一种基于焊缝识别的管道泄漏定位方法

摘要

一种基于焊缝识别的管道泄漏定位方法，通过管道内检测器进行定位，所述方法包括以下步骤：通过所述管道内检测器获取声音信号、磁信号和时间信息并存储；对所述声音信号、磁信号和所述时间信息进行处理，分别绘制声音信号和磁信号幅值与时间关系图并获取泄漏引起的声音异常信号对应的时间点t，融合从磁信号提取的焊缝信息确定输油管道的泄漏点及其位置。该方法针对传统管道泄漏检测方法的不足，实现对微小泄漏的高精度定位检测。

说明书

技术领域

本发明涉及对管道泄漏的定位，特别涉及一种基于焊缝识别的管道泄漏定 位方法。

背景技术

为了保障国家的能源供应，国家加大了油气管道的建设力度，目前中国已 建成投入运营长输油气管道6万多公里，“十二五”期间我国将再建设4万公 里的石油天然气长输管道。随着油气储运设备的增加，对管道的安全检测成为 最紧迫的问题。为此，近几十年国内外管道工作者一直致力于管道泄漏检测与 定位技术研究。

由于管道输送介质的多样性、管道所处环境的多样性和泄漏形式的多样性 等等，使得没有一种通用的方法能够解决管道所有的泄漏检测问题。目前广泛 应用的方法，其共同点都是在管道的两端安装传感器，采集泄漏点传播过来的 信号。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

一般每段管道长为三十至五十公里，这导致泄漏点产生的丰富信号经过长 距离几乎衰减殆尽并且剩余的信号也淹没在背景噪声中，使得泄漏尤其是微小 泄漏（泄漏量0.1L/min）的检测及高精度定位比较困难。

发明内容

本发明提供了一种基于焊缝识别的管道泄漏定位方法，实现了对泄漏和微 小泄漏的检测，提高了定位的精度，详见下文描述：

一种基于焊缝识别的管道泄漏定位方法，通过管道内检测器进行定位，所 述方法包括以下步骤：

通过所述管道内检测器获取声音信号、磁信号和时间信息并存储；

对所述声音信号、所述磁信号和所述时间信息进行处理，分别绘制声音信 号和磁信号幅值与时间关系图并获取泄漏引起的声音异常信号对应的时间点t， 融合从磁信号提取的焊缝信息确定输油管道的泄漏点及其位置。

所述对所述声音信号、所述磁信号和所述时间信息进行处理，分别绘制声 音信号和磁信号幅值与时间关系图并获取泄漏引起的声音异常信号对应的时间 点t，融合从磁信号提取的焊缝信息确定输油管道的泄漏点及其位置具体为：

1）对磁传感器进行标定，得到修正系数a_x、b_x、a_y、b_y、a_z、b_z，a为偏移系 数，b为缩放系数，x、y、z分别为坐标系的三轴；

2）对磁传感器采集得到的三轴磁场数据x、y、z进行修正处理获取修正后的 数据；x'=(x-a_x)·b_x、y'=(y-a_y)·b_y、z'=(z-a_z)·b_z；

3）通过修正后的数据获取总磁场，并对总磁场进行处理获取磁信号幅值与 时间关系图；

4）获取球形检测器经过每个焊缝的时间点T_n(n=1,2，3…)，即磁场信号出 现尖峰的时刻；

5）对声音信号进行处理分析，确定泄漏引起的声音异常信号，提取声音异 常信号所对应的时间点t；

6）在磁信号幅值与时间关系图上找到时间点t及相邻两边的尖峰时刻T_n和 T_n+1，获得对应的的焊缝个数n和n+1，并获取第n个焊缝到起始点距离L， $L=l_1+l_2+···+l_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{l}_i;$

7）根据第n个焊缝到起始点的距离获取泄漏点距离起始点的距离L'；

l_n+1为T_n与T_n+1之间的管道长度。

所述通过修正后的数据获取总磁场，并对总磁场进行处理获取磁信号幅值 与时间关系图具体为：

通过修正后的数据获取总磁场对总磁场进行滤波和降 噪处理，然后对其求导，得到磁信号幅值与时间关系图。

所述对声音信号进行处理分析，确定泄漏引起的声音异常信号，提取声音 异常信号所对应的时间点t具体为：

将采集到的声音信号进行滤波和降噪处理后，获取声音信号归一化幅值与 时间关系图，将幅值最大处确定为泄漏引起的声音异常信号，提取声音异常信 号所对应的时间点t。

本发明提供的技术方案的有益效果是：管道内检测器在管道内运动的过程 中捕获焊缝附近磁场微小的变化，通过数据处理，准确识别管道上的焊缝，利 用施工资料中已知的各个焊缝位置将泄漏点定位在相邻两个焊缝间的某个管段 上，然后再利用管道内检测器到达泄漏点的时间以及相邻前后焊缝的时间实现 进一步高精度定位。该方法针对传统管道泄漏检测方法的不足，实现对微小泄 漏的定位检测，具有低成本、微功耗、检测灵敏度高、定位准确、不易堵塞和 使用安全方便的优点，并且通过实验验证，本方法具有很高的定位精度。

附图说明

图1为理论上采集到的磁信号示意图；

图2为理论上采集到的泄漏声信号示意图；

图3为检测方法示意图；

图4为球形内检测器的结构示意图；

图5为球形内检测器的内部电路结构框图；

图6为利用清管器收发球筒发射、回收球形内检测器的示意图；

图7为本发明所采集到的磁信号与时间关系图；

图8为本发明所采集到的泄漏声音信号与时间关系图；

图9为本发明提供的一种基于焊缝识别的管道泄漏定位方法的流程图；

图10为本发明提供的一种基于焊缝识别的管道泄漏定位方法的另一流程 图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：密封头；                2：连通孔；

3：聚氨酯泡沫层；          4：锥形孔；

5：球形承压铝壳体；        6：螺钉

7：接口电路板；            8：6芯排线；

9：核心电路板；            10：8芯排线；

11：电源电路板；           12：USB接口；

13：ARM处理器；            14：SDRAM内存；

15：NAND Flash存储器；     16：Micro SD存储卡；

17：晶体振荡器；           18：电源模块；

19：可充电锂电池；         20：驻极体电容传声器；

21：前置放大器；          22：IMU惯性测量单元；

23：抗混叠低通滤波器；    24：A/D模数转换器；

25：发球筒快开盲板；      26：发球筒；

27：球形内检测器；        28：首端支线阀；

29：首端主阀；            30：首端发球阀；

31：泄漏点；              32：末端主阀；

33：末端支线阀；          34：末端收球阀；

35：球通过指示器；        36：收球筒；

37：收球筒快开盲板。

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，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

101：通过管道内检测器获取声音信号、磁信号和时间信息并存储；

102：对声音信号、磁信号和时间信息进行分析，分别绘制声音信号和磁信 号幅值与时间关系图并获取泄漏引起的声音异常信号对应的时间点t，融合从磁 信号提取的焊缝信息确定输油管道的泄漏点及其位置。

其中，该步骤具体为：

1）对磁传感器进行标定，得到修正系数a_x、b_x、a_y、b_y、a_z、b_z，a为偏移系数， b为缩放系数，x、y、z分别为坐标系的三轴；

2）对磁传感器采集得到的三轴磁场数据x、y、z进行修正处理获取修正后的 数据；x'=(x-a_x)·b_x、y'=(y-a_y)·b_y、z'=(z-a_z)·b_z；

3）通过修正后的数据获取总磁场，并对总磁场进行处理获取磁信号幅值与 时间关系图；

4）获取管道内检测器经过每个焊缝的时间点T_n(n=1,2，3…)，即磁场信号 出现尖峰的时刻；

5）对声音信号进行处理分析，确定泄漏引起的声音异常信号，提取声音异 常信号所对应的时间点t；

6）在磁信号幅值与时间关系图上找到时间点t及相邻两边的信号尖峰时刻 T_n和T_n+1，获得对应的的焊缝个数n和n+1，并获取第n个焊缝到起始点距离L， $L=l_1+l_2+···+l_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{l}_i;$

7）根据第n个焊缝到起始点的距离获取泄漏点距离起始点的距离L'；

l_n+1为T_n与T_n+1之间的管道长度。

通过上述步骤101-步骤102，实现管道泄漏的定位。

具体实现时，管道内检测器通常为球形内检测器或柱形内检测器，根据实 际应用中的需要进行选择，本发明实施例对此不做限制。

下面以球形内检测器为例详细说明本方法的实施过程，详见下文描述：

实施例2

201：将上好电的球形内检测器放入待检测管段首端的清管器发球筒内，按 照清管器发球流程发球，将球形内检测器发射到管道内，球形内检测器在管内 油品的推动下滚动；

202：在滚动过程中，由球形内检测器的驻极体电容传声器20采集沿线的 声音信号，由IMU惯性测量单元22采集球形内检测器滚动过程中周围的磁信 号，由ARM处理器13记录时间信息，将采集到的上述三种信息存储至Micro SD 存储卡16中；

203：根据管道内油品的平均流速及管道长度，获取球形内检测器到达输油 管道末端的时间，当球形内检测器通过设在管道末端收球筒上的指示器时，清 管器收球筒回收球形内检测器；

其中，指示器显示是否有物体通过，当有物体通过时，施工人员则回收球 形内检测器。

204：打开球形内检测器的密封头，通过USB线缆连接球形内检测器内接 口电路板上的Mini USB接口与计算机，传输球形内检测器内Micro SD存储器 所记录的声音、磁场及时间数据；

205：分析声音、磁场及时间数据，确定输油管道的泄漏点及其位置。

1）对磁传感器进行标定，得到修正系数a_x、b_x、a_y、b_y、a_z、b_z，a为偏移系 数，b为缩放系数，x、y、z分别为坐标系的三轴；

2）对磁传感器采集得到的三轴磁场数据x、y、z进行修正处理获取修正后的 数据；

其中，x'=(x-a_x)·b_x、y'=(y-a_y)·b_y、z'=(z-a_z)·b_z，.表示点积。

3）通过修正后的数据获取总磁场，并对总磁场进行处理获取磁信号幅值与 时间关系图；

通过修正后的数据获取总磁场对总磁场进行滤波和降 噪处理，然后对其求导，得到磁信号的幅值与时间的关系图。

4）获取球形内检测器经过每个焊缝的时间点T_n(n=1,2，3…)；

参见图1，在焊缝处磁场信号会出现尖峰，设定出现尖峰的时刻为T₁、T₂…T_m， 相邻两个尖峰时刻的时间差T_n+1-T_n（n=1,2，3……）表示球形内检测器经过相邻 两个焊缝之间管道所需的时间。

5）对声音信号进行处理分析，确定泄漏引起的声音异常信号，提取声音异 常信号所对应的时间点t；

参见图2，将采集到的声音信号进行滤波和降噪处理后，获取声音信号归一 化幅值与时间关系图，将幅值最大处确定为泄漏引起的声音异常信号，提取声 音异常信号所对应的时间点t。

6）在磁信号幅值与时间关系图上找到时间点t及相邻两边的尖峰时刻T_n和 T_n+1，获得对应的的焊缝个数n和n+1，并获取第n个焊缝到起始点距离L；

其中，n为从0时刻开始到t之间的尖峰个数所对应的焊缝个数。由于信号 采集的起始点（放入球形检测器处）的位置是已知的，结合施工资料记录的各 段管道长度即可算出焊缝T_n到起始点的距离

7）根据第n个焊缝到起始点的距离获取泄漏点距离起始点的距离L'。

l_n+1为T_n与T_n+1之间的管道长度。

下面结合具体的实施方式对一种基于焊缝识别的管道泄漏定位方法进行详 细的描述：

管道内检测器以球形内检测器为例，该球形内检测器具体为：铝球壳5外 径Φ100mm，壁厚8mm，设计耐压≧5MPa；球形承压铝壳之外是聚氨酯泡沫层 3，该泡沫层厚度为30mm，其上开设8个上大下小的锥形孔4；在球壳内设置 接口电路板7、核心电路板9和电源电路板11，在接口电路板上设置有Mini USB 接口、控制上电和断电拨动机械开关及多色状态指示灯；在核心电路板上设置 有ARM处理器13型号为S3C2440，与该处理器连接的电子器件是：IMU惯性 测量单元22型号ADIS16405；A/D模数转换器24，型号AD7934-6,设定采样 率为44.1KHz；12MHz晶体振荡器17；Mini USB接口12；SDRAM内存14， 型号MT48LC16M16A2，容量为64Mbit；NAND Flash存储器15，型号 K9F2G08U0A，容量为256MB；Micro SD存储卡16，容量为4GB；其中在A/D 模数转换器之前依次是：抗混叠低通滤波器23，型号MAX7424，截止频率设为 22KHz；前置放大器21，型号MAX9814，具有自动增益控制（AGC）及最大 60dB的增益；驻极体电容传声器WM-61B（20），该传感器灵敏度为-35dB， 频响范围为20～20KHz；接口电路板与核心电路板通过6芯排线8实现电气连 接；在电源电路板上设置有9.8Ah容量的可充电锂电池19及负责电压变换的电 源模块18；电源电路板通过8芯排线10与另一半球铝壳内的核心电路板实现电 气连接。

利用上述球形内检测器在廊坊中石油管道科技研究中心的泄漏检测试验管 道进行了多次模拟泄漏检测试验，该试验管道全场2.5Km，管道内径168mm， 水介质，在管道首末端安装有用于发射及接收清管器的收、发球筒，清管器（pig） 是在管道内输送介质的推动下前进，用于清洁管壁及监测管道内部状况的工具， 在距始点500m、1000m、1500m、2000m处设有4座阀井，编号分别为1#、2#、 3#、4#；阀井内有流量调节阀，用于模拟泄漏，在该试验管道进行的某次泄漏 检测模拟试验的步骤如下：

图6为利用清管器收发球筒发射、回收上述球形内检测器的示意图。正常 情况下，输送介质从上游经由首端干线通过首端主阀29与末端主阀32经由末 端干线流向下游，首端支线阀28、末端支线阀33、首端发球阀30和末端收球 阀34均处于关闭状态；发球时：打开发球筒快开盲板25，将上好电的球形内检 测器27推入发球筒26内顶紧，关闭快开盲板25，打开首端支线阀28，平衡首 端发球阀30两端的压力，打开首端发球阀30后关闭首端主阀29，该球形内检 测器在管道内液体的推动下开始滚动，记下此时时间为16:49，在该时刻，由球 形内检测器的驻极体电容传声器20、IMU惯性测量单元22同时采集信号；发 球完成后，打开首端主阀29，关闭首端支线阀28和首端发球阀30；在进行发 球操作的同时，在距离始点500m的1#阀井内，打开流量调节阀模拟泄漏，实 测泄漏量为1L/min。

根据首端流量计显示瞬时流量为146.6m³/h，则流速为1.83m/s，计算得该 球形内检测器到达末端的时间约为17:11，在17:05时，在管道末端准备收球， 按顺序打开末端收球阀34，末端支线阀33，将末端主阀门35部分或全部关闭， 待球通过指示器检测到球通过信号，表明该球形内检测器已进入收球筒36，记 下此时的时间为17:10，打开末端主阀32，关闭末端收球阀34及末端支线阀33， 打开收球筒快开盲板37，取出上述球形内检测器，关闭收球筒快开盲板37。

通过USB线缆连接球形内检测器内接口电路板上的Mini USB接口与计算 机，传输球形内检测器内Micro SD存储卡16所记录的数据到计算机，利用上 位机程序处理分析采集到的数据，确定泄漏点的位置，其具体步骤如下：

⑴对驻极体电容传声器20采集到的声音数据进行滤波、去噪、归一化等处 理，得到归一化的声信号幅值与时间关系图，其中在295s～302s时间段内发现 泄漏声音异常信号，如图8所示，整个过程声信号幅值呈现梭形变化，从图中 可以看出梭形泄漏信号的最大值点出现在298s处附近；

⑵对磁力计采集到的磁信号进行分滤波、降噪处理，得到磁信号幅值与时 间关系图，截取200s到370s之间的磁信号得到图7，从图中可以看出，在该段 信号中出现多个尖峰磁异常信号，这些磁异常信号分别对应200s之后球形检测 器经过的焊缝，从0时刻开始数，出现在298s附近的泄漏声信号位于第26个 与第27个磁异常信号之间，即泄漏点位于管道起始点之后第26和第27个焊缝 之间的管道上,T₂₆为279s，T₂₇为315s；

⑶由管道的施工资料算得第26个焊缝到管道起始处的距离为493.2m，且第 26和27个焊缝之间的长度l₂₇=18.3m，l_27×(298-279)/(315-279)得到泄漏点到第26 个焊缝的距离为10.456m。那么该模拟泄漏点距离管道始点为503.656m，而实 际的1#阀井泄漏点距离管道始点为500m，相对误差为0.073%，在1%以内。该 方法大大提高了输油管道泄漏检测的灵敏度与定位精度。

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。