基于超聲導(dǎo)波的管道損傷監(jiān)測(cè)云系統(tǒng)

，，，，，

(1.浙江大學(xué) 數(shù)字技術(shù)與儀器研究所，杭州 310027；2. 浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；3.杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，杭州 311121)

管道在能源運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，管道健康的維護(hù)也變得日益重要。隨著部分在役管道服役年限的增加，其常出現(xiàn)損耗的情況。一旦管道發(fā)生事故，將對(duì)公共生命和財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失，后果不堪設(shè)想。但是由于管道系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，逐點(diǎn)檢測(cè)的傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)既費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，實(shí)施難度也較大，往往存在盲目開(kāi)挖、盲目報(bào)廢，維護(hù)保養(yǎng)缺乏科學(xué)性等問(wèn)題，而造成人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。故，如何通過(guò)一種有效、經(jīng)濟(jì)的手段，實(shí)時(shí)獲取在役管道的健康狀況成為技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向。

超聲導(dǎo)波作為一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以其單點(diǎn)激勵(lì)、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、檢測(cè)效率高等優(yōu)勢(shì)成功應(yīng)用于在役管道的檢測(cè)中[1-2]。但實(shí)際應(yīng)用中各種復(fù)雜工況，比如彎頭、埋地、螺旋焊管等會(huì)使得導(dǎo)波的回波信號(hào)比較復(fù)雜，且導(dǎo)波損傷散射波通常會(huì)被各種結(jié)構(gòu)組件或邊界的散射信號(hào)淹沒(méi)[3]，而給腐蝕信號(hào)的判斷帶來(lái)較大難度。

從提高信號(hào)的準(zhǔn)確性和降低檢測(cè)成本的角度出發(fā)[4]，監(jiān)測(cè)應(yīng)該是一種很好的替代檢測(cè)的方式。將合適的算法運(yùn)用于導(dǎo)波監(jiān)測(cè)中，除了能提高信號(hào)的判斷能力外，還可大大降低檢測(cè)成本。一個(gè)埋地管道的檢測(cè)從開(kāi)挖、檢測(cè)到覆土還原，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，如果采用監(jiān)測(cè)的手段，可以一次性安裝，永久得到管道健康狀況數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的高效工作方式，極大減小了管道的安全隱患[5-6]。

為此，筆者引入一種監(jiān)測(cè)算法，結(jié)合云技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析發(fā)展出一套超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，采用超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)的方式來(lái)解決復(fù)雜工況造成缺陷信號(hào)被淹沒(méi)而導(dǎo)致漏檢的問(wèn)題。超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)儀器終端周期性采集管道信息傳到云服務(wù)器，結(jié)合云存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)智能識(shí)別算法，將當(dāng)前采集信號(hào)與管道歷史信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)逐漸生長(zhǎng)的缺陷且監(jiān)視已知缺陷的發(fā)展，從而實(shí)時(shí)掌握被監(jiān)測(cè)管線的整體健康情況，做到及時(shí)報(bào)警，及時(shí)搶修，將損失降到最低。

1 差值分析算法

處于復(fù)雜工況下的管道，在檢測(cè)過(guò)程中的微小缺陷信號(hào)會(huì)被復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特征回波淹沒(méi)而造成漏檢，針對(duì)這種導(dǎo)波信號(hào)時(shí)域上的復(fù)雜性，目前被廣泛關(guān)注的一種有效監(jiān)測(cè)算法是差值分析算法[7-8]。筆者將著重介紹此算法原理，并將其用于導(dǎo)波監(jiān)測(cè)。

由于管道自身固有的結(jié)構(gòu)特征是不變的，差值分析算法以生長(zhǎng)型缺陷特征為變化量[9]，預(yù)先建立健康管道的參考信號(hào)庫(kù)，將后期采集的測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)作差，以消除管道固有特征回波信號(hào)，保留生長(zhǎng)型缺陷特征，并以作差后的剩余信號(hào)來(lái)判斷缺陷是否存在。

其原理是通過(guò)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的幅值作差，故其對(duì)信號(hào)幅值和溫度變化引起的時(shí)移變化敏感，因而在對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行差值分析前需做一定的預(yù)處理。

1.1 監(jiān)測(cè)信號(hào)預(yù)處理

導(dǎo)波儀器激發(fā)信號(hào)的幅值存在一定的波動(dòng)，會(huì)引入直流成分，使信號(hào)均值產(chǎn)生漂移，而造成采集信號(hào)幅值存在一定的變化[10]。根據(jù)這種情況，分別設(shè)計(jì)去直流和幅值歸一化算法，以消除幅值波動(dòng)對(duì)導(dǎo)波監(jiān)測(cè)的影響。

儀器不穩(wěn)定的情況下，參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)可分別表示為

(1)

式中：a表示能量變化；b表示信號(hào)產(chǎn)生的幅值偏移；x(n)表示零均值的系統(tǒng)輸入信號(hào)；y0(n)表示參考信號(hào)；y1(n)表示測(cè)量信號(hào)。

由于x(n)為系統(tǒng)輸入信號(hào)，用的是帶漢寧窗的正弦信號(hào)，理想情況為零均值，故

(2)

(3)

(4)

基于參考信號(hào)的能量歸一化，測(cè)量信號(hào)的能量歸一化為

(5)

1.2 時(shí)域差值算法

差值分析方法有多種不同實(shí)現(xiàn)方式，其中較為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)是時(shí)域差值算法，其原理是在時(shí)域上將采樣信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行作差而獲得差值信號(hào)。在監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析前已經(jīng)通過(guò)預(yù)處理去除了幅值波動(dòng)的影響，所以只需考慮溫度對(duì)時(shí)域差值精度的影響。

選取經(jīng)漢寧窗調(diào)制的脈沖s(t)作為導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)源，則激勵(lì)信號(hào)可以表示為

s(t)=μ0ω(t)sin(2πft)

(6)

(7)

式中：μ0為脈沖幅度；f為中心頻率；ω(t)為漢寧窗函數(shù)。

假設(shè)t0時(shí)刻獲得一個(gè)參考信號(hào)s0(t)，由于存在溫度變化δT，對(duì)信號(hào)造成的時(shí)域偏移設(shè)為δt，則對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)記為s1(t)，做相減運(yùn)算可以得到

(8)

式中：λ為特征結(jié)構(gòu)回波的反射系數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用中，常會(huì)根據(jù)不同溫度情況建立相對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)庫(kù)，以盡量降低溫度的影響。通常情況下，可認(rèn)為時(shí)移量δt小于單個(gè)周期的脈沖寬度，其引起的最大噪聲為

εRF=|RFnoise|max=2λμ0πfδt

(9)

(10)

α為結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)，則δd/δT=αd。記δv/δT=κ，其表示導(dǎo)波速度隨溫度變化的系數(shù)。將α和κ代入式(10)，得到

(11)

將式(11)代入式(9)，進(jìn)一步得到

(12)

式中：下標(biāo)ph表示導(dǎo)波的相速度。

根據(jù)式(12)可得到時(shí)域差值噪聲和信號(hào)幅值的比值βRF

(13)

根據(jù)式(13)，可推出在一定溫度范圍內(nèi)，時(shí)域差值算法噪聲與溫度變化成正相關(guān)關(guān)系，且與距離正相關(guān)，即遠(yuǎn)距離的回波信號(hào)具有更大的噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中可以計(jì)算得出βRF，作為判斷缺陷是否存在的閾值。經(jīng)過(guò)時(shí)域差值計(jì)算后，如出現(xiàn)大于閾值的局部信號(hào)量，可認(rèn)為有疑似缺陷存在。利用此差值算法，當(dāng)管道存在缺陷時(shí)，能及時(shí)提取出被結(jié)構(gòu)組件或邊界的散射信號(hào)淹沒(méi)的缺陷信號(hào)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)云平臺(tái)是杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司鑒于現(xiàn)在管道監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)云平臺(tái)軟件的迫切需求，專(zhuān)門(mén)組織團(tuán)隊(duì)對(duì)B/S架構(gòu)的監(jiān)測(cè)云平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，包括數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交互客戶端等，并且針對(duì)管道監(jiān)測(cè)、斷軌監(jiān)測(cè)及電力線監(jiān)測(cè)，在考慮各應(yīng)用場(chǎng)景的平臺(tái)通用的前提下，分別開(kāi)發(fā)了不同的應(yīng)用接口與前、后端軟件系統(tǒng)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)換能器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器以及缺陷判別軟件系統(tǒng)。超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)換能器是關(guān)鍵的傳感終端，是導(dǎo)波技術(shù)的核心與難點(diǎn)，該系統(tǒng)以杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)的監(jiān)測(cè)換能器為核心，經(jīng)過(guò)近幾年的不斷改進(jìn)完善，已經(jīng)具備現(xiàn)場(chǎng)安裝使用的條件。

監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)正常、可靠運(yùn)行的保證。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)，整個(gè)架構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)測(cè)換能器序列號(hào)可自動(dòng)匹配，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有唯一的身份標(biāo)識(shí)，GPS位置數(shù)據(jù)等信息并通過(guò)地圖進(jìn)行實(shí)際物理位置的關(guān)聯(lián)。終端周期性采集管道健康狀況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器。服務(wù)端集成缺陷自動(dòng)判別系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析管道信號(hào)并給出管道健康狀況。通過(guò)可適應(yīng)PC及移動(dòng)端瀏覽器的可視化模塊，直觀詳細(xì)地顯示報(bào)警信息和回波數(shù)據(jù)，還可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)唯一的標(biāo)號(hào)進(jìn)行管道歷史數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)的查閱。

服務(wù)端通過(guò)終端上傳的溫度等環(huán)境信息，可自動(dòng)調(diào)整服務(wù)端缺陷判定閾值的設(shè)定，根據(jù)溫度自動(dòng)更新用于差值分析的參考信號(hào)庫(kù)。將調(diào)整過(guò)的信號(hào)與參考信號(hào)作差值可以得到差值信號(hào)值，一旦某位置差值超過(guò)了設(shè)定的報(bào)警閾值，則自動(dòng)進(jìn)行重新采樣，如果重采樣的結(jié)果依然超出閾值，則進(jìn)行報(bào)警提示，并在地圖上用紅色標(biāo)記出該監(jiān)測(cè)點(diǎn)，彈出報(bào)警提示框。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

將研發(fā)的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)云平臺(tái)部署上線，并搭建管道缺陷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)模擬缺陷的形成過(guò)程，以確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果及其性能。超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用杭州浙達(dá)精益自主研發(fā)的監(jiān)測(cè)換能器和MSGW導(dǎo)波儀終端為硬件基礎(chǔ)，自主研發(fā)的云平臺(tái)為技術(shù)支持。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物與安裝情況如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)物與安裝圖

試驗(yàn)時(shí)，將導(dǎo)波監(jiān)測(cè)換能器固定在監(jiān)測(cè)試驗(yàn)管道上，連接MSGW導(dǎo)波儀終端，設(shè)置監(jiān)測(cè)采樣時(shí)間周期為30 s，獲取一定噪聲范圍內(nèi)的管道信號(hào)作為參考信號(hào)，并將參考信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，即對(duì)應(yīng)無(wú)缺陷的管道信號(hào)。

根據(jù)理論分析得出在一定溫度范圍內(nèi)，時(shí)域差值算法噪聲與溫度變化成正相關(guān)關(guān)系，且與距離正相關(guān)，即遠(yuǎn)距離的回波信號(hào)具有更大的噪聲。在實(shí)施監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，監(jiān)測(cè)云平臺(tái)具有自動(dòng)更新參考信號(hào)庫(kù)和缺陷判斷閾值的能力。監(jiān)測(cè)云平臺(tái)根據(jù)溫度傳感器反饋的信息和預(yù)設(shè)的監(jiān)測(cè)距離，實(shí)時(shí)更新缺陷判斷閾值，最大限度減小溫度對(duì)時(shí)域差值算法準(zhǔn)確度的影響。

由于實(shí)際的管道缺陷的形成是個(gè)緩慢的過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程中又難以提供實(shí)際的腐蝕條件，且受時(shí)間的限制，筆者在試驗(yàn)中采用引入抱箍作為缺陷的方式來(lái)模擬管道的實(shí)際腐蝕過(guò)程。引入抱箍后，導(dǎo)波儀終端繼續(xù)以30 s的周期采集管道健康狀況數(shù)據(jù)并發(fā)送到云端存儲(chǔ)，服務(wù)端通過(guò)上文分析的差值算法對(duì)采樣信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行分析處理，給出此時(shí)管道的健康狀況。

采集的管道數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳輸至服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、預(yù)警。在PC端或者無(wú)線端打開(kāi)瀏覽器可以查詢到實(shí)際的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息和對(duì)應(yīng)的管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。Web監(jiān)測(cè)云平臺(tái)界面示例如圖3所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPS經(jīng)緯度信息與地圖關(guān)聯(lián)，直觀顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的物理位置信息，并且以不同的顏色表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同運(yùn)行狀態(tài)，綠色表示處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)，黑色表示暫停監(jiān)測(cè)，紅色表明此監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)缺陷報(bào)警狀態(tài)。

圖3 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)界面

單擊監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，可以自動(dòng)顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集參數(shù)和對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖4所示為無(wú)缺陷情況下的監(jiān)測(cè)云平臺(tái)顯示界面，可以看到導(dǎo)波監(jiān)測(cè)參考信號(hào)和當(dāng)前采集信號(hào)的波形圖基本吻合，差值圖的幅值都在0.3 V以下，并且服務(wù)端缺陷自動(dòng)判別系統(tǒng)反饋的信息為“監(jiān)測(cè)正?！?。

圖4 管道監(jiān)測(cè)正常圖

圖5 管道監(jiān)測(cè)異常圖

引入抱箍模擬的缺陷后，導(dǎo)波信號(hào)幅值會(huì)發(fā)生局部變化，服務(wù)端缺陷自動(dòng)判別系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到有缺陷后，反饋的信息為“缺陷報(bào)警”，瀏覽器端頁(yè)面自動(dòng)刷新為圖5狀態(tài)，可看到參考信號(hào)和當(dāng)前信號(hào)出現(xiàn)了大的差異，且差值圖最大幅值超過(guò)了2 V。

通過(guò)監(jiān)測(cè)云平臺(tái)的趨勢(shì)分析功能(見(jiàn)圖6)，可以明顯地看到在引入缺陷的時(shí)間點(diǎn)前后，導(dǎo)波監(jiān)測(cè)波形的幅值信息呈現(xiàn)出一個(gè)階躍的變化，這與服務(wù)端給出的圖5，6的反饋信息相吻合。即，通過(guò)監(jiān)測(cè)云平臺(tái)可得出管道的結(jié)構(gòu)健康狀況，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)算法和監(jiān)測(cè)平臺(tái)的可行性和有效性。

圖6 管道的監(jiān)測(cè)趨勢(shì)圖

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

管道腐蝕導(dǎo)波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已先后在中石化的江蘇、寧波，中石油的新疆等地建立試點(diǎn)，試點(diǎn)數(shù)量達(dá) 52個(gè)，分別應(yīng)用于煉化企業(yè)、站場(chǎng)工藝管道、石油運(yùn)輸管道等多個(gè)場(chǎng)合。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)亦成功安裝于新疆塔中油田，現(xiàn)場(chǎng)管道為埋地管道，帶有保溫層與防腐層，管道直徑為323.9 mm，圖7所示為系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖。安裝時(shí)，首先挖開(kāi)管道周邊泥土，去除保溫層和防腐層，完成監(jiān)測(cè)換能器的安裝后，恢復(fù)保溫層和防腐層，回填泥土，并且安裝換能器監(jiān)測(cè)樁。

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在新疆塔中油田的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

完成現(xiàn)場(chǎng)安裝后，設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采樣周期、報(bào)警數(shù)值1 V等，并且此參數(shù)在線可調(diào)，對(duì)工況良好的管道可設(shè)置較長(zhǎng)采樣周期，減少系統(tǒng)資源消耗；處于環(huán)境惡劣工況下的管道，設(shè)置短周期，以利于實(shí)時(shí)管控。通過(guò)瀏覽器獲取系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的差值分析和趨勢(shì)分析，定期檢查監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖8為部分時(shí)間段的監(jiān)測(cè)信號(hào)趨勢(shì)圖，可以看到監(jiān)測(cè)信號(hào)在許可范圍內(nèi)波動(dòng)，未出現(xiàn)階躍跳變，也未出現(xiàn)幅值逐漸上升的情況，可以得出此油田埋地管道健康狀況良好，無(wú)缺陷出現(xiàn)的結(jié)論。若趨勢(shì)圖呈現(xiàn)圖6所示的階躍狀況，該導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)給出缺陷報(bào)警信息，做到及時(shí)報(bào)警、及時(shí)維修，將損失降到最低。

圖8 新疆塔中油田管道的部分監(jiān)測(cè)信號(hào)圖

3 結(jié)論

針對(duì)實(shí)際復(fù)雜工況中，導(dǎo)波損傷散射波通常被各種結(jié)構(gòu)組件或邊界的散射信號(hào)淹沒(méi)造成漏檢的問(wèn)題，提出了監(jiān)測(cè)信號(hào)預(yù)處理方法，該方法可以有效地去除儀器不穩(wěn)定和管道結(jié)構(gòu)等因素對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行修正，提高系統(tǒng)判別缺陷的準(zhǔn)確性。

開(kāi)展了時(shí)域差值算法的理論研究，分析了算法的具體原理，引入了時(shí)間維度，在時(shí)間上進(jìn)行兩個(gè)信號(hào)的差值比較，從而提取出缺陷特征，指出其用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺陷分析的可行性。

搭建了一套超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)基于自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道生長(zhǎng)型缺陷的自動(dòng)識(shí)別與提取，能大大減少人工對(duì)信號(hào)解讀的難度，為整個(gè)管網(wǎng)的健康狀態(tài)提供了有價(jià)值的參考。結(jié)合云存儲(chǔ)、數(shù)字分析等手段成功將監(jiān)測(cè)云平臺(tái)上線運(yùn)行，監(jiān)測(cè)客戶端可為用戶提供友好的可視化界面，用戶不僅可以接受預(yù)警信息，還可以查看權(quán)限內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。通過(guò)模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)算法和監(jiān)測(cè)平臺(tái)的可行性和有效性，系統(tǒng)不僅可以對(duì)現(xiàn)有的管道狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，也可以對(duì)其歷史狀態(tài)進(jìn)行分析對(duì)比，獲取管道腐蝕缺陷的生長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)測(cè)管道的剩余使用壽命，從而提高對(duì)管道健康狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確度。