统大多都只能检测某一点（局部）的单个方向应力，且利用电磁铁产生周期性的交变激励磁场，该方式不能应用在长距离管道全覆盖的应力检测，限制了巴克豪森应力检测的进一步发展。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种可实现长时间管道轴向和周向应力检测的山区页岩气管道应力检测方法及装置。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种管道应力检测系统，其包括探头机构，探头机构上分布有若干磁体，若干磁体均匀分布成若干列，相邻两列磁体的磁性相反，每列磁体以管道轴线为中心成螺旋阵列排布；

若干磁体之间形成相对于管道长度方向倾斜的局部磁场，相邻永磁体励磁方向相反，对管道进行局部磁化，产生巴克豪森信号；

每个磁体的两侧均设置有用于接收巴克豪森信号的信号接收器，信号接收器与信号处理系统电连接，探头机构和信号处理系统设置在驱动机构上，驱动机构用于驱动探头机构和信号处理系统在管道内移动。

进一步地，探头机构包括设置在管道轴线上的若干支撑环，每个支撑环的外圆周上设置有均匀设置有若干支撑脚，每个支撑脚的端部均设置有磁体，磁体上设置有与管道内壁滑动接触的钢刷，钢刷的两侧设置有信号接收器，支撑环与驱动机构连接。

进一步地，信号接收器包括设置在钢刷两侧的支撑板，支撑板的上端设置有弹簧，弹簧与屏蔽壳连接，屏蔽壳靠近管道的内壁，屏蔽壳内设置有信号接收线圈，信号接收线圈内设置有铁氧体磁芯，信号接收线圈与信号处理系统电连接。

进一步地，驱动机构包括第一柔性连接杆，若干支撑环相互叠加连接，第一柔性连接杆的一端与其中一个支撑环连接，第一柔性连接杆的另一端依次连接有两个动力皮碗，两个动力皮碗之间通过连接轴连接，两个动力皮碗之间设置信号处理系统，远离第一柔性连接杆一侧的动力皮碗与第二柔性连接杆连接，第二柔性连接杆与推杆电机单元传动连接，推杆电机单元与阻力皮碗连接，推杆电机单元上设置有若干与管道内壁接触的编码轮。

进一步地，信号处理系统包括依次连接的多通道的滤波放大单元、数据采集单元、MCU控制单元、电机控制单元、数据存储单元和编码轮单元；

滤波放大单元用于对若干信号接收器采集的巴克豪森信号进行滤波，放大、并去除背景噪音；

数据采集单元将巴克豪森信号转化成数字信号，通过MCU控制单元存储到数据存储单元中；

编码轮单元用于实时采集检测系统的相对位置，通过MCU控制单元记录空间位置和控制检测装置的运动速度在管道内移动的速度，电机控制单元用于控制推杆电机单元。

提供一种采用上述山区页岩气管道应力检测装置对管道应力进行检测的方法，其包括以下步骤：

S1：计算采集的巴克豪森信号的特征值s _i ，特征值s _i 包括包络峰值V _amp 、包络半峰宽T _hpw 、上振铃数R _up 、下振铃数R _down 、均方根值V _rms 、对比度S _con 和均匀度S _uni ；

S2：利用管道的多个标准应力值σ和其对应的特征矩阵S，进行标定、计算各个特征矩阵S对应的标准系数矩阵K[ k _i ]，k _i 为标准系数矩阵K的特征值，特征矩阵S中包括包络峰值V _amp 、包络半峰宽T _hpw 、上振铃数R _up 、下振铃数R _down 、均方根值V _rms 、对比度S _con 和均匀度S _uni 的标准值：

S3：利用标定中计算得到的标准系数矩阵K[ k _i ]，将采集的巴克豪森信号的特征值s _i 组合成矩阵S [ s _i ]，计算检测得到的应力值σ'：

其中，i为特征值的类型。

进一步地，上述山区页岩气管道应力检测装置对管道应力进行检测的方法，其特征在于，步骤S1中计算特征值s _i 的方法为：

S11：每个信号接收器采集的数据对应的数据为V _i ，在设定的采集时间范围内的信号为V(t)，采集时间范围内包括i个滑动时间窗口，滑动时间窗口W _i 的数据量为2N；

S12：对信号V(t)采用希尔伯特变换获得巴克豪森信号的包络线V _h (t)：

其中，Hilbert表示进行希尔伯特变换；

S13：定义没有应力集中的区域对应的包络线值为V _h0 ，应力集中区域的包络线上会出现一个应力集中波形，计算该应力集中波形的幅值V _amp 和包络半峰宽T _hpw ：

其中，Max函数表示求应力集中波形范围内的最大值，t ₁和t ₂分别表示在包络线值等于半峰值时所对应的时间，包络半峰宽T _hpw 则为t ₁和t ₂两个时间的间隔；

S14：以包络线值V _h0 为参考阈值，将第i个滑动时间窗口W _i 内超过上阈值的采样个数R _up 作为上振铃数，低于下阈值的采样个数R _down 作为下振铃数，计算对应的上振铃数R _up （i）和下振铃数R _down （i）：

S15：计算第i个滑动时间窗W _i 范围2N内巴克豪森信号的均方根值V _rms ：

其中，j为第j个巴克豪森信号；

S16：同时对采集的巴克豪森信号进行时频谱分析，并进行短时傅里叶变换处理，得到信号的时频图；

S17：将时频图中的时域波动信号转换为同时反映信号频率、幅值和能量随时间变化的图像，通过图像处理后获取巴克豪森信号的对比度S _con 和均匀度S _uni 。

本发明的有益效果为：本发明利用螺旋（倾斜）永磁体阵列作为磁化装置，控制阻力皮碗的变化使整个系统相对管道稳定运动，产生稳定时变磁场，激励管道局部区域产生连续巴克豪森信号，并通过建立巴克豪森信号特征值与应力的关系，实现对管道应力大小和方向的准确测量。

本发明通过螺旋永磁体斜向磁化的方式能够长时间、连续、快速地测量山区页岩气管道的巴克豪森信号，实现对轴向和轴向应力的检测；阵列布置的巴克豪森信号接收单元能够实现山区页岩气管道应力检测的全覆盖，避免漏检；同时优化布置巴克豪森信号接收单元的位置，控制检测系统的稳定匀速运行，提高巴克豪森信号对应力的灵敏值。

附图说明

图1为管道应力检测系统的结构简图。

图2为管道应力检测系统在管道内的截面图。

图3为信号接收器的结构简图。

图4为永磁体及传感器布局示意图。

图5为永磁体磁化管道的圆周截面磁场分布图。

其中，1、探头机构，10、第一柔性连接杆，11、钢刷，12、管道，13、支撑环，14、永磁体，15、信号接收器，151、屏蔽壳，152、铁氧体磁芯，153、信号接收线圈，154、弹簧，155、支撑板；2、信号处理系统；20、第二柔性连接杆，21、滤波放大单元；22、数据采集单元；23、MCU控制单元；24、数据存储单元；25、电池组；26、电机驱动单元；27、动力皮碗；3、驱动机构；31、编码轮；32、推杆电机；33、阻力皮碗。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图3所示，本方案的管道12应力检测系统包括探头机构1，探头机构1上分布有若干磁体，若干磁体均匀分布成若干列，相邻两列磁体的磁性相反，每列磁体以管道12轴线为中心成螺旋阵列排布，并且每列磁体形成的螺旋线成45°倾斜；

若干磁体之间形成相对于管道12长度方向倾斜45°的局部磁场，相邻永磁体14励磁方向相反，对管道12进行局部磁化，产生巴克豪森信号；

每个磁体的两侧均设置有用于接收巴克豪森信号的信号接收器15，信号接收器15与信号处理系统2电连接，探头机构1和信号处理系统2设置在驱动机构3上，驱动机构3驱动探头机构1和信号处理系统2在管道12内移动。

探头机构1包括设置在管道12轴线上的若干支撑环13，每个支撑环13的外圆周上设置有均匀设置有若干支撑脚，每个支撑脚的端部均设置有磁体，磁体上设置有与管道12内壁滑动接触的钢刷11，钢刷11的两侧设置有信号接收器15，支撑环13与驱动机构3连接。

信号接收器15包括设置在钢刷11两侧的支撑板155，支撑板的上端设置有弹簧154，弹簧154与屏蔽壳151连接，屏蔽壳151靠近管道12的内壁，屏蔽壳151内设置有信号接收线圈153，信号接收线圈153内设置有铁氧体磁芯152，信号接收线圈153与信号处理系统2电连接。

驱动机构3包括第二柔性连接杆20，若干支撑环13相互叠加连接，第一柔性连接杆10的一端与其中一个支撑环13连接，第一柔性连接杆10的另一端依次连接有两个动力皮碗27，两个动力皮碗27之间通过连接轴连接，两个动力皮碗27之间设置信号处理系统2，远离第一柔性连接杆10一侧的动力皮碗27与第二柔性连接杆20连接，第二柔性连接杆20与推杆电机32单元传动连接，推杆电机32单元与阻力皮碗33连接，推杆电机32单元上设置有若干与管道12内壁接触的编码轮31。

信号处理系统包括依次连接的多通道的滤波放大单元21、数据采集单元22、MCU控制单元23、数据存储单元24、电机控制单元26和编码轮31单元；

滤波放大单元21用于对若干信号接收器15采集的巴克豪森信号进行滤波，放大、并去除背景噪音；

数据采集单元将巴克豪森信号转化成数字信号，通过MCU控制单元23存储到数据存储单元24中；

编码轮31用于实时采集检测系统的相对位置，通过MCU控制单元23记录空间位置和控制检测装置的运动速度在管道12内移动的速度，电机控制单元26用于控制推杆电机单元32。

如图4和图5所示，本方案可同时实现轴向和周向两个方向的应力检测，无需使用交变电磁场激励磁化，使检测的速度得到大大提升。将巴克豪森信号的信号接收器15布置在靠近永磁体14单元的两侧，更加靠近变化剧烈的磁场下，该位置下激发的连续巴克豪森信号更强，对应力的敏感程度更高。

控制阻力皮碗33变形，阻力皮碗33利用管道12内的流体介质提供前进动力，使检测装置相对山区页岩气管道12匀速前进获得稳定的巴克豪森信号激励磁场，从而得到连续的巴克豪森信号，提高山区页岩气管道12内壁应力检测的精度，整个检测系统利用电池组25供电。

检测前，先测量并控制装置的检测速度，对不同应力状态的山区页岩气管道12进行实际测量，获得校正曲线，用于实际检测中山区页岩气管道12应力的标定系数矩阵。

采用上述管道12应力检测系统对管道12应力进行检测的方法，其包括以下步骤：

S1：计算采集的巴克豪森信号的特征值s _i ，特征值s _i 包括包络峰值V _amp 、包络半峰宽T _hpw 、上振铃数R _up 、下振铃数R _down 、均方根值V _rms 、对比度S _con 和均匀度S _uni ；

包括：

S11：每个信号接收器采集的数据对应的数据为V _i ，在设定的采集时间范围内的信号为V(t)，采集时间范围内包括i个滑动时间窗口，滑动时间窗口W _i 的数据量为2N；

S12：对信号V(t)采用希尔伯特变换获得巴克豪森信号的包络线V _h (t)：

其中，Hilbert表示进行希尔伯特变换；

S13：定义没有应力集中的区域对应的包络线值为V _h0 ，应力集中区域的包络线上会出现一个应力集中波形，计算该应力集中波形的幅值V _amp 和包络半峰宽T _hpw ：

其中，Max函数表示求应力集中波形范围内的最大值，t ₁和t ₂分别表示在包络线值等于半峰值时所对应的时间，包络半峰宽T _hpw 则为t ₁和t ₂两个时间的间隔；

S14：以包络线值V _h0 为参考阈值，将第i个滑动时间窗口W _i 内超过上阈值的采样个数R _up 作为上振铃数，低于下阈值的采样个数R _down 作为下振铃数，计算对应的上振铃数R _up （i）和下振铃数R _down （i）：

S15：计算第i个滑动时间窗W _i 范围2N内巴克豪森信号的均方根值V _rm ：

其中，j表示第j个巴克豪森信号；

S16：同时对采集的巴克豪森信号进行时频谱分析，并进行短时傅里叶变换处理，得到信号的时频图；

S17：将时频图中的时域波动信号转换为同时反映信号频率、幅值和能量随时间变化的图像，通过图像处理后获取巴克豪森信号的对比度S _con 和均匀度S _uni 。

S2：利用管道的多个标准应力值σ和其对应的特征矩阵S，进行标定、计算特征矩阵S对应的标准系数矩阵K[ k _i ]，k _i 为标准系数矩阵K的特征值，特征矩阵S中包括包络峰值V _amp 、包络半峰宽T _hpw 、上振铃数R _up 、下振铃数R _down 、均方根值V _rms 、对比度S _con 和均匀度S _uni 的标准值：

S3：利用标定中计算得到系数矩阵K[ k _i ]，将采集的巴克豪森信号的特征值s _i 组合成矩阵S [ s _i ]，计算检测得到的应力值σ'：

其中，i为特征值的类型。

本发明利用螺旋（倾斜）永磁体14阵列作为磁化装置，控制阻力皮碗33的变化使整个系统相对管道12稳定运动，产生稳定时变磁场，激励管道12局部区域产生连续巴克豪森信号，并通过建立巴克豪森信号特征值与应力的关系，实现对管道12应力大小和方向的准确测量。

本发明通过螺旋永磁体14斜向磁化的方式能够长时间、连续、快速地测量山区页岩气管道12的巴克豪森信号，实现对轴向和周向应力的检测；阵列布置的巴克豪森信号接收单元能够实现山区页岩气管道12应力检测的全覆盖，避免漏检；同时优化布置巴克豪森信号接收单元的位置，控制检测系统的稳定匀速运行，提高巴克豪森信号对应力的灵敏值。

Claims (5)

1.一种山区页岩气管道应力检测装置，其特征在于，包括探头机构，所述探头机构上分布有若干永磁体，若干所述永磁体均匀分布成若干列，相邻两列所述永磁体的磁性相反，每列所述永磁体以管道轴线为中心成螺旋阵列排布；

若干所述永磁体之间形成相对于管道长度方向倾斜45°的局部磁场，相邻永磁体励磁方向相反，对管道进行局部磁化，产生巴克豪森信号；

每个所述永磁体的两侧均设置有用于接收巴克豪森信号的信号接收器，所述信号接收器与信号处理系统电连接，所述探头机构和信号处理系统设置在驱动机构上，所述驱动机构用于驱动探头机构和信号处理系统在管道内移动；

所述探头机构包括设置在管道轴线上的若干支撑环，每个所述支撑环的外圆周上设置有均匀设置有若干支撑脚，每个所述支撑脚的端部均设置有永磁体，所述永磁体上设置有与管道内壁滑动接触的钢刷，所述钢刷的两侧设置有信号接收器，所述支撑环与驱动机构连接；

所述信号接收器包括设置在钢刷两侧的支撑板，所述支撑板的上端设置有弹簧，所述弹簧与屏蔽壳连接，所述屏蔽壳靠近管道的内壁，所述屏蔽壳内设置有信号接收线圈，所述信号接收线圈内设置有铁氧体磁芯，所述信号接收线圈与信号处理系统电连接。

2.根据权利要求1所述的山区页岩气管道应力检测装置，其特征在于，所述驱动机构包括第一柔性连接杆，若干所述支撑环相互叠加连接，所述第一柔性连接杆的一端与其中一个支撑环连接，所述第一柔性连接杆的另一端依次连接有两个动力皮碗，两个所述动力皮碗之间通过连接轴连接，两个所述动力皮碗之间设置信号处理系统，远离所述第一柔性连接杆一侧的动力皮碗与第二柔性连接杆连接，所述第二柔性连接杆与推杆电机单元传动连接，所述推杆电机单元与阻力皮碗连接，所述推杆电机单元上设置有若干与管道内壁接触的编码轮。

3.根据权利要求2所述的山区页岩气管道应力检测装置，其特征在于，所述信号处理系统包括依次连接的多通道的滤波放大单元、数据采集单元、MCU控制单元、电机控制单元、数据存储单元和编码轮单元；

所述滤波放大单元用于对若干信号接收器采集的巴克豪森信号进行滤波，放大、并去除背景噪音；

所述数据采集单元将巴克豪森信号转化成数字信号，通过MCU控制单元存储到数据存储单元中；

所述编码轮单元用于实时采集检测系统的相对位置，通过MCU控制单元记录空间位置和控制检测装置的运动速度在管道内移动的速度，所述电机控制单元用于控制推杆电机单元。

4.一种对管道应力进行检测的方法，采用权利要求1-3任一项所述的山区页岩气管道应力检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：计算采集的巴克豪森信号的特征值s _i ，特征值s _i 包括包络峰值V _amp 、包络半峰宽T _hpw 、上振铃数R _up 、下振铃数R _down 、均方根值V _rms 、对比度S _con 和均匀度S _uni ；

S2：利用管道的多个标准应力值σ和其对应的特征矩阵S，进行标定、计算各个特征矩阵S对应的标准系数矩阵K[ k _i ]，k _i 为标准系数矩阵K的特征值，所述特征矩阵S中包括包络峰值V _amp 、包络半峰宽T _hpw 、上振铃数R _up 、下振铃数R _down 、均方根值V _rms 、对比度S _con 和均匀度S _uni 的标准值：

S3：利用标定中计算得到的标准系数矩阵K[ k _i ]，将采集的巴克豪森信号的特征值s _i 组合成矩阵S [ s _i ]，计算检测得到的应力值σ'：

其中，i为特征值的类型。

5.根据权利要求4所述的对管道应力进行检测的方法，其特征在于，所述S1中计算特征值s _i 的方法为：

S11：每个信号接收器采集的数据对应的数据为V _i ，在设定的采集时间范围内的信号为V(t)，采集时间范围内包括i个滑动时间窗口，滑动时间窗口W _i 的数据量为2N；

S12：对信号V(t)采用希尔伯特变换获得巴克豪森信号的包络线V _h (t)：

其中，Hilbert表示进行希尔伯特变换；

S13：定义没有应力集中的区域对应的包络线值为V _h0 ，应力集中区域的包络线上会出现一个应力集中波形，计算该应力集中波形的包络峰值V _amp 和包络半峰宽T _hpw ：

其中，Max函数表示求应力集中波形范围内的最大值，t ₁和t ₂分别表示在包络线值等于半峰值时所对应的时间，包络半峰宽T _hpw 则为t ₁和t ₂两个时间的间隔；

S14：以包络线值V _h0 为参考阈值，将第i个滑动时间窗口W _i 内超过上阈值的采样个数R _up 作为上振铃数，低于下阈值的采样个数R _down 作为下振铃数，计算对应的上振铃数R _up （i）和下振铃数R _down （i）：

S15：计算第i个滑动时间窗W _i 范围2N内巴克豪森信号的均方根值V _rm ：

其中，j为第j个巴克豪森信号；

S16：同时对采集的巴克豪森信号进行时频谱分析，并进行短时傅里叶变换处理，得到信号的时频图；

S17：将时频图中的时域波动信号转换为同时反映信号频率、包络峰值和能量随时间变化的图像，通过图像处理后获取巴克豪森信号的对比度S _con 和均匀度S _uni 。

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