本發(fā)明涉及一種管道監(jiān)測及其泄露識別系統(tǒng)，具體涉及一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，屬于管道在線監(jiān)測。

背景技術：

1、管道輸送是物料輸送的一種重要方式。隨著海洋油氣開發(fā)的不斷深入，海洋油氣管道作為海上能源輸送的重要基礎設施，其安全性和穩(wěn)定性對于保障能源供應、維護海洋環(huán)境具有至關重要的意義。由于海洋環(huán)境的復雜性和惡劣性，油氣管道在運行過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，柔性管道鎧裝層在成型過程中極易出現(xiàn)回彈、扭曲、屈曲等現(xiàn)象，并產生較大的加工殘余應力及塑性變形，嚴重降低管道的抗拉伸及抗內外壓性能，并且海洋油氣管道長期暴露于外界環(huán)境中，會受到腐蝕、磨損、外力損傷等影響，這些都可能導致管道泄漏事故的發(fā)生。

2、傳統(tǒng)的海洋油氣管道在線監(jiān)測以及泄漏識別的方法主要依賴于人工巡檢和傳感器監(jiān)測。人工巡檢雖然直觀，但受限于巡檢周期和人力成本，難以及時發(fā)現(xiàn)和處理泄漏事故。傳感器監(jiān)測雖然可以實現(xiàn)實時監(jiān)測，但受限于傳感器的布置密度和精度，往往存在漏報和誤報的問題?，F(xiàn)有的泄露識別系統(tǒng)往往只能實現(xiàn)泄露發(fā)生后的定位和處理，而對于泄露的預防和預警能力較弱。并且，現(xiàn)有的泄露識別系統(tǒng)對于管道泄露部位的定位精度也有待改善。

技術實現(xiàn)思路

1、基于以上背景，本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，解決背景技術中所述的問題。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術方案：

3、一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉換模塊、實時通訊模塊和數(shù)字孿生模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于實時采集管道壓力數(shù)據(jù)、應變數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)，以及實時采集管道聲音信號和震動信號；所述數(shù)據(jù)轉換模塊用于將所述數(shù)據(jù)收集模塊采集的數(shù)據(jù)格式轉換為能夠被數(shù)字孿生模塊識別利用的數(shù)據(jù)格式；所述實時通訊模塊用于進行所述數(shù)據(jù)采集模塊、所述數(shù)據(jù)轉換模塊和所述數(shù)字孿生模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸；所述數(shù)字孿生模塊用于采集物理模型參數(shù)、創(chuàng)建管道模擬模型、對管道模擬模型進行網(wǎng)格劃分、采用數(shù)值分析軟件進行管道幾何應變的仿真計算、根據(jù)仿真計算對管道異常形變屈曲進行實時監(jiān)測和對管道進行泄露識別；

4、其中，所述對管道進行泄露識別的方法包括：根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集的聲音信號和震動信號判定管道中是否存在異常震動，若存在異常震動則計算聲發(fā)射源的位置坐標以確定管道泄露部位；計算數(shù)據(jù)采集模塊采集的管道各相鄰區(qū)段之間的流量差，若所述流量差超過預設閾值，判定其所在區(qū)段為異常區(qū)段以確定管道泄露部位。

5、作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括壓力傳感器、應變傳感器、流量傳感器、換能器和前置放大器，所述壓力傳感器、所述應變傳感器和所述流量傳感器沿管道延伸方向均勻間隔設置在管道上，且每兩個壓力傳感器和每個應變傳感器位于管道的同一橫截面上，每個流量傳感器與每個應變傳感器沿管道延伸方向交錯設置，位于管道的同一橫截面上的兩個壓力傳感器分別設置在管道內壁和管道外壁，應變傳感器設置在管道外壁，流量傳感器設置在管道內壁，所述換能器的數(shù)量至少為三個且設置在管道的不同位置，所述前置放大器的數(shù)量匹配于換能器的數(shù)量，且每個換能器與一個前置放大器電性連接。

6、作為優(yōu)選，所述采集物理模型參數(shù)包括：

7、采用imu檢測方法對管道中心線進行定位，獲得管道姿態(tài)離散數(shù)據(jù)，通過插值算法獲取連續(xù)規(guī)則的管道空間位置曲線；

8、所述插值算法包括：

9、給定[a,b]上n+1個節(jié)點a＝x0<x1<…<xn-1<xn＝b以及這些點上的函數(shù)值，若函數(shù)f(xi)＝y(tǒng)i(i＝0,1,…,n)滿足：

10、條件一、在每個小區(qū)間上是一個次數(shù)不超過三次的多項式；

11、條件二、s(xi)＝y(tǒng)i,i＝0,1,2,…,n；

12、條件三、s(x)、s'(x)、s”(x)在[a,b]上都連續(xù)；

13、則s(x)即為函數(shù)f(x)關于節(jié)點s(x)、s'(x)、s”(x)的三次樣條函數(shù)。

14、作為優(yōu)選，所述創(chuàng)建管道模擬模型時，管材模型采用以下方法描述，采用拉伸試驗機進行管材拉伸試驗測得的真實應力應變曲線，或者，根據(jù)彈塑性特征模型計算管材應力應變曲線。

15、作為優(yōu)選，所述彈塑性特征模型采用以下數(shù)學表達式計算管材應力應變曲線：

16、

17、式中，e為彈性模量；σs為屈服強度；εture為管材真實應變；σture為管材真實應力；n和r為模型參數(shù)。

18、作為優(yōu)選，所述管道幾何應變的仿真計算包括：

19、管道外側受拉伸長量通過以下數(shù)學表達式計算：

20、△ib＝i2-i1

21、

22、i1＝βi0

23、管道單位長度的應變通過以下數(shù)學表達式計算：

24、

25、管道外側拉應力通過以下數(shù)學表達式計算：

26、

27、管道彈性范圍內管道的最小允許彎曲半徑為：

28、rmin＝ed0/2[σ]

29、式中，δib表示彎曲管段外緣最大變形量，β表示管曲中心角，r表示彎曲半徑，d0表示管外徑，i0表示管內緣至圓心的直線距離，σb2表示軸向拉應力，e表示彈性模量，[σ]表示許用應力。

30、作為優(yōu)選，所述計算聲發(fā)射源的位置坐標包括：

31、獲取聲音信號到達第一位置、第二位置和第三位置的時間值，計算聲音信號到達第一位置和第二位置的時間差，以第一位置和第二位置作為第一條雙曲線的焦點而建立坐標系并確定第一條雙曲線，計算聲音信號到達第二位置和第三位置的時間差，確定第二條雙曲線，兩條雙曲線的交點坐標即為聲發(fā)射源的位置坐標。

32、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

33、本發(fā)明的一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，不僅采集管道壓力數(shù)據(jù)、應變數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，還引入管道聲音信號和震動信號等新型數(shù)據(jù)，綜合利用上述多源數(shù)據(jù)更為全面準確的反映管道實際狀態(tài)，通過引入數(shù)字孿生模塊根據(jù)上述多源數(shù)據(jù)仿真分析預測管道的異常行為，提高管道異常形變屈曲的實時監(jiān)測的準確性和及時性；

34、本發(fā)明采用兩種方法結合的方式對管道泄露進行精準識別及定位，一方面通過聲音信號和震動信號判定異常震動并確定聲發(fā)射源位置，另一方面通過異常流量差判定異常區(qū)段，兩種方法相互印證，可更加準確的確定管道泄露位置。

技術特征：

1.一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉換模塊、實時通訊模塊和數(shù)字孿生模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于實時采集管道壓力數(shù)據(jù)、應變數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)，以及實時采集管道聲音信號和震動信號；所述數(shù)據(jù)轉換模塊用于將所述數(shù)據(jù)收集模塊采集的數(shù)據(jù)格式轉換為能夠被數(shù)字孿生模塊識別利用的數(shù)據(jù)格式；所述實時通訊模塊用于進行所述數(shù)據(jù)采集模塊、所述數(shù)據(jù)轉換模塊和所述數(shù)字孿生模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸；所述數(shù)字孿生模塊用于采集物理模型參數(shù)、創(chuàng)建管道模擬模型、對管道模擬模型進行網(wǎng)格劃分、采用數(shù)值分析軟件進行管道幾何應變的仿真計算、根據(jù)仿真計算對管道異常形變屈曲進行實時監(jiān)測和對管道進行泄露識別；

2.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集模塊包括壓力傳感器、應變傳感器、流量傳感器、換能器和前置放大器，所述壓力傳感器、所述應變傳感器和所述流量傳感器沿管道延伸方向均勻間隔設置在管道上，且每兩個壓力傳感器和每個應變傳感器位于管道的同一橫截面上，每個流量傳感器與每個應變傳感器沿管道延伸方向交錯設置，位于管道的同一橫截面上的兩個壓力傳感器分別設置在管道內壁和管道外壁，應變傳感器設置在管道外壁，流量傳感器設置在管道內壁，所述換能器的數(shù)量至少為三個且設置在管道的不同位置，所述前置放大器的數(shù)量匹配于換能器的數(shù)量，且每個換能器與一個前置放大器電性連接。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，其特征在于：所述采集物理模型參數(shù)包括：

4.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，其特征在于：所述創(chuàng)建管道模擬模型時，管材模型采用以下方法描述，采用拉伸試驗機進行管材拉伸試驗測得的真實應力應變曲線，或者，根據(jù)彈塑性特征模型計算管材應力應變曲線。

5.根據(jù)權利要求4所述的一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，其特征在于：所述彈塑性特征模型采用以下數(shù)學表達式計算管材應力應變曲線：

6.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，其特征在于：所述管道幾何應變的仿真計算包括：

7.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，其特征在于：所述計算聲發(fā)射源的位置坐標包括：

技術總結
本發(fā)明提供一種數(shù)字孿生驅動的管道異常形變屈曲監(jiān)測及其泄漏識別系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉換模塊、實時通訊模塊和數(shù)字孿生模塊；數(shù)字孿生模塊用于根據(jù)仿真計算對管道異常形變屈曲進行實時監(jiān)測和對管道進行泄露識別；對管道進行泄露識別的方法包括：根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集的聲音信號和震動信號判定管道中是否存在異常震動，若存在異常震動則計算聲發(fā)射源的位置坐標以確定管道泄露部位；計算數(shù)據(jù)采集模塊采集的管道各相鄰區(qū)段之間的流量差，若流量差超過預設閾值，判定其所在區(qū)段為異常區(qū)段以確定管道泄露部位。本發(fā)明提高管道異常形變屈曲的實時監(jiān)測的準確性和及時性，且可更加準確的確定管道泄露位置。

技術研發(fā)人員：張一鳴,聞敏杰,韓峰,顧曉強,高之然,丁盼
受保護的技術使用者：浙江理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21