本發(fā)明涉及一種管道泄漏檢測(cè)定位裝置及檢測(cè)定位方法，尤其是使用單傳感器進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)和定位，屬于故障診斷與流動(dòng)安全保障技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

管道運(yùn)輸在全球的能源物資(包括原油、成品油、天然氣、油田伴生氣等)運(yùn)輸中占有重要的地位，成為鐵路、公路、水運(yùn)、航空運(yùn)輸之后的第五大運(yùn)輸業(yè)。然而自從管道運(yùn)輸在工業(yè)中應(yīng)用開(kāi)始，管道泄漏一直是管道運(yùn)輸中的一個(gè)難題。尤其隨著管道進(jìn)入老齡期，其損壞泄漏隱患倍增，如果能及時(shí)檢測(cè)出泄漏并對(duì)泄漏位置進(jìn)行定位，就能極大的減少泄漏造成的危害。

目前對(duì)管道檢測(cè)檢查的手段主要包括管內(nèi)檢測(cè)器、管道人工巡檢法、便攜式儀器儀表等，但由于這些方法或影響物料正常輸送，或投資費(fèi)用高，或?qū)崟r(shí)性差，或不能連續(xù)檢測(cè)，均不能很好的應(yīng)用于管道泄漏檢測(cè)中。而常規(guī)無(wú)損檢測(cè)(如超聲檢測(cè)、漏磁檢測(cè)等)技術(shù)雖較為成熟，但這些檢測(cè)技術(shù)存在很大的缺陷：檢測(cè)過(guò)程為逐點(diǎn)式掃描，被檢測(cè)時(shí)設(shè)備必須停產(chǎn)，檢測(cè)效率低，很難有效的運(yùn)用于工業(yè)管道。聲發(fā)射(Acoustic Emission簡(jiǎn)稱AE)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)被檢件的接近要求不高，同時(shí)不需要設(shè)備停產(chǎn)或縮短停產(chǎn)時(shí)間，并可以對(duì)在役管道的長(zhǎng)距離、大范圍檢測(cè)。因此，管道聲發(fā)射泄漏檢測(cè)及定位技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究管道聲發(fā)射泄漏定位大多數(shù)基于兩個(gè)及兩個(gè)以上傳感器。其中梁偉利用兩個(gè)傳感器對(duì)管道氣體泄漏進(jìn)行定位；高華利用兩個(gè)傳感器對(duì)城市地下燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏進(jìn)行檢測(cè)；美國(guó)Didem Ozevin利用兩個(gè)以上傳感器進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)。雖然多傳感器定位檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中，但已有的問(wèn)題是多個(gè)傳感器之間存在性能差異會(huì)降低定位精度，并且多傳感器提高了經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)增加了工程操作的難度。

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于聲發(fā)射的管道泄漏檢測(cè)裝置及單傳感器定位方法。該方法考慮了管道在不停止運(yùn)行情況下管道所處的檢測(cè)狀態(tài)，基于聲發(fā)射技術(shù)，設(shè)計(jì)提出合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，用于東營(yíng)市孤島油田的充氣管道并進(jìn)行了在線實(shí)地檢測(cè)。對(duì)單傳感器采集到的泄漏聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析與處理，計(jì)算得出的定位結(jié)果與實(shí)際管道泄漏源位置對(duì)照，計(jì)算得到的泄漏點(diǎn)位置正好是非常接近管道上實(shí)際的泄漏源位置。

本發(fā)明利用單傳感器定位技術(shù)對(duì)管道作了很好的探索和嘗試，得到了較好的定位結(jié)果。既克服了多傳感器間性能差異導(dǎo)致的定位精度下降和多個(gè)傳感器定位檢測(cè)成本高的缺點(diǎn)，又較早捕捉到了管道小泄漏隱患，為今后實(shí)際工程應(yīng)用提供了較為成功的范例。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服多傳感器間性能差異導(dǎo)致的定位精度下降和多個(gè)傳感器定位檢測(cè)成本高的缺點(diǎn)，提供了一種基于聲發(fā)射的管道泄漏檢測(cè)裝置及單傳感器定位方法。本發(fā)明基于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，借助高靈敏壓電陶瓷傳感器實(shí)現(xiàn)微小泄漏信號(hào)的采集，利用模態(tài)聲發(fā)射理論及經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，以下簡(jiǎn)稱EMD)方法提取出泄漏信號(hào)的兩種模態(tài)導(dǎo)波，結(jié)合Gabor小波對(duì)聲發(fā)射泄漏信號(hào)進(jìn)行分析與處理，求出兩種模態(tài)導(dǎo)波從泄漏源傳播到單傳感器的時(shí)間差，達(dá)到有效發(fā)現(xiàn)管道泄漏點(diǎn)并準(zhǔn)確定位的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

基于聲發(fā)射檢測(cè)的單傳感器定位檢測(cè)裝置，包括：壓電陶瓷傳感器，前置放大器，濾波器，主放大器，A/D轉(zhuǎn)換器和主機(jī)；所述壓電陶瓷傳感器與前置放大器連接；所述壓電陶瓷傳感器通過(guò)耦合劑與試件連接；所述試件為設(shè)有缺陷的充氣管段；所述壓電陶瓷傳感器的信號(hào)線通過(guò)連接接口與前置放大器連接；所述前置放大器與濾波器連接；所述前置放大器的信號(hào)線通過(guò)接口與濾波器連接；所述濾波器與主放大器連接；所述主放大器與A/D轉(zhuǎn)換器連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器與主機(jī)連接。

所述壓電陶瓷傳感器設(shè)有連接接口、壓電元件、耐磨護(hù)板、保護(hù)殼。所述連接接口通過(guò)信號(hào)線將壓電陶瓷傳感器與前置放大器連接，所述壓電元件通過(guò)信號(hào)線與連接接口連接，所述耐磨護(hù)板安裝在壓電陶瓷傳感器的底端，所述耐磨護(hù)板上端面與壓電元件底端接觸，所述耐磨護(hù)板的下端面與保護(hù)殼連接，所述保護(hù)殼底端通過(guò)耦合劑與試件表面接觸。

一種利用上述系統(tǒng)對(duì)管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位的方法，包括以下步驟：

(1)基于試驗(yàn)管道管徑、壁厚、材料密度、彈性模量和泊松比系數(shù)等參數(shù)，結(jié)合模態(tài)聲發(fā)射理論，求出管道中各模態(tài)導(dǎo)波的速度頻散曲線，從而確定不同頻率范圍內(nèi)各模態(tài)導(dǎo)波速度值；

(2)在保持管道不停止運(yùn)行，即被測(cè)管道兩端不關(guān)閉，不停止輸氣狀態(tài)下，分別改變管內(nèi)流體壓力、流量等相關(guān)輸入?yún)?shù)，重復(fù)采集信號(hào)數(shù)據(jù)和圖像，選擇最佳的門檻值等參數(shù)；確定檢測(cè)靈敏度，合理布置傳感器位置；

(3)利用EMD方法對(duì)傳感器采集到的聲發(fā)射泄漏信號(hào)進(jìn)行頻率特征提取，求出聲發(fā)射泄漏信號(hào)頻率分布范圍，結(jié)合步驟(1)中速度頻散曲線，可以確定出泄漏信號(hào)中包含的模態(tài)導(dǎo)波以及其傳播速度；

(4)利用Gabor小波信號(hào)處理方法求出確定的各模態(tài)導(dǎo)波從泄漏源傳播到傳感器的時(shí)間差，結(jié)合公式(1)：

$D=\frac{C_1\·C_2}{C_1-C_2}\·\mathrm{\Δ}t---\left(1\right)$

其中C₁、C₂代表泄漏信號(hào)中的模態(tài)導(dǎo)波，Δt代表各模態(tài)導(dǎo)波從泄漏源傳播到傳感器的時(shí)間差；將求出的C₁、C₂和Δt代入此公式，即可求出泄漏源與傳感器的距離D。

附圖說(shuō)明

圖1是基于聲發(fā)射檢測(cè)的管道泄漏源定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是壓電陶瓷傳感器示意圖；

圖3是群速度頻散曲線示意圖；

圖4是前6個(gè)IMFs的幅值頻率示意圖；

圖5是聲發(fā)射泄漏信號(hào)時(shí)間-頻率-幅值三維示意圖；

上圖中：1-泄漏源，2-氣體，3-壓電陶瓷傳感器，4-前置放大器，5-濾波器，6-主放大器，7-A/D轉(zhuǎn)換器，8-主機(jī)，9-連接接口，10-壓電元件，11-耐磨護(hù)板，12-保護(hù)殼，13-L(0,1)群速度曲線，14-F(1,1)群速度曲線，15-L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波峰值，16-F(1,1)模態(tài)導(dǎo)波峰值。

具體實(shí)施方式

檢測(cè)系統(tǒng)各元器件名稱如圖1所示：1-泄漏源，2-氣體，3-壓電陶瓷傳感器，4-前置放大器，5-濾波器，6-主放大器，7-A/D轉(zhuǎn)換器，8-主機(jī)。所述泄漏源(1)位于管段某位置；所述氣體(2)為管段中的介質(zhì)；所述氣體(2)經(jīng)過(guò)泄漏源(1)時(shí)迅速釋放出能量產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)；所述壓電陶瓷傳感器(3)通過(guò)耦合劑與管段連接；所述壓電陶瓷傳感器(3)采集泄漏聲發(fā)射信號(hào)；所述壓電陶瓷傳感器(3)與前置放大器(4)連接；所述壓電陶瓷傳感器(3)將聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)然后通過(guò)信號(hào)線輸送給前置放大器(4)；所述前置放大器(4)與濾波器(5)連接；所述前置放大器(4)將電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)然后輸送給濾波器(5)；所述濾波器(5)與主放大器(6)連接；所述濾波器(5)濾掉聲發(fā)射信號(hào)中的噪聲信號(hào)；所述主放大器(6)與A/D轉(zhuǎn)換器(7)連接；所述主放大器(6)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大；所述A/D轉(zhuǎn)換器(7)與主機(jī)(8)連接；

如圖2所示，所述壓電陶瓷傳感器(3)設(shè)有連接接口(9)、壓電元件(10)、耐磨護(hù)板(11)、保護(hù)殼(12)。所述連接接口(9)通過(guò)信號(hào)線將壓電陶瓷傳感器(3)與前置放大器(4)連接，所述壓電元件(10)通過(guò)信號(hào)線與連接接口(9)連接，所述耐磨護(hù)板(11)安裝在壓電陶瓷傳感器(3)的底端，所述耐磨護(hù)板(11)上端面與壓電元件(10)底端接觸，所述耐磨護(hù)板(11)的下端面與保護(hù)殼(12)連接，所述保護(hù)殼(12)底端通過(guò)耦合劑與管段表面接觸。

一種利用上述系統(tǒng)對(duì)充氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位的方法，包括以下步驟：

(1)基于試驗(yàn)管道管徑、壁厚、材料密度、彈性模量和泊松比系數(shù)等參數(shù)，結(jié)合模態(tài)聲發(fā)射理論，求出管道中各模態(tài)導(dǎo)波的速度頻散曲線，從而確定不同頻率范圍內(nèi)各模態(tài)導(dǎo)波速度值。

(2)在保持充氣管道不停止運(yùn)行，即被測(cè)管道兩端不關(guān)閉，不停止輸氣狀態(tài)下，分別改變管內(nèi)流體壓力、流量等相關(guān)輸入?yún)?shù)，重復(fù)采集信號(hào)數(shù)據(jù)和圖像，選擇最佳的門檻值等參數(shù)。確定檢測(cè)靈敏度，合理布置傳感器位置。

(5)利用EMD方法對(duì)傳感器采集到的聲發(fā)射泄漏信號(hào)進(jìn)行頻率特征提取，求出聲發(fā)射泄漏信號(hào)頻率分布范圍，結(jié)合步驟(1)中速度頻散曲線，可以確定出泄漏信號(hào)中包含的模態(tài)導(dǎo)波以及其傳播速度。

(6)利用Gabor小波信號(hào)處理方法求出確定的各模態(tài)導(dǎo)波從泄漏源傳播到傳感器的時(shí)間差，結(jié)合公式(2)：

$D=\frac{C_1\·C_2}{C_1-C_2}\·\mathrm{\Δ}t---\left(2\right)$

其中C₁、C₂代表泄漏信號(hào)中的模態(tài)導(dǎo)波，Δt代表各模態(tài)導(dǎo)波從泄漏源傳播到傳感器的時(shí)間差。將求出的C₁、C₂和Δt代入此公式，即可求出泄漏源與傳感器的距離D。將計(jì)算得出的泄漏源位置于實(shí)際泄漏源位置進(jìn)行對(duì)比，確定該方法的可行性。

實(shí)例

管段位于東營(yíng)市孤島油田灘海邊，管長(zhǎng)約為60m，管徑為89mm，壁厚為6.45mm，材料密度為7850㎏/m³，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。基于此管段已知的管徑、壁厚、材料密度、彈性模量和泊松比系數(shù)等參數(shù)，結(jié)合模態(tài)聲發(fā)射理論，利用MATLAB編程求出管道中各模態(tài)導(dǎo)波的速度頻散曲線。如圖3所示為群速度頻散曲線。

管道內(nèi)氣體壓力為2MPa，泄漏孔徑為4mm。傳感器與泄漏源的實(shí)際距離如表1所示。

表1管段傳感器與泄漏源位置

以第一組數(shù)據(jù)即傳感器與泄漏源距離為1.5m為例進(jìn)行EMD頻率特征提取，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后得出的11個(gè)本證模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Functions，以下簡(jiǎn)稱IMF)。為得出聲發(fā)射泄漏信號(hào)的頻率分布范圍，提取包含泄漏信息最多的前6個(gè)IMFs，利用希爾伯特譜運(yùn)算對(duì)這6個(gè)IMFs進(jìn)行頻譜分析，從而得到頻率幅值圖，如圖4所示。通過(guò)觀察求出聲發(fā)射泄漏信號(hào)的頻率主要分布范圍為0-200KHz。結(jié)合圖3所示的群速度頻散曲線，分布在0-200KHz間的模態(tài)導(dǎo)波主要有L(0,1)和F(1,1)。

為了確定這兩種模態(tài)導(dǎo)波的速度以及從泄漏源到達(dá)傳感器的時(shí)間差，利用Gabor小波對(duì)聲發(fā)射泄漏信號(hào)進(jìn)行求解。如圖5所示，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表頻率，垂直坐標(biāo)幅值。已知每一個(gè)峰值代表模態(tài)導(dǎo)波到達(dá)傳感器的時(shí)間，因此求出頻率在0-200KHz之間主要存在峰值15和峰值16。觀察峰值15和峰值16所對(duì)應(yīng)的頻率和時(shí)間，得出L(0,1)和F(1,1)的抵達(dá)時(shí)間分別為78μs和248.67μs。且其對(duì)應(yīng)的頻率分別為100KHz和150KHz，結(jié)合圖3所示的群速度頻散曲線，求出L(0,1)和F(1,1)對(duì)應(yīng)的速度分別為5.35和3.20m/ms。將上述兩種模態(tài)導(dǎo)波的抵達(dá)時(shí)間和速度代入公式(2)求出泄漏源的位置。

重復(fù)上述操作，最終求出10組測(cè)試數(shù)據(jù)的傳感器位置如表2所示。

表2實(shí)際泄漏源位置與計(jì)算求出泄漏源對(duì)比

以上定位結(jié)果給出了泄漏源的實(shí)際位置與測(cè)量位置，數(shù)據(jù)表明泄漏源的測(cè)量位置確實(shí)接近實(shí)際位置，證明了單傳感器定位的可行性。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：基于單傳感器定位方法，克服了多傳感器間性能差異導(dǎo)致的定位精度下降和多個(gè)傳感器定位檢測(cè)成本高的缺點(diǎn)；結(jié)合模態(tài)聲發(fā)射理論，求出速度頻散曲線即管道中各模態(tài)導(dǎo)波在不同頻率下的速度值，克服了多傳感器定位方法中利用斷鉛信號(hào)求速度而導(dǎo)致的偏差；采用EMD信號(hào)處理方法提取聲發(fā)射泄漏信號(hào)的頻率分布范圍，避免了小波變換中小波基難以選擇的弊端；最終利用Gabor小波求解管道中模態(tài)導(dǎo)波的抵達(dá)時(shí)間，結(jié)合速度頻散曲線，即可對(duì)泄漏源進(jìn)行定位。本定位方法能實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜工況下長(zhǎng)距離輸送管道泄漏的精確定位，能較早捕捉到管道的小泄漏隱患，為事故的預(yù)防和管道的維修提供很大的幫助。