一种基于声发射的管道泄漏检测装置及单传感器定位方法与流程

本发明涉及一种管道泄漏检测定位装置及检测定位方法，尤其是使用单传感器进行管道泄漏检测和定位，属于故障诊断与流动安全保障技术领域。

背景技术：

管道运输在全球的能源物资(包括原油、成品油、天然气、油田伴生气等)运输中占有重要的地位，成为铁路、公路、水运、航空运输之后的第五大运输业。然而自从管道运输在工业中应用开始，管道泄漏一直是管道运输中的一个难题。尤其随着管道进入老龄期，其损坏泄漏隐患倍增，如果能及时检测出泄漏并对泄漏位置进行定位，就能极大的减少泄漏造成的危害。

目前对管道检测检查的手段主要包括管内检测器、管道人工巡检法、便携式仪器仪表等，但由于这些方法或影响物料正常输送，或投资费用高，或实时性差，或不能连续检测，均不能很好的应用于管道泄漏检测中。而常规无损检测(如超声检测、漏磁检测等)技术虽较为成熟，但这些检测技术存在很大的缺陷：检测过程为逐点式扫描，被检测时设备必须停产，检测效率低，很难有效的运用于工业管道。声发射(Acoustic Emission简称AE)技术是一种动态无损检测方法，对被检件的接近要求不高，同时不需要设备停产或缩短停产时间，并可以对在役管道的长距离、大范围检测。因此，管道声发射泄漏检测及定位技术成为国内外无损检测领域的一个热点。

目前国内外学者研究管道声发射泄漏定位大多数基于两个及两个以上传感器。其中梁伟利用两个传感器对管道气体泄漏进行定位；高华利用两个传感器对城市地下燃气管网泄漏进行检测；美国Didem Ozevin利用两个以上传感器进行管道泄漏检测。虽然多传感器定位检测技术已经广泛应用于工程实际中，但已有的问题是多个传感器之间存在性能差异会降低定位精度，并且多传感器提高了经济成本，同时增加了工程操作的难度。

为克服现有技术的不足，提出一种基于声发射的管道泄漏检测装置及单传感器定位方法。该方法考虑了管道在不停止运行情况下管道所处的检测状态，基于声发射技术，设计提出合理的实验设计方案，用于东营市孤岛油田的充气管道并进行了在线实地检测。对单传感器采集到的泄漏声发射信号进行分析与处理，计算得出的定位结果与实际管道泄漏源位置对照，计算得到的泄漏点位置正好是非常接近管道上实际的泄漏源位置。

本发明利用单传感器定位技术对管道作了很好的探索和尝试，得到了较好的定位结果。既克服了多传感器间性能差异导致的定位精度下降和多个传感器定位检测成本高的缺点，又较早捕捉到了管道小泄漏隐患，为今后实际工程应用提供了较为成功的范例。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服多传感器间性能差异导致的定位精度下降和多个传感器定位检测成本高的缺点，提供了一种基于声发射的管道泄漏检测装置及单传感器定位方法。本发明基于声发射检测技术，借助高灵敏压电陶瓷传感器实现微小泄漏信号的采集，利用模态声发射理论及经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，以下简称EMD)方法提取出泄漏信号的两种模态导波，结合Gabor小波对声发射泄漏信号进行分析与处理，求出两种模态导波从泄漏源传播到单传感器的时间差，达到有效发现管道泄漏点并准确定位的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于声发射检测的单传感器定位检测装置，包括：压电陶瓷传感器，前置放大器，滤波器，主放大器，A/D转换器和主机；所述压电陶瓷传感器与前置放大器连接；所述压电陶瓷传感器通过耦合剂与试件连接；所述试件为设有缺陷的充气管段；所述压电陶瓷传感器的信号线通过连接接口与前置放大器连接；所述前置放大器与滤波器连接；所述前置放大器的信号线通过接口与滤波器连接；所述滤波器与主放大器连接；所述主放大器与A/D转换器连接；所述A/D转换器与主机连接。

所述压电陶瓷传感器设有连接接口、压电元件、耐磨护板、保护壳。所述连接接口通过信号线将压电陶瓷传感器与前置放大器连接，所述压电元件通过信号线与连接接口连接，所述耐磨护板安装在压电陶瓷传感器的底端，所述耐磨护板上端面与压电元件底端接触，所述耐磨护板的下端面与保护壳连接，所述保护壳底端通过耦合剂与试件表面接触。

一种利用上述系统对管道进行泄漏检测和定位的方法，包括以下步骤：

(1)基于试验管道管径、壁厚、材料密度、弹性模量和泊松比系数等参数，结合模态声发射理论，求出管道中各模态导波的速度频散曲线，从而确定不同频率范围内各模态导波速度值；

(2)在保持管道不停止运行，即被测管道两端不关闭，不停止输气状态下，分别改变管内流体压力、流量等相关输入参数，重复采集信号数据和图像，选择最佳的门槛值等参数；确定检测灵敏度，合理布置传感器位置；

(3)利用EMD方法对传感器采集到的声发射泄漏信号进行频率特征提取，求出声发射泄漏信号频率分布范围，结合步骤(1)中速度频散曲线，可以确定出泄漏信号中包含的模态导波以及其传播速度；

(4)利用Gabor小波信号处理方法求出确定的各模态导波从泄漏源传播到传感器的时间差，结合公式(1)：

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

其中C₁、C₂代表泄漏信号中的模态导波，Δt代表各模态导波从泄漏源传播到传感器的时间差；将求出的C₁、C₂和Δt代入此公式，即可求出泄漏源与传感器的距离D。

附图说明

图1是基于声发射检测的管道泄漏源定位装置结构示意图；

图2是压电陶瓷传感器示意图；

图3是群速度频散曲线示意图；

图4是前6个IMFs的幅值频率示意图；

图5是声发射泄漏信号时间-频率-幅值三维示意图；

上图中：1-泄漏源，2-气体，3-压电陶瓷传感器，4-前置放大器，5-滤波器，6-主放大器，7-A/D转换器，8-主机，9-连接接口，10-压电元件，11-耐磨护板，12-保护壳，13-L(0,1)群速度曲线，14-F(1,1)群速度曲线，15-L(0,1)模态导波峰值，16-F(1,1)模态导波峰值。

具体实施方式

检测系统各元器件名称如图1所示：1-泄漏源，2-气体，3-压电陶瓷传感器，4-前置放大器，5-滤波器，6-主放大器，7-A/D转换器，8-主机。所述泄漏源(1)位于管段某位置；所述气体(2)为管段中的介质；所述气体(2)经过泄漏源(1)时迅速释放出能量产生声发射信号；所述压电陶瓷传感器(3)通过耦合剂与管段连接；所述压电陶瓷传感器(3)采集泄漏声发射信号；所述压电陶瓷传感器(3)与前置放大器(4)连接；所述压电陶瓷传感器(3)将声发射信号转换为电流信号然后通过信号线输送给前置放大器(4)；所述前置放大器(4)与滤波器(5)连接；所述前置放大器(4)将电流信号放大并转换成电压信号然后输送给滤波器(5)；所述滤波器(5)与主放大器(6)连接；所述滤波器(5)滤掉声发射信号中的噪声信号；所述主放大器(6)与A/D转换器(7)连接；所述主放大器(6)对声发射信号进行放大；所述A/D转换器(7)与主机(8)连接；

如图2所示，所述压电陶瓷传感器(3)设有连接接口(9)、压电元件(10)、耐磨护板(11)、保护壳(12)。所述连接接口(9)通过信号线将压电陶瓷传感器(3)与前置放大器(4)连接，所述压电元件(10)通过信号线与连接接口(9)连接，所述耐磨护板(11)安装在压电陶瓷传感器(3)的底端，所述耐磨护板(11)上端面与压电元件(10)底端接触，所述耐磨护板(11)的下端面与保护壳(12)连接，所述保护壳(12)底端通过耦合剂与管段表面接触。

一种利用上述系统对充气管道进行泄漏检测和定位的方法，包括以下步骤：

(1)基于试验管道管径、壁厚、材料密度、弹性模量和泊松比系数等参数，结合模态声发射理论，求出管道中各模态导波的速度频散曲线，从而确定不同频率范围内各模态导波速度值。

(2)在保持充气管道不停止运行，即被测管道两端不关闭，不停止输气状态下，分别改变管内流体压力、流量等相关输入参数，重复采集信号数据和图像，选择最佳的门槛值等参数。确定检测灵敏度，合理布置传感器位置。

(5)利用EMD方法对传感器采集到的声发射泄漏信号进行频率特征提取，求出声发射泄漏信号频率分布范围，结合步骤(1)中速度频散曲线，可以确定出泄漏信号中包含的模态导波以及其传播速度。

(6)利用Gabor小波信号处理方法求出确定的各模态导波从泄漏源传播到传感器的时间差，结合公式(2)：

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

其中C₁、C₂代表泄漏信号中的模态导波，Δt代表各模态导波从泄漏源传播到传感器的时间差。将求出的C₁、C₂和Δt代入此公式，即可求出泄漏源与传感器的距离D。将计算得出的泄漏源位置于实际泄漏源位置进行对比，确定该方法的可行性。

实例

管段位于东营市孤岛油田滩海边，管长约为60m，管径为89mm，壁厚为6.45mm，材料密度为7850㎏/m³，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。基于此管段已知的管径、壁厚、材料密度、弹性模量和泊松比系数等参数，结合模态声发射理论，利用MATLAB编程求出管道中各模态导波的速度频散曲线。如图3所示为群速度频散曲线。

管道内气体压力为2MPa，泄漏孔径为4mm。传感器与泄漏源的实际距离如表1所示。

表1管段传感器与泄漏源位置

以第一组数据即传感器与泄漏源距离为1.5m为例进行EMD频率特征提取，经验模态分解后得出的11个本证模态函数(Intrinsic Mode Functions，以下简称IMF)。为得出声发射泄漏信号的频率分布范围，提取包含泄漏信息最多的前6个IMFs，利用希尔伯特谱运算对这6个IMFs进行频谱分析，从而得到频率幅值图，如图4所示。通过观察求出声发射泄漏信号的频率主要分布范围为0-200KHz。结合图3所示的群速度频散曲线，分布在0-200KHz间的模态导波主要有L(0,1)和F(1,1)。

为了确定这两种模态导波的速度以及从泄漏源到达传感器的时间差，利用Gabor小波对声发射泄漏信号进行求解。如图5所示，横坐标代表时间，纵坐标代表频率，垂直坐标幅值。已知每一个峰值代表模态导波到达传感器的时间，因此求出频率在0-200KHz之间主要存在峰值15和峰值16。观察峰值15和峰值16所对应的频率和时间，得出L(0,1)和F(1,1)的抵达时间分别为78μs和248.67μs。且其对应的频率分别为100KHz和150KHz，结合图3所示的群速度频散曲线，求出L(0,1)和F(1,1)对应的速度分别为5.35和3.20m/ms。将上述两种模态导波的抵达时间和速度代入公式(2)求出泄漏源的位置。

重复上述操作，最终求出10组测试数据的传感器位置如表2所示。

表2实际泄漏源位置与计算求出泄漏源对比

以上定位结果给出了泄漏源的实际位置与测量位置，数据表明泄漏源的测量位置确实接近实际位置，证明了单传感器定位的可行性。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：基于单传感器定位方法，克服了多传感器间性能差异导致的定位精度下降和多个传感器定位检测成本高的缺点；结合模态声发射理论，求出速度频散曲线即管道中各模态导波在不同频率下的速度值，克服了多传感器定位方法中利用断铅信号求速度而导致的偏差；采用EMD信号处理方法提取声发射泄漏信号的频率分布范围，避免了小波变换中小波基难以选择的弊端；最终利用Gabor小波求解管道中模态导波的抵达时间，结合速度频散曲线，即可对泄漏源进行定位。本定位方法能实现在复杂工况下长距离输送管道泄漏的精确定位，能较早捕捉到管道的小泄漏隐患，为事故的预防和管道的维修提供很大的帮助。