专利名称：管道振动监测系统及方法
技术领域：
本发明属于长距离管线振动波测量与监控领域，具体涉及一种管道振动 监测系统及方法。
背景技术：
在气体及液体运输方法中，气液管道输送比传统的公路铁路运输效率更 高，也降低了长期运输的成本。但随之而来的管道保障和管道安全成为管道 运输中需要关注的重点。首先是因管道泄漏而造成输送物的损耗及严重的环 境污染，其次是打孔偷盗现象严重，特别是对于输油管道，各管道储运公司 都投入大量的人力物力进行输油管道的安全巡逻保障工作，但收效甚微。要 保证管道输送的安全和环保，加强管线技术监测和防范是必须的技防手段。 目前采用比较多的、相对成熟的是负压波测漏法，通过测漏同时对偷盗打孔 进行监控。除了这种使用最为普遍的负压波测漏法，其它检测方法还包括管 线附近地面震动检测法和沿线敷设光纤的信号扰动测量法等等。 其中，负压波测漏法的主要泄漏检测原理如下所述
在泄漏发生时，泄漏处立即产生因流体物质损失而引起的局部液体密度 减小，从而出现瞬时压力降低与速度差。这个瞬时的压力下降，作用在流体 介质上，就作为减压波源，通过管线和流体介质向泄漏点的上下游以声速传 播。当以泄漏前的压力作为参考标准时，泄漏时产生的减压波就称为负压波，
其传播的速度在不同规格管线中并不相同，在原油管中约为1200m/s。设置 在泄漏点两端或泵站两端的传感器拾取压力波信号，根据两端拾取压力波的 梯度特征和压力变化率的时间差，利用信号相关处理方法就可以确定泄漏程 度和泄漏位置。负压波法是目前国际上应用较多的管线泄漏检测和对漏点进 行定位的方法。
具体地，在管线两端分别安装高灵敏度的压力传感器，通过计算机数据 采集系统采集两端的压力，并进行数据处理与分析，如压力波形的时间对齐，干扰噪声的排除，泄漏点的判断等。当两个压力点间的某一处发生泄漏时， 必然会引起两端压力的降低，降幅与泄漏量相关，泄漏量越大，压力降越大。 但是，由于下列一些不可避免的环境因素的存在，会影响负压波法测量 的准确性
(1) 噪声干扰
由于管道压力不可能是一个恒定值，不可避免的会产生工业现场的电磁 干扰、输油泵的振动等，采集到的压力波信号序列附加了大量噪声，如何从 噪声当中准确地提取出信号的特征点是定位的关键。
(2) 受压力低影响
因为我国目前很多原油管道都不是密闭输送的，收油端直接接入大罐， 本身管道压力就很低，再加之大直径管以及大罐的滤波作用，压力的变化可 能会淹没在一片噪声之中。故存在压力灵敏度低的缺点，尤其是当泄露时间 短，泄漏量少时，压力采集极其不敏感。
(3) 温度变化影响
目前原油输送采用加温输送，两输送站间的温度差可达十几度，甚至是 二十几度，其对于负压力波的传输速度会产生一定的影响。
(4) 输送物密度影响 输送物不同的密度也会对压力计算和判断产生影响。
发明内容
本发明提供的一种管道振动监测系统及方法，其针对管线被敲击、钻孔、 大量泄漏等情况，对管线噪声的振动波谱进行监测，从而确定管线事故，发 出警报。有效地克服了现有技术中存在的技术缺陷，大大降低了环境因素对 监测的干扰。由于输送管道多是钢管连接而成，线路之间分布有一些加热、 压泵站或储运罐。在运行过程中，会有各种频率、幅度的振动噪声在管线上
传播，钢管中声频振动传播的速度达到5km/s。而对于确定的工况，这些噪 声就形成了特定的"背景波谱"。如果沿管道分布多个监测点，则可测到强度 不同的"背景波谱"。如果管线上发生敲击、钻孔、大量泄漏事件时，就会产 生具有不同于"背景波谱"的波谱的噪声。测得这些噪声就可以判断出正在 发生的时间并确定其位置。为了达到上述目的，本发明提供了一种管道振动监测系统，其包括多个 安装于管道各监控点上的管道振动监测装置以及连接上述每个管道振动监测 装置的中心控制装置，其特征在于，所述的管道振动监测装置包括顺序连 接的探测装置、转换装置、连接装置、采集装置和分析处理装置；其中，所 述的探测装置设置于管道的管壁上，所述的分析处理装置连接所述的中心控 制装置。
所述的探测装置为探测头，用于探测管道的振动波。
所述的转换装置为振动薄膜，用于将探测装置测得的振动波转换成音频。 所述的连接装置为悬臂，用于传递音频。
所述的采集装置包括拾音器，其一端连接于连接装置另一端连接分析 处理装置，用以拾取音频信号；调节器，其设置于拾音器与连接装置的连接 处，用以调节音频的放大倍率；吸音材料，填充于拾音器连接分析处理装置 的一端的外部，用以隔绝环境声音的影响。
所述的拾音器与连接装置间采用非金属软管软连接，以减少连接装置径 向机械振动对拾音器的影响。
本发明还提供了一种管道振动监测方法，其特征在于，包含以下步骤-
步骤l、建立背景频谱；
步骤2、信号采集及预处理；
步骤3、判定事故性质；
步骤4、确定事故点；
步骤5、报警并告知事故点的位置。
所述的步骤l包含以下步骤
步骤1.1、探测装置1探测管道上各个探测点在各种工况或正常的气象状 态下的振动波，工况包括启动、正常运行、停机、以及电动工具打孔、切割 或突然泄漏等，气象应该包括雨天等；
步骤1.2、转换装置2将探测到的各个振动波转换为音频信号；
歩骤1.3、分析处理装置4将音频信号转换成频谱，形成不同工况及气候
条件下的背景频谱；
步骤1.4、将背景频谱的频率划分为N个谱带区段，N=2n， n为自然数； 步骤1.5、将背景频谱的振动幅值或功率值按照时间间隔划分为M个时间区段，计算每个区段的振幅平均值或功率值，每个平均值作为一个能级，
则共有M个能级。
所述的步骤2包含以下步骤
步骤2.K中心控制装置向管道振动监测装置发出指令，确定即时工况; 步骤2.2、探测装置探测管道上各个探测点的振动波； 步骤2.3、转换装置将各个振动波转换为音频信号； 步骤2.4、分析处理装置将各音频信号转换成频谱。 所述的步骤3包含以下步骤
步骤3.1、划分测量频谱的谱带区段N (N=2n， n为自然数)，为快速锁 定事故区段，N值将不被定义成固定值；
步骤3.2、取r^1，将有效频率区域一分为二，分成左区段和右区段，算 出左区段、右区段的平均幅值(或平均功率值)R及Fr;
步骤3.3、分别将&及Fr与左右区段对应的背景频谱的幅度或功率平均
值比较，若有超过2个或以上能级的(比如以右区段为例)，就再次在该
区段内进行采样比较；
步骤3.4、在P次采样中，判断是否有2P/3个结果是超差，若是，则事 故发生的可能性评价就是"大"，确认有事故发生。
所述的步骤4包含以下步骤
步骤4.K当判断有事故发生后，分析处理装置4在该事故区段上继续划 分测量频谱的谱带区段N (N=2n， n=2， 3， 4， 5......)，将测量频谱的幅度
或功率平均值与背景频谱的幅度或功率平均值进行比较，找出幅度或功率变 化大的区域，依次类推，直到锁定一个与事故谱相近的"事故"；
歩骤4.2、根据数个探测点频谱比较后数值的大小，确定事故点离数个探 测点的距离，从而确定事故点的位置。
本发明的优点在于其通过采集管道噪声来检测管道状态，该方法不具 有负压波检测方法易受压力低、温度变化和输送物密度影响的缺点；而对于 噪声影响，本发明仅对于与发生事件强度相当、频率相近的噪声敏感，而其 它频率的噪声不会对其产生较大影响。
图1是本发明中所提供的管道振动监测系统的示意图； 图2是本发明中管道振动监测装置的结构示意图； 图3是本发明中采集装置的结构示意图； 图4是一个振动频谱图的例子。
具体实施例方式
以下根据图1 图4具体说明本发明的较佳实施方式
如图1所示，本发明提供了一种管道振动监测系统，其包括安装在管道 的各个监控点上的管道振动监测装置和连接每个管道振动监测装置的中心控 制装置。
其中，管道振动监测装置的结构如图2所示，其包括探测装置l、转换
装置2、连接装置3、采集装置4和分析处理装置5。
探测装置l为一探测头，其设置于管道9的管壁上，用于探测管道的振 动波。
转换装置2为一振动薄膜，其连接于探测装置1的探测头和连接装置3 之间，利用听诊器原理，将探测头测得的振动波转换成音频。
连接装置3为一悬臂，其一端连接转换装置2的振动薄膜，另一端连接 采集装置4，用以在两者之间传递音频。
采集装置4的结构如图3所示，其包括一拾音器41，其一端连接于连接 装置3的悬臂，另一端连接分析处理装置5。拾音器41用以拾取音频信号。 采集装置4还包括设置于拾音器41与悬臂连接处的一调节器42，用以调节 音频的放大倍率，适用不同工况下的音频信号拾取需要。拾音器41与悬臂采 用间的连接采用非金属软管软连接，以减少悬臂径向机械振动对拾音器41 的影响。拾音器41的另一端连接分析处理装置5，并在该端外部填充吸音材 料43以隔绝环境声音的影响。
分析处理装置5连接于采集装置4，用以将所获得的音频信号转换成频 谱，并与预设的同一工况下的背景频谱相比较，根据两者的区别，确定该频 谱是否属于正常情况。分析处理装置5与中心控制装置实现信号连接，用以 实现与中心控制装置之间的数据交换，从而可以由中心控制装置设定不同工 况的预设值及向中心控制装置发出警报。中心控制装置与管道振动监测装置中的分析处理装置信号连接，用以控 制管道振动检测装置及进行数据处理或接收由管道振动监测装置发出的警 报。
由于管道泄漏所造成的扰动是低频率的，电动工具、手动工具使用的扰
动主频率一般也在2KHz以下，所以可以将管道振动波转换成声频处理，且 不需要使用昂贵的振动传感器。
本发明还提供了一种利用上述的管道振动监测系统进行管道振动监测的
方法，该方法具体包含以下步骤 步骤l、建立背景频谱；
步骤1.1、探测装置1探测管道上各个探测点在各种工况或正常的气象状 态下的振动波，工况包括启动、正常运行、停机、以及电动工具打孔、切割
或突然泄漏等，气象应该包括雨天等；
步骤1.2、转换装置2将探测到的各个振动波转换为音频信号；
步骤1.3、分析处理装置4将音频信号转换成频谱，形成不同工况及气候
条件下的背景频谱；
步骤1.4、将背景频谱的频率划分为N个谱带区段，N=2n， n为自然数； 步骤1.5、将背景频谱的振动幅值或功率值按照时间间隔划分为M个时
间区段，计算每个区段的振幅平均值或功率值，每个平均值作为一个能级，
则共有M个能级；
步骤2、信号采集及预处理；
步骤2.1、中心控制装置向管道振动监测装置发出指令，确定即时工况; 步骤2.2、探测装置1探测管道上各个探测点的振动波； 歩骤2.3、转换装置2将各个振动波转换为音频信号； 步骤2.4、分析处理装置4将各音频信号转换成频谱；
步骤3、判定事故性质；
歩骤3.1、划分测量频谱的谱带区段N (N=2n， n为自然数)，为快速锁 定事故区段，N值将不被定义成固定值；步骤3.2、取n-l，将有效频率区域一分为二，分成左区段和右区段，算 出左区段、右区段的平均幅值(或平均功率值)F,及R;
步骤3.3、分别将R及Fr与左右区段对应的背景频谱的幅度或功率平均 值比较，若有超过2个或以上能级的(比如以右区段为例)，就是超差， 就再次在该区段内进行采样比较；
步骤3.4、在多次信号采集中，比如连续在一个区域里采样3次，判断 是否有2/3个结果是超差，若是，则事故发生的可能性评价就是"大"，确 认有事故发生。
步骤4、确定事故点；
步骤4.1、当判断有事故发生后，分析处理装置4在该事故区段上继续划 分测量频谱的谱带区段N (N=2n， n=2， 3， 4， 5......8)，将测量频谱的幅度
或功率平均值与背景频谱的幅度或功率平均值进行比较，找出幅度或功率变 化大的区域，依次类推，直到锁定一个与事故谱相近的"事故"；
通过计算可以看到，对应11=1， 2， 3， 4， 5......， N=2， 4， 8， 16， 32，......
也就是把有效区域划分成2;然后2的倍数4;然后4的倍数8;......。
一般来说，因为有效频率区域不是很大(集中于声频10—20000Hz)， n 的缺省最大值定在8，即N=256或每个频段约80Hz，但并不是每次必须计 算到11=8，找出确切故障后即可停止。
第一次N-2，就是把频段一分为二，找出幅度或功率变化大的区域，
第二次N^4，就是把确认频段再一分为二，再找出幅度或功率变化大的 区域，依次类推，直到锁定一个与事件谱相近的"事件"；
步骤4.2、根据数个探测点频谱比较后数值的大小，确定事故点离数个探 测点的距离，从而确定事故点的位置；
步骤5、报警；
分析处理装置4向中心控制装置发出报警信号，并告知事故点的位置。
图4是一个振动频谱图的例子，横坐标是频率，纵坐标是振幅。将纵坐 标按照一定间隔分成若干区段，计算每个区段的振幅平均值，这个平均振幅也被分成若干等分， 一个等分叫一个"能级"， 一般这个值在没有突发事故发 生时在小范围内变化。当有事故发生时，对应某频率区段的振幅平均值会发 生超常变化，反复几次结果相同就可以初步确定有事故发生。
本发明提供的管道振动监测系统及监测方法是通过采集管道上各监测点 的噪声，将其转换为音频并测得其波谱，将其与确定工况下测得的管道各监 测点的背景波谱向比较，分析出管道上的特定点是否属于事故状态，并可判 断出事故位置，随后发出警报。本发明所提供的系统和方法主要针对于管线 上发生敲击、钻孔或大量泄漏等事故。其可单独用于管道状态的检测，也可 结合负压波测量方法，与负压波测量装置联动，互为验证和补充，提高检测 的准确度。
本发明的优点在于其通过采集管道噪声来检测管道状态，该方法不具 有负压波检测方法易受压力低、温度变化和输送物密度影响的缺点；而对于 噪声影响，本发明仅对于与发生事件强度相当、频率相近的噪声敏感，而其 它频率的噪声不会对其产生较大影响，因为负压波检测方法需极力避免噪声 而本装置则是利用监测噪声变化来做出判断。
权利要求
1.一种管道振动监测系统，其包括多个安装于管道各监控点上的管道振动监测装置以及连接上述每个管道振动监测装置的中心控制装置，其特征在于，所述的管道振动监测装置包括顺序连接的探测装置(1)、转换装置(2)、连接装置(3)、采集装置(4)和分析处理装置(5)；其中，所述的探测装置(1)设置于管道(9)的管壁上，所述的分析处理装置(5)连接所述的中心控制装置。
2. 如权利要求1所述的管道振动监测系统，其特征在于-所述的探测装置(1)为探测头，用于探测管道(9)的振动波； 所述的转换装置(2)为振动薄膜，用于将探测装置(1)测得的振动 波转换成音频；所述的连接装置(3)为悬臂，用于传递音频。
3. 如权利要求1所述的管道振动监测系统，其特征在于:所述的采集装置(4)包括拾音器(41)，其一端连接于所述的连接装置(3)，另一端连接分析 处理装置(5)，用以拾取音频信号；调节器(42)，其设置于拾音器(41)与连接装置(3)的连接处，用以调节音频的放大倍率；吸音材料(43)，填充于所述的拾音器(41)连接分析处理装置(5) 的一端的外部，用以隔绝环境声音的影响。
4. 如权利要求3所述的管道振动监测系统，其特征在于所述的拾音器(41) 与连接装置(3)间采用非金属软管软连接，以减少连接装置(3)径向机 械振动对拾音器(41)的影响。
5. —种管道振动监测方法，其特征在于，包含以下步骤步骤l、建立背景频谱；步骤2、信号采集及预处理；步骤3、判定事故性质；步骤4、确定事故点；步骤5、报警并告知事故点的位置。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤1包含以下步骤步骤1.1、探测装置(1)探测管道上各个探测点在各种工况或正常的 气象状态下的振动波，工况包括启动、正常运行、停机、以及电动工具打 孑L、切割或突然泄漏等，气象应该包括雨天等；步骤1.2、转换装置(2)将探测到的各个振动波转换为音频信号；步骤1.3、分析处理装置(4)将音频信号转换成频谱，形成不同工况 及气候条件下的背景频谱；步骤1.4、将背景频谱的频率划分为N个谱带区段，N=2n， n为自然数；步骤1.5、将背景频谱的振动幅值或功率值按照时间间隔划分为M个 时间区段，计算每个区段的振幅平均值或功率值，每个平均值作为一个能 级，则共有M个能级。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤2包含以下步骤步骤2.1、中心控制装置向管道振动监测装置发出指令，确定即时工况；步骤2.2、探测装置(1)探测管道上各个探测点的振动波； 步骤2.3、转换装置(2)将各个振动波转换为音频信号； 步骤2.4、分析处理装置(4)将各音频信号转换成频谱。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤3包含以下步骤步骤3.1、划分测量频谱的谱带区段N (N=2n， n为自然数)，为快速 锁定事故区段，N值将不被定义成固定值；步骤3.2、取!1=1，将有效频率区域一分为二，分成左区段和右区段， 算出左区段、右区段的平均幅值(或平均功率值)R及Fr;步骤3.3、分别将F!及R与左右区段对应的背景频谱的幅度或功率平 均值比较，若有超过2个或以上能级的(比如以右区段为例)，就再次 在该区段内进行采样比较；步骤3.4、在P次采样中，判断是否有2P/3个结果是超差，若是，则 事故发生的可能性评价就是"大"，确认有事故发生。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤4包含以下步骤步骤4.1、当判断有事故发生后，分析处理装置4在该事故区段上继 续划分测量频谱的谱带区段N (N=2n, n=2， 3， 4， 5......)，将测量频谱的幅度或功率平均值与背景频谱的幅度或功率平均值进行比较，找出幅度 或功率变化大的区域，依次类推，直到锁定一个与事故谱相近的"事故";步骤4.2、根据数个探测点频谱比较后数值的大小，确定事故点离数 个探测点的距离，从而确定事故点的位置。
全文摘要
本发明提供一种管道振动监测系统及方法，管道振动监测系统包括多个安装于管道各监控点上的管道振动监测装以及连接每个管道振动监测装置的中心控制装置。管道振动监测装置包括顺序连接的探测装置、转换装置、连接装置、采集装置和分析处理装置。检测方法的步骤为建立背景频谱；采集信号及处理；确定事件性质；确定事故点；报警。本发明的优点在于其通过采集管道噪声来检测管道状态，该方法不具有负压波检测方法易受压力低、温度变化和输送物密度影响的缺点；而对于噪声影响，仅对于与发生事件强度相当、频率相近的噪声敏感，而其它频率的噪声不会对其产生较大影响。
文档编号F17D5/06GK101603630SQ20091015846
公开日2009年12月16日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年5月8日
发明者毛育晨 申请人:上海能信石油科技服务有限公司