泄漏检测的制作方法

泄漏检测
1.本发明涉及检测管道中的泄漏，特别地，但不排他地，涉及一种用于对从管道泄漏的诸如气体的流体的非破坏性管道内检测的方法和装置。
2.已知输送流体(例如气体)的管线会从将管线各部分连接在一起的接头处泄漏，从沿管线定位的配件泄漏，以及从管线壁的内部和/或外部腐蚀、针孔或断裂产生的裂缝泄漏，以及第三方损坏泄漏。传统的外部泄漏检测方法依赖于在地面上看到的泄漏，希望是泄漏所在的位置。管道上方的阻塞性地面层会导致泄漏气体在其下流动，导致泄漏位置不准确，以及对原本结构完好的管道部分进行不必要的挖掘和维修。
3.已知的管道内泄漏检测系统包括闭路电视(cctv)系统，该闭路电视(cctv)系统可帮助可视化管线并突出显示接头、连接件、配件和泄漏指示器，例如裂缝、进水和不良接头等。然而，基于cctv的系统无法确认泄漏及其确切位置。声学泄漏检测系统也是已知的，但这些系统通常受到“背景”噪声、地面上方交通振动、管道内压力和当地环境的限制。
4.本发明的某些实施例的目的是提供一种用于检测沿管道流动的流体的泄漏并且特别是通过利用流过管道的流体从管道内部检测泄漏的准确位置的方法和装置。
5.本发明的某些实施例的目的是提供一种用于从管道内部检测泄漏而不必切断通过管道输送的流体流的方法和装置。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种确定管线中泄漏位置的方法，包括：
7.处理与从管线内捕获的至少一个图像相关联的捕获图像数据，以识别响应于从管线泄漏的流体的温度变化的管线内表面的温度变化，以确定管线中的泄漏位置。
8.可选地，该方法包括：
9.在沿着管线的第一位置处捕获至少一个图像；以及
10.将所捕获的图像数据与参考图像数据进行比较，该参考图像数据与在管线内的与第一位置基本对应的位置处获得的对应参考图像相关联。
11.可选地，该方法包括将捕获图像的至少一个像素与参考图像的至少一个对应像素进行比较，以识别管线的靠近泄漏位置的内表面的温度变化。
12.可选地，该方法包括比较与捕获图像和参考图像的对应像素相关联的像素强度/亮度和/或对比度(contrast)分布。
13.可选地，该方法包括基于像素强度/亮度变化对在沿管线的不同位置处获得的多个参考图像的参考图像数据进行分类。
14.可选地，该方法包括基于在沿管线的不同位置处获得的多个参考图像的像素对比度分布来创建对比度阈值，以及将基于对比度阈值的对比度滤波器应用于对应捕获图像的捕获图像数据。
15.可选地，管线的靠近泄漏位置的内表面的温度低于沿着管线流动的流体主体的温度和/或管线的远离泄漏位置的内表面的温度。
16.可选地，管线的靠近泄漏位置的内表面的温度高于沿着管线流动的流体主体的温度和/或管线的远离泄漏位置的内表面的温度。
17.可选地，泄漏流体的温度响应于泄漏流体体积的增加而在泄漏位置处升高，从而
使管线的靠近泄漏位置的内表面的温度升高。
18.可选地，该方法包括主动加热沿管线流动的流体的一部分。
19.可选地，该方法包括主动加热在泄漏位置上游或下游流动的流体的一部分。
20.可选地，该方法包括确定管线的靠近泄漏位置的内表面的温度变化率。
21.可选地，该方法包括基于温度变化率和以下数据中的一个或更多个确定泄漏位置处的泄漏流速：整体流体温度、整体流体流速、整体流体压力、表面温度、表面滞后/相位响应、表面温度升高速率、表面温度冷却速率、管线材料热特性、泄漏位置和泄漏几何形状/尺寸。
22.可选地，该方法包括间歇地主动加热沿管线流动的流体的一部分，并在加热和冷却管线的靠近泄漏位置的内表面期间捕获所述图像数据和一个或更多个附加数据。
23.可选地，该方法包括沿着管线或相对于管线的纵向轴线径向向外吹送至少一部分主动加热的流体。
24.可选地，该方法包括通过位于管线中的装置的至少一个加热元件来加热流体的所述部分。
25.可选地，该方法包括沿着管线可控地移动装置，其中该装置包括用于捕获和获得所述图像的设备。
26.可选地，该设备包括红外相机。
27.根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定管线中的泄漏位置的系统，包括：
28.装置，该装置用于定位在管线中并包括用于捕获管线的内表面的图像的设备；以及
29.控制器，该控制器被配置为处理与从管线内捕获的至少一个图像相关联的捕获图像数据，以识别响应于从管线泄漏的流体的温度变化的管线内表面的温度变化，以确定管线中的泄漏位置。
30.可选地，该设备包括红外相机。
31.可选地，该装置包括用于加热沿管线流动的流体的一部分的加热器。
32.可选地，该装置包括用于加热在泄漏位置上游或下游流动的流体的一部分的加热器。
33.可选地，该装置包括鼓风机，用于沿着管线或者相对于管线的纵向轴线径向向外吹送流体的该部分。
34.可选地，该装置包括至少一个传感器，用于感测整体流体温度、整体流体流速、整体流体压力或装置在管线中的轴向位置。
35.根据本发明的第三方面，提供了一种用于确定管线中泄漏位置的装置，包括：
36.用于可控地沿着管线的内部移动的主体；
37.安装到该主体的图像捕获设备，该图像捕获设备用于捕获管线的内表面的图像；以及
38.加热器，该加热器用于主动加热沿管线流动的流体的一部分。
39.可选地，该装置包括鼓风机，用于沿着管线或相对于管线的纵向轴线径向向外吹送流体的一部分。
40.可选地，鼓风机被配置成使流体的该部分吹过加热器的加热元件。
41.可选地，主体支撑在多个表面接合元件上，每个表面接合元件可与管线接合。
42.可选地，多个表面接合元件中的每一个可选择性地驱动以沿着管线移动该装置。
43.可选地，图像捕获设备可以相对于主体在缩回位置和展开位置之间选择性地移动。
44.可选地，该装置包括控制器，该控制器被配置成处理与从管线内捕获的至少一个图像相关联的捕获的图像数据，以识别响应于从管线泄漏的流体的温度变化的管线内表面的温度变化，以确定管线中的泄漏位置。
45.根据本发明的第四方面，提供了根据本发明的第三方面的装置的用于确定管线中的泄漏位置的用途。
附图说明
46.现在将参照附图描述本发明的某些实施例，其中：
47.图1a示出了根据本发明的某些实施例的装置，其中支撑图像捕获设备的装置的臂处于展开状态；
48.图1b示出了图1a的装置，其中该装置的臂处于缩回状态；
49.图2示出了管线中的图1a和1b的装置的示意图；
50.图3示出了该装置的另一实施例；
51.图4示出了由根据本发明某些实施例的装置捕获的图像；以及
52.图5示出了泄漏管道界面与非泄漏管道界面的拼接图像。
53.详细说明
54.如图1a和图1b所示，根据本发明的某些实施例的装置100包括支撑在多个轮子104上的底盘102，多个轮子104由电动机选择性地沿任一方向驱动，电动机通过齿轮组件耦合(couple)到轮子。可替代地，该装置可以包括多个轨道等，和/或该装置可以由耦合到该装置并在地面上方终止的推杆布置沿管线手动或自动推动。适当地，所有的轮子都耦合到电动机，并由电动机选择性地驱动。电机耦合到板载控制器106，板载控制器106被配置为无线地或通过有线连接与表面上控制器(on-surface controller)通信，表面上控制器可由授权用户操作以从地面上方选择性地控制该装置。表面上控制器适当地是包括用户界面和显示器的计算设备，诸如平板电脑等。红外(ir)相机模块108安装到第一对间隔开且平行的支撑臂110的端部区域，每个支撑臂110在另一个端部区域枢转地耦合到第二对间隔开且平行的臂112和第三对间隔开且平行的臂114的相应端部区域，第二对臂112和第三对臂114中的每一个在其另一个端部区域枢转地耦合到底盘102。第一对臂110连接到第二对臂112和第三对臂114，使得第二对臂和第三对臂一起旋转，并且第一对臂110中的每一个保持与底盘102平行。第二对臂112和/或第三对臂114由电机选择性地旋转，以相对于底盘升高或降低第一对臂110，进而升高或降低ir相机模块108。图1a示出了处于展开/升高位置的相机模块108，而图1b示出了处于缩回/降低位置的相机模块108。适当地，相机模块108可以移动到缩回位置和展开位置之间的任何位置。此外，相机模块108可以相对于第一对支撑臂110选择性地绕垂直轴线和/或水平轴线旋转，和/或第二对臂112和第三对臂114可以(例如通过安装到可相对于底盘旋转的转盘)选择性地绕垂直轴线旋转。这样的布置可以期望地允许相机模块被选择性地移动到允许特定管道特征的最佳图像捕获的位置和取向。
55.加热器和鼓风机单元116在沿着第二对臂112和第三对臂114的大约中间位置枢转地安装在第二对臂112和第三对臂114之间，以与ir相机模块108一起相对于底盘102向上或向下移动，同时保持基本水平和相对于底盘平行。加热器和鼓风机单元116耦合到板载控制器106，以允许在需要时选择性地打开/关闭单元116，如下文进一步描述的。
56.ir相机模块108包括诸如ir led阵列的ir照明设备118和用于捕获管壁及其特征件/配件的静止和/或运动图像(视频)的相机120。相机模块108耦合到板载控制器106，用于本地存储图像数据和/或将图像数据发送到表面上控制器进行存储和/或处理。
57.如图2中示意性示出的，根据本发明的替代实施例的装置200位于管道250内，并沿管道沿气体流过管道的方向(箭头g)驱动。装置200包括支撑在轮子或轨道204上的主体202、安装在主体前端区域上的ir相机模块208以及安装在主体后端区域上的鼓风机215和加热器217。鼓风机215使流经管道的一些气体吹过加热器217的加热元件，以使气体的温度升高。可替代地，可提供声学设备以通过振动来局部地激励气体并进而使气体的温度升高。加热的气体t或者与剩余的管线气体混合，或者由鼓风机朝向管壁径向向外加速。可替代地，可以不需要鼓风机，并且考虑到跨越泄漏点(例如接头或裂缝)252的压力差，可以将经过加热器的加热气体向外抽吸到泄漏处。加热的气体充当“示踪剂(tracer)”或“烟流(smoke stream)”，其可以被检测并与流过管道的剩余较冷气体和/或管道表面的温度进行比较，如下文进一步描述的。泄漏的加热气体将热量传递到管道或特征件，这种相对变暖被板载热成像相机检测到。另外的传感器数据，例如气体温度、流速、管道材料等，可选地被捕获并用于将观察到的管壁或特征件的温度变化与泄漏流速相关联。
58.图3示出了根据本发明替代实施例的装置300。装置300包括安装在一对驱动轨道或轮子304上的主体302。主体302基本上是矩形和中空的箱形段，具有开放的前端区域303。ir相机模块308位于开放的前端区域中，并且可围绕至少水平轴线选择性地旋转。主体的后端区域是开放的或者可以包括格栅或槽。鼓风机和加热器(未示出)位于主体的后端区域中，并被配置成逆着管道中的气流向后吹送空气，从而引起湍流并混合加热的和未加热的气流。可替代地，加热器元件可以在主体中位于鼓风机的“上游”，使得气体被吹过加热器元件。由此，被激发的气体流被加热，使得其可用作“示踪剂”或“烟流”，其可被检测并与流经管道的剩余较冷气体和/或管道表面的温度进行比较，如下文进一步描述的。热感相机光学器件可以被选择为直接观察加热的气体流或仅能够看到泄漏管道的被加热表面，在该被加热的表面处，加热/混合的气体明显进行接触。这是通过调谐/调节热感相机滤光器以基于管线气体的发射光谱仅看到某些波长的ir辐射来实现的。这使得气体相对于未加热/加热的气体在图像中呈现半透明或透明。
59.在使用中，管线内部的参考图像最初是在装置沿着管道内部行进并且加热器或鼓风机不工作时由ir相机模块捕获的。参考图像数据被存储在存储器中用于处理。位置信息可选地被分配给每个参考图像的数据。该装置沿着管道的相同长度行进，并在沿着管道的相同或相似位置处捕获图像，但这次加热器和鼓风机工作以加热气体。表面上控制器，例如配置成执行计算机程序的计算机，接收对应于管壁或管道配件等的每个捕获图像的原始图像数据，并将所捕获的图像数据与对应于沿管道的基本相同位置的相应参考图像数据进行比较。可在计算机上执行的计算机程序被配置成将捕获的未加热图像与最接近的对应加热图像进行比较，例如，每个捕获的图像相对于参考图像被有效地“叠加”在一起。基本分析寻
找特征温度的整体变化，以确定管道中对应于特定图像的位置是否发生泄漏。
60.为了从图像中滤除不想要的“噪声”，计算特征对比度，并且可以对图像应用滤波器，以仅选择可能是管道壁上的泄漏的特征的对比度阈值内的变化，例如内表面上的颗粒也将变热并且将被观察到。这些特征用对比度滤波器去除，因为这些特征的边缘具有比典型泄漏所呈现的温度梯度更高的对比度，这是由于从泄漏到管道壁的热传递呈现较低的对比度。
61.该装置适当地包括位置跟踪设备，例如全球定位系统(gps)、磁通量系统或使用双向飞行时间来计算行进距离和管道内流动状况的声学测量仪，用于确定装置沿管道的位置并将每个参考图像和每个捕获图像与位置坐标等相关联。
62.作为一个例子，如图4所示，在没有向加热器元件供电(即没有加热流过管道的气体)的情况下，在沿管道的已知位置处，由装置捕获气体管道的截面的图像(标号为a)。在沿着管道行进的每x个单位的距离处捕获原始图像数据，并形成一系列基线/参考图像，标号为b。对参考图像进行计算，以对整个管线截面在基线条件下的温度变化水平进行分类。可以在图像上选择roi(感兴趣区域)，并且计算机计算图像或所选roi的基线图像亮度分布和对比度分布。这些测量值形成管道截面的基线值。
63.然后，当装置再次沿着管道内部移动时，捕获管道壁的图像，但这一次加热器通电，从而在管道内产生加热的气体流。控制器直接从相机模块或从用于存储捕获图像的存储器接收捕获图像数据，并对捕获图像数据进行处理，以将沿管道的特定位置处的捕获图像数据与对应于该位置的最接近的参考图像数据进行比较。计算加热图像或图像roi的亮度(温度)分布和对比度分布。以与未加热图像相同的方式处理捕获的图像。对比度滤波可用于去除来自内部碎屑和颗粒的噪声，并将结果集中在具有与管道材料传热特性成比例的预期空间温度梯度(对比度)的特征上。然后比较基线和加热结果，并使用差异来推断该位置/roi处存在泄漏。
64.当“基线”(参考)图像数据和“加热”(捕获)图像数据的位置之间不完全匹配时，可以使用结果插值。在位置记录可能存在“传感器漂移”的情况下，控制器(例如计算机)可以交叉关联与热图像一起拍摄的cctv图像，以选择针对该特定位置最接近对齐的基线图像和加热图像。
65.应用梯度或对比度滤波算法来区分内表面污染和被气体加热的特征。这些特征通常具有较高的温度梯度，因为它们的传导性较差，并且与管体不连续。由于热量可以流动，因此具有低对比度边缘，通过管壁的泄漏具有增加的梯度。测量梯度率以推断有关管道材料和状况以及泄漏率的信息。
66.颗粒和阈值滤波用于提高清晰度和隔离潜在泄漏。存储检测到的和分类的泄漏图像以训练处理器，即可在计算设备上执行的计算机程序，以自动检测泄漏。用于训练处理器的热图像包含其他数据，包括声学、温度、压力和流量数据。
67.为了进行更详细的分析，该装置在感兴趣的位置保持静止。捕获基线未加热图像。然后启动加热器，并且例如用于确定气体温度、流速、管道材料等的ir相机和传感器在整个静态加热和冷却循环中捕获数据。然后，详细分析能够计算该位置或特征roi处对比度和温度的变化率。这种比绝对信息增加的信息形成了可以更精确地指示泄漏率的信息。根据本发明的某些实施例的这种更详细的图像处理包括以下步骤，以另外确定泄漏的规模：
68.确定管道整体流速和泄漏位置处的温度；
69.确定管道/特征材料的热导率；
70.确定缺陷(泄漏)几何形状；
71.确定气体压力；以及
72.确定特征温度和对比度的变化率。
73.整体流速可以由装置直接测量，也可以根据由装置上设置的温度传感器测量的整体流量温度的变化率确定。泄漏位置的整体温度可以由温度传感器直接测量，或者可以使用能量守恒气体温度相关方程从加热器输出温度、气体的整体流速、管线尺寸和离加热器的距离来计算。
74.管道和特征材料的热特性是已知的，并记录了常用材料的热特性。通过图像分析确定泄漏几何形状。分析捕获的(加热的)图像。包括加热气体的先“加热的”图像在通过围绕缺陷的材料的热导率显示特征周围的加热区域之前，创建更紧密地显示缺陷几何形状的特征。另外，稍后的“加热”图像显示了更大的加热区域，该区域可以被处理以创建从“边缘”回到代表缺陷几何形状的公共中心点集合的距离图。通过已知的管道尺寸和相机定位(或通过激光点/3d扫描)，可以精确地确定缺陷尺寸和形状。
75.气体压力由压力传感器测量。在图像之间计算特征温度和对比度的变化率，图像诸如是用热感相机拍摄的加热过程的视频的帧。
76.测量图像和特征/roi内像素的温度变化率的曲线。获取并保存绝对温度、温度滞后/相位响应、增长率、冷却速率以及像素/特征的任何频率变化的测量值。曲线与所采取的测量的结果拟合，以产生额外的速率变化参数。以类似的方式应用滤波器来移除与预期材料不相关的高对比度和低对比度元素。
77.计算的值通过能量守恒和转移方程运行，以计算在测量条件下通过特征的会引起观测到的温度上升的比例泄漏率。然后将其保存到数据集中。
78.可以对该位置进行多次访问，以建立显示泄漏随时间的变化的数据集。
79.例如，当一些泄漏气体通过裂缝或松动的接头时，气体膨胀，压力降低。反过来，它的温度通常也会通过焦耳汤普森效应(joule thompson effect)降低。然而，相对温暖的加热气体增加了发生泄漏的局部管道或配件的表面温度，从而在加热气体与较冷的气体主体和/或发生泄漏的局部管道表面与没有发生泄漏的管道主体之间产生温度梯度/差。无论泄漏气体引起被动加热(氢气)还是冷却(天然气)，靠近泄漏位置的管道或配件的主动加热的规模通常大于通过这种焦耳汤普森效应冷却或加热的规模。通过气体加热在泄漏位置附近引起的管道或配件的温度梯度可由ir相机模块检测，并可与参考图像数据进行比较，以准确确定泄漏的发生和位置，而不单独考虑焦耳汤普森效应。
80.该装置还可以确定与管道的连接是否消耗气体。图4中标记为1的图像示出了捕获的图像，其中不存在通过服务连接/分接的泄漏或消耗。图4中标记为2的图像示出了其中泄漏和消耗都存在的捕获的图像。相对明亮的中心区域402指示通过管道的气流(消耗/供应)，并且在图像底部的相对明亮的局部区域404指示通过接头的泄漏，因为激发和加热的气体流通过泄漏的接头排出，并且相对于管道的远离泄漏的较冷表面使泄漏的局部表面升温。图4中标记为3的图像示出了其中存在消耗但不存在泄漏的捕获的图像。图4中标记为4的图像示出了捕获的图像，其中存在泄漏但不存在消耗，如图像底部附近相对明亮的局部
区域406所示。
81.图5示出了拼接在一起的两半不同的捕获图像。如图像右侧所示，管壁550和配件552之间的外围界面548由暗线相对限定，指示在接头处没有发生泄漏。然而，如图像的左侧所示，接头区域的左上部分包括多个相对明亮的局部区域554，并且不太清晰，表明在接头上发生泄漏。每个图像中相对明亮的中心区域556表示，鉴于一些加热/激发的气体流与主气流混合并被ir照相机检测到，气体正在流过服务管道(消耗)。
82.可基于已知或特定类型的管线从存储的参考数据的数据库中选择基础参考图像数据。该过程可以通过将控制器配置为用选择的或预定的基础参考图像数据自动处理每个捕获的图像来自动化。控制器可被配置成在检测到泄漏时提供视觉和/或听觉指示。
83.本发明的替代实施例涉及通过将靠近泄漏的管道表面或配件的温度与远离泄漏的管道表面的温度进行比较，来从管线内部检测泄漏位置。当气体通过裂缝或泄漏的接头时，其体积增加，其温度通常降低，但也可能升高(例如氢气)。这种典型的温度降低在靠近泄漏的管道表面上具有冷却效果，并且可以检测相对于泄漏的近端表面和远端表面之间的温度差，该温度差可用于精确地确定泄漏的发生和位置。该方法不需要加热流经管道的至少一些气体，并且当与涉及加热和激发泄漏位置附近的气体的“主动”泄漏检测方法相比时，该方法可被称为“被动”泄漏检测方法。
84.根据本发明的某些实施例的检测泄漏的方法可以由如本文所示和描述的装置来执行，或者由不同地符合但适当配置的装置来执行，例如井下工具或清管设备，其可以不包括例如多个轮子，并且可以由推杆或类似物沿着管线推动，或者在重力的影响下在电缆或类似物上下降到井下。术语“管线”和“管道”应被理解为包括由连接在一起以形成地下或地上管线或井下井筒等的多个管段组成的单个长度的管道或导管，包括从主管线延伸的任何配件或服务线。管线可以在建筑物或地下隧道等中形成管道，用于输送流体或废水系统。管线可以具有任何合适的横截面，例如圆形、方形等。
85.所捕获的数据可作为参考，并随后通过机器学习和人工智能算法进行处理，以识别可能的泄漏条件。然后，可以搜索这些条件并对其进行优先排序，以替换维修活动。所捕获的信息可用作管线是否适合在其中输送流体的证据。该检测可用于各种管道，包括煤气、排水、工艺、核能和下水道。基线化数据可以包括与泄漏检测一起使用的其他测量结果。这些可以包括声学测量结果、热、压力和辐射，以检测泄漏接头处积累的氡水平的增加。可以按时间间隔捕获基线，以确定管线或特征随时间的变化。
86.因此，本发明的某些实施例提供了一种方法和装置，用于有效地确定管线中的诸如气体的流体的泄漏位置，并从管道本身内准确地确认泄漏的位置。根据本发明的某些实施例，如果管线中的流体(气体或液体)具有ir范围内的透射区域，则该流体可用于确定泄漏位置。该方法是非破坏性的，并且消除了破坏性和不准确的钻孔或其他形式的大规模挖掘的需要。一旦准确确定了泄漏的位置和性质，如果需要，可以进行一次挖掘，从管道外部修复泄漏。可替代地，修复装置可以沿着管线发送，以从管道内修复泄漏，从而完全消除挖掘的需要。根据本发明的某些实施例的方法和装置特别地与未来的氢网络兼容，并且不依赖于检测跨管线壁的压降。