一种基于声发射技术的管道变形失稳动态监测系统

1.本发明涉及一种基于声发射技术的管道变形失稳动态监测系统，属于无损检测技术领域。


背景技术：

2.在经济迅速发展形势下，对石油及天然气等能源产品的需求在不断增加，管道输送是目前油气输送的主要手段。但是，油气管道在服役期间会受到滑坡等地质灾害的威胁，近年来地质灾害中滑坡占据了一大半以上，在2019年地质灾害6181起中，滑坡占据了68.3％。在2018年地质灾害2966起中，滑坡占据了55.0％。滑坡造成管道的失稳或破坏，会引起运输物质(天然气、原油、成品油)的泄露，对周围环境造成不可逆的破坏；重的话会引起火灾，造成山林火灾。所以对管道的监测是必要的，通过实时动态对管道监测，可以判断滑坡等地质灾害对管道的破坏情况，以便于快速采取相应的响应方案来避免损失。
3.目前，对管道进行无损检测的方法已经非常成熟，比如超声波检测，发明专利cn202010470971.8中叙述了一种基于超声导波的管道弯曲检测方法，在管道某一位置激励产生纯纵向导波，然后将至少两个超声换能器布设于距激励一定距离的管道表面。该方法不能对长输管道进行在线实时监测，且只能检测直管道，对弯管和其他形状的管道无法检测。还有磁检测方法，如专利cn202011386730.1中叙述了基于磁技术的检测方法，可以检测管道应变，通过磁信号判断该管段是否发生变形。该方法也是只可以检测被磁探头覆盖的的管道应力应变状态。无法对长输管道进行实时监测。比如其他方法检测专利cn202011284794.0中叙述了一种基于电流回路检测附着于管道的电阻丝的变形量，即可得到该处管道的变形量。该方法只能检测一点位置的变形，无法全局监测。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于声发射技术的管道变形失稳动态监测系统，通过声发射技术实现管道变形失稳的监测。
5.本发明的技术方案是：一种基于声发射技术的管道变形失稳动态监测系统，包括声发射传感器2、信号放大器3、降噪处理器4、数据采集卡5、数据处理装置6、报警系统8、网络摄像头9、远程终端操作中心16；所述的声发射传感器2布置在被测管道1外表面，用于将监测的被测管道1变形过程中产生的弹性应力波并转化为电信号；声发射传感器2采集的信号传至信号放大器3进行信号放大；放大后的信号传至降噪处理器4进行降噪处理；经过降噪处理的信号传输至数据采集卡5进行信号数字转化，数据采集卡5输出的数字信号传输至数据处理装置6；数据处理装置6对数据采集卡5的数据进行处理，若数据处理装置6获得的声发射信号的声发射特征参数达到预警阈值，则生成预警信息，则驱动报警系统8发出声光报警信号；将预警信息叠加声发射信号、网络摄像头9采集的视频数据通过无线方式传至远程终端操作中心16。
6.所述远程终端操作中心16通过预警信息查找该预警信息发生时段网络摄像头9上
传的视频数据，并通过人工进行判别，以决定是否启动应急预案。
7.所述预警阈值根据声发射数据库的数据确定：去掉n条声发射信号试验数据中声发射特征参数的最优值、最差值，将剩余的值取平均值作为预警阈值。
8.所述声发射特征参数选用幅度。
9.所述声发射数据库采用如下方式构建：采用与待测管道相同材质的正常管道作为标准压缩试件，根据压缩试验将管道变形，通过声发射传感器2采集变形时的声发射信号试验数据；把声发射信号试验数据纳入声发射数据库；共计采集n次试验声发射信号试验数据，n取值大于3。
10.所述声发射传感器2的数量m≥3个；信号放大器3、降噪处理器4的数量与声发射传感器2的数量相等，数据采集卡5数量为1个；每个声发射传感器2都采用独立的信号放大器3进行放大，独立的降噪处理器4进行降噪处理，然后汇总到一个数据采集卡5中。
11.所述声发射传感器2采用4个，4个声发射传感器2周向等间距安装在被测管道1的外表面；声发射传感器的声发射信号频谱特征在100khz～300khz之间。
12.所述信号放大器3为40db放大器，信号放大器3将接声发射传感器2的信号放大后传至降噪处理器4。
13.所述降噪处理器4采用带通滤波器100khz～400khz，对信号进行降噪处理。
14.还包括供电系统，所述供电系统包括太阳能电池板11、风力发电机10、蓄电池13、直/交流逆变器12、电源控制器14；光照下，通过太阳能电池板11发电，蓄电池13储存电量；通过风力发电机10进行风力发电，通过直/交流逆变器12将交流电转化为直流电，蓄电池13储存电量；通过蓄电池13供电。
15.本发明的有益效果是：本发明通过在管道外表面周向等间距布置声发射传感器可以有效地进行长管道的变形失稳监测，并给合数据处理装置的预判及网络摄像头的全方位监测，可以在实现对管道进行远程的全局动态监测的同时更高效地实现失稳变形的预警和进一步地应急方案处置。
附图说明
16.图1是本发明的监测系统结构示意图；
17.图2是声发射传感器安装示意图；
18.图3是监测系统的供电系统；
19.图4是监测系统工作流程图；
20.图中各标号为：1为被测管道，2为声发射传感器，3为信号放大器，4为降噪处理器，5为数据采集卡，6为数据处理分析装置，7为无线信号发射器，8为报警系统，9为网络摄像头，10为风力发电机，11为太阳能电池板，12为直/交流逆变器，13为蓄电池，14为电源控制器，15为信号接收器，16为远程终端操作中心。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
22.实施例1：如图1-4所示，一种基于声发射技术的管道变形失稳动态监测系统，包括
声发射传感器2、信号放大器3、降噪处理器4、数据采集卡5、数据处理装置6、报警系统8、网络摄像头9、远程终端操作中心16；所述的声发射传感器2布置在被测管道1外表面，用于将监测的被测管道1变形过程中产生的弹性应力波并转化为电信号；声发射传感器2采集的信号传至信号放大器3进行信号放大；放大后的信号传至降噪处理器4进行降噪处理；经过降噪处理的信号传输至数据采集卡5进行信号数字转化，数据采集卡5输出的数字信号传输至数据处理装置6；数据处理装置6对数据采集卡5的数据进行处理，若数据处理装置6获得的声发射信号的声发射特征参数达到预警阈值，则生成预警信息，则驱动报警系统8发出声光报警信号；将预警信息叠加声发射信号、网络摄像头9采集的视频数据通过无线方式传至远程终端操作中心16。
23.可选地，所述远程终端操作中心16通过预警信息查找该预警信息发生时段网络摄像头9上传的视频数据，并通过人工进行判别，以决定是否启动应急预案。如果启动应急预案，则可根据应急预案安排专业人员进行检修。
24.通过数据处理装置6生成的预警信息，会驱动报警系统8发出声光报警信号，该方式下可以对处于监测区域的人员进行预警；再进一步地，结合远程终端操作中心16通过预警信息查找该预警信息发生时段网络摄像头9上传的视频数据，并通过人工进行判别，以决定是否启动应急预案，该方式可以避免数据处理装置的误判；通过双重的预警判断既可以实现对监测区域的预警，同时也可以避免预警误判造成损失。
25.可选地，所述预警阈值根据声发射数据库的数据确定：去掉n条声发射信号试验数据中声发射特征参数的最优值、最差值，将剩余的值取平均值作为预警阈值。
26.可选地，所述声发射特征参数选用幅度。
27.可选地，所述声发射数据库采用如下方式构建：采用与待测管道相同材质的正常管道作为标准压缩试件，根据压缩试验将管道变形，通过声发射传感器2采集变形时的声发射信号试验数据；把声发射信号试验数据纳入声发射数据库；共计采集n次试验声发射信号试验数据，n取值大于3。
28.可选地，所述无线方式采用无线信号发射器7、无线信号接收器15。
29.可选地，所述声发射传感器2的数量m≥3个；信号放大器3、降噪处理器4的数量与声发射传感器2的数量相等，数据采集卡5数量为1个；每个声发射传感器2都采用独立的信号放大器3进行放大，独立的降噪处理器4进行降噪处理，然后汇总到一个数据采集卡5中。
30.可选地，所述声发射传感器2采用4个，4个声发射传感器2周向等间距安装在被测管道1的外表面；声发射传感器的声发射信号频谱特征在100khz～300khz之间。如图2所示。
31.可选地，所述信号放大器3为40db放大器，信号放大器3将接声发射传感器2的信号放大后传至降噪处理器4。
32.可选地，所述降噪处理器4采用带通滤波器100khz～400khz，对信号进行降噪处理。
33.可选地，还包括供电系统，所述供电系统包括太阳能电池板11、风力发电机10、蓄电池13、直/交流逆变器12、电源控制器14；光照下，通过太阳能电池板11发电，蓄电池13储存电量；通过风力发电机10进行风力发电，通过直/交流逆变器12将交流电转化为直流电，蓄电池13储存电量；通过蓄电池13供电。整个系统中的室外部件(如:声发射传感器2、信号放大器3、降噪处理器4、数据采集卡5、数据处理装置6、报警系统8、网络摄像头9)可以由蓄
电池13提供电量。
34.为了防止由于天气原因以及发电设备的失效，蓄电池13需要在平时充电足够的情况下保持7天的续航能力，当超过七天，蓄电池13未得到充电，蓄电池13停止对整个监测系统供电，同时将信号通过数据处理装置6发送给远程终端操作中心16。
35.本发明的监测过程如下：
36.将声发射传感器2布置在被测管道1外表面，当被测管道受到载荷或变形时，声发射传感器2检测到管道变形过程中产生的弹性应力波并转化为电信号，之后输出电信号至信号放大器3进行信号放大，放大后的信号经过降噪处理器4进行降噪处理。经过处理的信号传输至数据采集卡5进行信号数字转化，数据采集卡5输出的数字信号传输至数据处理分析装置6。通过数据处理分析的声发射信号对比预警阈值，判定结果。若达到预警阙值，则发出异常预警，生成报警信息，同时报警系统8发出声、光信号；将预警信息叠加触发该预警的监测有声发射信号、视频数据打包成综合数据通过无线信号发射器7、无线信号接收器15发送到远程终端操作中心16，通过远程终端操作中心16，以有经验的工作人员判定是否启动应急预案。
37.再者给出本发明声发射检测其基本原理：声发射检测的基本原理是依据固体物质在应力作用下发生形变，或者材料中裂纹产生扩展时，内部因为从不稳定高能量应力集中状态快速过渡到低能量状态，在此平衡过程中释放的多余能量会以弹性应力波出现。
38.1、变形位置定位：
[0039][0040]
其中，(x,y,z)为声发射源的坐标，t和ti分别为声发射事件发生的时间和波到第i个传感器所需要的时间，(xi,yi,zi)为第i个传感器的坐标，v为波的速度。
[0041]
2、声发射信号特征分析
[0042]
声发射信号特征主要分为两种，即突发型和连续型信号。如果声发射信号是断续的，且在时间上可以分开，那么这种信号称为“突发型声发射信号”，反之。如果大量的声发射事件同时发生，且在时间上不可分辨，这些信号就叫做连续型信号。一般情况下，金属塑性变形、流体泄露是连续型信号，裂纹扩展等是突发型信号。根据参数值的大小及其变化情况进行预测和评价。常用的声发射信号参数主要包括：振铃计数，事件数，能量，振幅，频率等。
[0043]
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。