專利名稱：管道振動監測系統及方法
技術領域：
本發明屬于長距離管線振動波測量與監控領域，具體涉及一種管道振動 監測系統及方法。
背景技術：
在氣體及液體運輸方法中，氣液管道輸送比傳統的公路鐵路運輸效率更 高，也降低了長期運輸的成本。但隨之而來的管道保障和管道安全成為管道 運輸中需要關注的重點。首先是因管道泄漏而造成輸送物的損耗及嚴重的環 境污染，其次是打孔偷盜現象嚴重，特別是對于輸油管道，各管道儲運公司 都投入大量的人力物力進行輸油管道的安全巡邏保障工作，但收效甚微。要 保證管道輸送的安全和環保，加強管線技術監測和防范是必須的技防手段。 目前采用比較多的、相對成熟的是負壓波測漏法，通過測漏同時對偷盜打孔 進行監控。除了這種使用最為普遍的負壓波測漏法，其它檢測方法還包括管 線附近地面震動檢測法和沿線敷設光纖的信號擾動測量法等等。 其中，負壓波測漏法的主要泄漏檢測原理如下所述
在泄漏發生時，泄漏處立即產生因流體物質損失而引起的局部液體密度 減小，從而出現瞬時壓力降低與速度差。這個瞬時的壓力下降，作用在流體 介質上，就作為減壓波源，通過管線和流體介質向泄漏點的上下游以聲速傳 播。當以泄漏前的壓力作為參考標準時，泄漏時產生的減壓波就稱為負壓波，
其傳播的速度在不同規格管線中并不相同，在原油管中約為1200m/s。設置 在泄漏點兩端或泵站兩端的傳感器拾取壓力波信號，根據兩端拾取壓力波的 梯度特征和壓力變化率的時間差，利用信號相關處理方法就可以確定泄漏程 度和泄漏位置。負壓波法是目前國際上應用較多的管線泄漏檢測和對漏點進 行定位的方法。
具體地，在管線兩端分別安裝高靈敏度的壓力傳感器，通過計算機數據 采集系統采集兩端的壓力，并進行數據處理與分析，如壓力波形的時間對齊，干擾噪聲的排除，泄漏點的判斷等。當兩個壓力點間的某一處發生泄漏時， 必然會引起兩端壓力的降低，降幅與泄漏量相關，泄漏量越大，壓力降越大。 但是，由于下列一些不可避免的環境因素的存在，會影響負壓波法測量 的準確性
(1) 噪聲干擾
由于管道壓力不可能是一個恒定值，不可避免的會產生工業現場的電磁 干擾、輸油泵的振動等，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲，如何從 噪聲當中準確地提取出信號的特征點是定位的關鍵。
(2) 受壓力低影響
因為我國目前很多原油管道都不是密閉輸送的，收油端直接接入大罐， 本身管道壓力就很低，再加之大直徑管以及大罐的濾波作用，壓力的變化可 能會淹沒在一片噪聲之中。故存在壓力靈敏度低的缺點，尤其是當泄露時間 短，泄漏量少時，壓力采集極其不敏感。
(3) 溫度變化影響
目前原油輸送采用加溫輸送，兩輸送站間的溫度差可達十幾度，甚至是 二十幾度，其對于負壓力波的傳輸速度會產生一定的影響。
(4) 輸送物密度影響 輸送物不同的密度也會對壓力計算和判斷產生影響。
發明內容
本發明提供的一種管道振動監測系統及方法，其針對管線被敲擊、鉆孔、 大量泄漏等情況，對管線噪聲的振動波譜進行監測，從而確定管線事故，發 出警報。有效地克服了現有技術中存在的技術缺陷，大大降低了環境因素對 監測的干擾。由于輸送管道多是鋼管連接而成，線路之間分布有一些加熱、 壓泵站或儲運罐。在運行過程中，會有各種頻率、幅度的振動噪聲在管線上
傳播，鋼管中聲頻振動傳播的速度達到5km/s。而對于確定的工況，這些噪 聲就形成了特定的"背景波譜"。如果沿管道分布多個監測點，則可測到強度 不同的"背景波譜"。如果管線上發生敲擊、鉆孔、大量泄漏事件時，就會產 生具有不同于"背景波譜"的波譜的噪聲。測得這些噪聲就可以判斷出正在 發生的時間并確定其位置。為了達到上述目的，本發明提供了一種管道振動監測系統，其包括多個 安裝于管道各監控點上的管道振動監測裝置以及連接上述每個管道振動監測 裝置的中心控制裝置，其特征在于，所述的管道振動監測裝置包括順序連 接的探測裝置、轉換裝置、連接裝置、采集裝置和分析處理裝置；其中，所 述的探測裝置設置于管道的管壁上，所述的分析處理裝置連接所述的中心控 制裝置。
所述的探測裝置為探測頭，用于探測管道的振動波。
所述的轉換裝置為振動薄膜，用于將探測裝置測得的振動波轉換成音頻。 所述的連接裝置為懸臂，用于傳遞音頻。
所述的采集裝置包括拾音器，其一端連接于連接裝置另一端連接分析 處理裝置，用以拾取音頻信號；調節器，其設置于拾音器與連接裝置的連接 處，用以調節音頻的放大倍率；吸音材料，填充于拾音器連接分析處理裝置 的一端的外部，用以隔絕環境聲音的影響。
所述的拾音器與連接裝置間采用非金屬軟管軟連接，以減少連接裝置徑 向機械振動對拾音器的影響。
本發明還提供了一種管道振動監測方法，其特征在于，包含以下步驟-
步驟l、建立背景頻譜；
步驟2、信號采集及預處理；
步驟3、判定事故性質；
步驟4、確定事故點；
步驟5、報警并告知事故點的位置。
所述的步驟l包含以下步驟
步驟1.1、探測裝置1探測管道上各個探測點在各種工況或正常的氣象狀 態下的振動波，工況包括啟動、正常運行、停機、以及電動工具打孔、切割 或突然泄漏等，氣象應該包括雨天等；
步驟1.2、轉換裝置2將探測到的各個振動波轉換為音頻信號；
歩驟1.3、分析處理裝置4將音頻信號轉換成頻譜，形成不同工況及氣候
條件下的背景頻譜；
步驟1.4、將背景頻譜的頻率劃分為N個譜帶區段，N=2n， n為自然數； 步驟1.5、將背景頻譜的振動幅值或功率值按照時間間隔劃分為M個時間區段，計算每個區段的振幅平均值或功率值，每個平均值作為一個能級，
則共有M個能級。
所述的步驟2包含以下步驟
步驟2.K中心控制裝置向管道振動監測裝置發出指令，確定即時工況; 步驟2.2、探測裝置探測管道上各個探測點的振動波； 步驟2.3、轉換裝置將各個振動波轉換為音頻信號； 步驟2.4、分析處理裝置將各音頻信號轉換成頻譜。 所述的步驟3包含以下步驟
步驟3.1、劃分測量頻譜的譜帶區段N (N=2n， n為自然數)，為快速鎖 定事故區段，N值將不被定義成固定值；
步驟3.2、取r^1，將有效頻率區域一分為二，分成左區段和右區段，算 出左區段、右區段的平均幅值(或平均功率值)R及Fr;
步驟3.3、分別將&及Fr與左右區段對應的背景頻譜的幅度或功率平均
值比較，若有超過2個或以上能級的(比如以右區段為例)，就再次在該
區段內進行采樣比較；
步驟3.4、在P次采樣中，判斷是否有2P/3個結果是超差，若是，則事 故發生的可能性評價就是"大"，確認有事故發生。
所述的步驟4包含以下步驟
步驟4.K當判斷有事故發生后，分析處理裝置4在該事故區段上繼續劃 分測量頻譜的譜帶區段N (N=2n， n=2， 3， 4， 5......)，將測量頻譜的幅度
或功率平均值與背景頻譜的幅度或功率平均值進行比較，找出幅度或功率變 化大的區域，依次類推，直到鎖定一個與事故譜相近的"事故"；
歩驟4.2、根據數個探測點頻譜比較后數值的大小，確定事故點離數個探 測點的距離，從而確定事故點的位置。
本發明的優點在于其通過采集管道噪聲來檢測管道狀態，該方法不具 有負壓波檢測方法易受壓力低、溫度變化和輸送物密度影響的缺點；而對于 噪聲影響，本發明僅對于與發生事件強度相當、頻率相近的噪聲敏感，而其 它頻率的噪聲不會對其產生較大影響。
圖1是本發明中所提供的管道振動監測系統的示意圖； 圖2是本發明中管道振動監測裝置的結構示意圖； 圖3是本發明中采集裝置的結構示意圖； 圖4是一個振動頻譜圖的例子。
具體實施例方式
以下根據圖1 圖4具體說明本發明的較佳實施方式
如圖1所示，本發明提供了一種管道振動監測系統，其包括安裝在管道 的各個監控點上的管道振動監測裝置和連接每個管道振動監測裝置的中心控 制裝置。
其中，管道振動監測裝置的結構如圖2所示，其包括探測裝置l、轉換
裝置2、連接裝置3、采集裝置4和分析處理裝置5。
探測裝置l為一探測頭，其設置于管道9的管壁上，用于探測管道的振 動波。
轉換裝置2為一振動薄膜，其連接于探測裝置1的探測頭和連接裝置3 之間，利用聽診器原理，將探測頭測得的振動波轉換成音頻。
連接裝置3為一懸臂，其一端連接轉換裝置2的振動薄膜，另一端連接 采集裝置4，用以在兩者之間傳遞音頻。
采集裝置4的結構如圖3所示，其包括一拾音器41，其一端連接于連接 裝置3的懸臂，另一端連接分析處理裝置5。拾音器41用以拾取音頻信號。 采集裝置4還包括設置于拾音器41與懸臂連接處的一調節器42，用以調節 音頻的放大倍率，適用不同工況下的音頻信號拾取需要。拾音器41與懸臂采 用間的連接采用非金屬軟管軟連接，以減少懸臂徑向機械振動對拾音器41 的影響。拾音器41的另一端連接分析處理裝置5，并在該端外部填充吸音材 料43以隔絕環境聲音的影響。
分析處理裝置5連接于采集裝置4，用以將所獲得的音頻信號轉換成頻 譜，并與預設的同一工況下的背景頻譜相比較，根據兩者的區別，確定該頻 譜是否屬于正常情況。分析處理裝置5與中心控制裝置實現信號連接，用以 實現與中心控制裝置之間的數據交換，從而可以由中心控制裝置設定不同工 況的預設值及向中心控制裝置發出警報。中心控制裝置與管道振動監測裝置中的分析處理裝置信號連接，用以控 制管道振動檢測裝置及進行數據處理或接收由管道振動監測裝置發出的警 報。
由于管道泄漏所造成的擾動是低頻率的，電動工具、手動工具使用的擾
動主頻率一般也在2KHz以下，所以可以將管道振動波轉換成聲頻處理，且 不需要使用昂貴的振動傳感器。
本發明還提供了一種利用上述的管道振動監測系統進行管道振動監測的
方法，該方法具體包含以下步驟 步驟l、建立背景頻譜；
步驟1.1、探測裝置1探測管道上各個探測點在各種工況或正常的氣象狀 態下的振動波，工況包括啟動、正常運行、停機、以及電動工具打孔、切割
或突然泄漏等，氣象應該包括雨天等；
步驟1.2、轉換裝置2將探測到的各個振動波轉換為音頻信號；
步驟1.3、分析處理裝置4將音頻信號轉換成頻譜，形成不同工況及氣候
條件下的背景頻譜；
步驟1.4、將背景頻譜的頻率劃分為N個譜帶區段，N=2n， n為自然數； 步驟1.5、將背景頻譜的振動幅值或功率值按照時間間隔劃分為M個時
間區段，計算每個區段的振幅平均值或功率值，每個平均值作為一個能級，
則共有M個能級；
步驟2、信號采集及預處理；
步驟2.1、中心控制裝置向管道振動監測裝置發出指令，確定即時工況; 步驟2.2、探測裝置1探測管道上各個探測點的振動波； 歩驟2.3、轉換裝置2將各個振動波轉換為音頻信號； 步驟2.4、分析處理裝置4將各音頻信號轉換成頻譜；
步驟3、判定事故性質；
歩驟3.1、劃分測量頻譜的譜帶區段N (N=2n， n為自然數)，為快速鎖 定事故區段，N值將不被定義成固定值；步驟3.2、取n-l，將有效頻率區域一分為二，分成左區段和右區段，算 出左區段、右區段的平均幅值(或平均功率值)F,及R;
步驟3.3、分別將R及Fr與左右區段對應的背景頻譜的幅度或功率平均 值比較，若有超過2個或以上能級的(比如以右區段為例)，就是超差， 就再次在該區段內進行采樣比較；
步驟3.4、在多次信號采集中，比如連續在一個區域里采樣3次，判斷 是否有2/3個結果是超差，若是，則事故發生的可能性評價就是"大"，確 認有事故發生。
步驟4、確定事故點；
步驟4.1、當判斷有事故發生后，分析處理裝置4在該事故區段上繼續劃 分測量頻譜的譜帶區段N (N=2n， n=2， 3， 4， 5......8)，將測量頻譜的幅度
或功率平均值與背景頻譜的幅度或功率平均值進行比較，找出幅度或功率變 化大的區域，依次類推，直到鎖定一個與事故譜相近的"事故"；
通過計算可以看到，對應11=1， 2， 3， 4， 5......， N=2， 4， 8， 16， 32，......
也就是把有效區域劃分成2;然后2的倍數4;然后4的倍數8;......。
一般來說，因為有效頻率區域不是很大(集中于聲頻10—20000Hz)， n 的缺省最大值定在8，即N=256或每個頻段約80Hz，但并不是每次必須計 算到11=8，找出確切故障后即可停止。
第一次N-2，就是把頻段一分為二，找出幅度或功率變化大的區域，
第二次N^4，就是把確認頻段再一分為二，再找出幅度或功率變化大的 區域，依次類推，直到鎖定一個與事件譜相近的"事件"；
步驟4.2、根據數個探測點頻譜比較后數值的大小，確定事故點離數個探 測點的距離，從而確定事故點的位置；
步驟5、報警；
分析處理裝置4向中心控制裝置發出報警信號，并告知事故點的位置。
圖4是一個振動頻譜圖的例子，橫坐標是頻率，縱坐標是振幅。將縱坐 標按照一定間隔分成若干區段，計算每個區段的振幅平均值，這個平均振幅也被分成若干等分， 一個等分叫一個"能級"， 一般這個值在沒有突發事故發 生時在小范圍內變化。當有事故發生時，對應某頻率區段的振幅平均值會發 生超常變化，反復幾次結果相同就可以初步確定有事故發生。
本發明提供的管道振動監測系統及監測方法是通過采集管道上各監測點 的噪聲，將其轉換為音頻并測得其波譜，將其與確定工況下測得的管道各監 測點的背景波譜向比較，分析出管道上的特定點是否屬于事故狀態，并可判 斷出事故位置，隨后發出警報。本發明所提供的系統和方法主要針對于管線 上發生敲擊、鉆孔或大量泄漏等事故。其可單獨用于管道狀態的檢測，也可 結合負壓波測量方法，與負壓波測量裝置聯動，互為驗證和補充，提高檢測 的準確度。
本發明的優點在于其通過采集管道噪聲來檢測管道狀態，該方法不具 有負壓波檢測方法易受壓力低、溫度變化和輸送物密度影響的缺點；而對于 噪聲影響，本發明僅對于與發生事件強度相當、頻率相近的噪聲敏感，而其 它頻率的噪聲不會對其產生較大影響，因為負壓波檢測方法需極力避免噪聲 而本裝置則是利用監測噪聲變化來做出判斷。
權利要求
1.一種管道振動監測系統，其包括多個安裝于管道各監控點上的管道振動監測裝置以及連接上述每個管道振動監測裝置的中心控制裝置，其特征在于，所述的管道振動監測裝置包括順序連接的探測裝置(1)、轉換裝置(2)、連接裝置(3)、采集裝置(4)和分析處理裝置(5)；其中，所述的探測裝置(1)設置于管道(9)的管壁上，所述的分析處理裝置(5)連接所述的中心控制裝置。
2. 如權利要求1所述的管道振動監測系統，其特征在于-所述的探測裝置(1)為探測頭，用于探測管道(9)的振動波； 所述的轉換裝置(2)為振動薄膜，用于將探測裝置(1)測得的振動 波轉換成音頻；所述的連接裝置(3)為懸臂，用于傳遞音頻。
3. 如權利要求1所述的管道振動監測系統，其特征在于:所述的采集裝置(4)包括拾音器(41)，其一端連接于所述的連接裝置(3)，另一端連接分析 處理裝置(5)，用以拾取音頻信號；調節器(42)，其設置于拾音器(41)與連接裝置(3)的連接處，用以調節音頻的放大倍率；吸音材料(43)，填充于所述的拾音器(41)連接分析處理裝置(5) 的一端的外部，用以隔絕環境聲音的影響。
4. 如權利要求3所述的管道振動監測系統，其特征在于所述的拾音器(41) 與連接裝置(3)間采用非金屬軟管軟連接，以減少連接裝置(3)徑向機 械振動對拾音器(41)的影響。
5. —種管道振動監測方法，其特征在于，包含以下步驟步驟l、建立背景頻譜；步驟2、信號采集及預處理；步驟3、判定事故性質；步驟4、確定事故點；步驟5、報警并告知事故點的位置。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步驟1包含以下步驟步驟1.1、探測裝置(1)探測管道上各個探測點在各種工況或正常的 氣象狀態下的振動波，工況包括啟動、正常運行、停機、以及電動工具打 孑L、切割或突然泄漏等，氣象應該包括雨天等；步驟1.2、轉換裝置(2)將探測到的各個振動波轉換為音頻信號；步驟1.3、分析處理裝置(4)將音頻信號轉換成頻譜，形成不同工況 及氣候條件下的背景頻譜；步驟1.4、將背景頻譜的頻率劃分為N個譜帶區段，N=2n， n為自然數；步驟1.5、將背景頻譜的振動幅值或功率值按照時間間隔劃分為M個 時間區段，計算每個區段的振幅平均值或功率值，每個平均值作為一個能 級，則共有M個能級。
7. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步驟2包含以下步驟步驟2.1、中心控制裝置向管道振動監測裝置發出指令，確定即時工況；步驟2.2、探測裝置(1)探測管道上各個探測點的振動波； 步驟2.3、轉換裝置(2)將各個振動波轉換為音頻信號； 步驟2.4、分析處理裝置(4)將各音頻信號轉換成頻譜。
8. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步驟3包含以下步驟步驟3.1、劃分測量頻譜的譜帶區段N (N=2n， n為自然數)，為快速 鎖定事故區段，N值將不被定義成固定值；步驟3.2、取!1=1，將有效頻率區域一分為二，分成左區段和右區段， 算出左區段、右區段的平均幅值(或平均功率值)R及Fr;步驟3.3、分別將F!及R與左右區段對應的背景頻譜的幅度或功率平 均值比較，若有超過2個或以上能級的(比如以右區段為例)，就再次 在該區段內進行采樣比較；步驟3.4、在P次采樣中，判斷是否有2P/3個結果是超差，若是，則 事故發生的可能性評價就是"大"，確認有事故發生。
9.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步驟4包含以下步驟步驟4.1、當判斷有事故發生后，分析處理裝置4在該事故區段上繼 續劃分測量頻譜的譜帶區段N (N=2n, n=2， 3， 4， 5......)，將測量頻譜的幅度或功率平均值與背景頻譜的幅度或功率平均值進行比較，找出幅度 或功率變化大的區域，依次類推，直到鎖定一個與事故譜相近的"事故";步驟4.2、根據數個探測點頻譜比較后數值的大小，確定事故點離數 個探測點的距離，從而確定事故點的位置。
全文摘要
本發明提供一種管道振動監測系統及方法，管道振動監測系統包括多個安裝于管道各監控點上的管道振動監測裝以及連接每個管道振動監測裝置的中心控制裝置。管道振動監測裝置包括順序連接的探測裝置、轉換裝置、連接裝置、采集裝置和分析處理裝置。檢測方法的步驟為建立背景頻譜；采集信號及處理；確定事件性質；確定事故點；報警。本發明的優點在于其通過采集管道噪聲來檢測管道狀態，該方法不具有負壓波檢測方法易受壓力低、溫度變化和輸送物密度影響的缺點；而對于噪聲影響，僅對于與發生事件強度相當、頻率相近的噪聲敏感，而其它頻率的噪聲不會對其產生較大影響。
文檔編號F17D5/06GK101603630SQ20091015846
公開日2009年12月16日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年5月8日
發明者毛育晨 申請人:上海能信石油科技服務有限公司