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(qū)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(shù)：

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(chǔ)設(shè)施，其安全性和穩(wěn)定性對于保障能源供應(yīng)、維護海洋環(huán)境具有至關(guān)重要的意義。由于海洋環(huán)境的復(fù)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(chǎn)生較大的加工殘余應(yīng)力及塑性變形，嚴(yán)重降低管道的抗拉伸及抗內(nèi)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(dǎo)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(yù)防和預(yù)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(shù)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(qū)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(shù)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(shù)方案：

3、一種數(shù)字孿生驅(qū)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(biāo)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(yù)設(shè)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(yīng)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(yīng)變傳感器和所述流量傳感器沿管道延伸方向均勻間隔設(shè)置在管道上，且每兩個壓力傳感器和每個應(yīng)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(yīng)變傳感器沿管道延伸方向交錯設(shè)置，位于管道的同一橫截面上的兩個壓力傳感器分別設(shè)置在管道內(nèi)壁和管道外壁，應(yīng)變傳感器設(shè)置在管道外壁，流量傳感器設(shè)置在管道內(nèi)壁，所述換能器的數(shù)量至少為三個且設(shè)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(guān)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(yīng)力應(yīng)變曲線，或者，根據(jù)彈塑性特征模型計算管材應(yīng)力應(yīng)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(xué)表達(dá)式計算管材應(yīng)力應(yīng)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(yīng)變；σture為管材真實應(yīng)力；n和r為模型參數(shù)。

18、作為優(yōu)選，所述管道幾何應(yīng)變的仿真計算包括：

19、管道外側(cè)受拉伸長量通過以下數(shù)學(xué)表達(dá)式計算：

20、△ib＝i2-i1

21、

22、i1＝βi0

23、管道單位長度的應(yīng)變通過以下數(shù)學(xué)表達(dá)式計算：

24、

25、管道外側(cè)拉應(yīng)力通過以下數(shù)學(xué)表達(dá)式計算：

26、

27、管道彈性范圍內(nèi)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(nèi)緣至圓心的直線距離，σb2表示軸向拉應(yīng)力，e表示彈性模量，[σ]表示許用應(yīng)力。

30、作為優(yōu)選，所述計算聲發(fā)射源的位置坐標(biāo)包括：

31、獲取聲音信號到達(dá)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(dá)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(biāo)系并確定第一條雙曲線，計算聲音信號到達(dá)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(biāo)即為聲發(fā)射源的位置坐標(biāo)。

32、與現(xiàn)有技術(shù)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(qū)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(yīng)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(zhǔn)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(yù)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(zhǔn)確性和及時性；

34、本發(fā)明采用兩種方法結(jié)合的方式對管道泄露進行精準(zhǔn)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(zhǔn)確的確定管道泄露位置。

技術(shù)特征：

1.一種數(shù)字孿生驅(qū)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(quán)利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅(qū)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(yīng)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(yīng)變傳感器和所述流量傳感器沿管道延伸方向均勻間隔設(shè)置在管道上，且每兩個壓力傳感器和每個應(yīng)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(yīng)變傳感器沿管道延伸方向交錯設(shè)置，位于管道的同一橫截面上的兩個壓力傳感器分別設(shè)置在管道內(nèi)壁和管道外壁，應(yīng)變傳感器設(shè)置在管道外壁，流量傳感器設(shè)置在管道內(nèi)壁，所述換能器的數(shù)量至少為三個且設(shè)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(quán)利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅(qū)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(quán)利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅(qū)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(yīng)力應(yīng)變曲線，或者，根據(jù)彈塑性特征模型計算管材應(yīng)力應(yīng)變曲線。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種數(shù)字孿生驅(qū)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(xué)表達(dá)式計算管材應(yīng)力應(yīng)變曲線：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅(qū)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(yīng)變的仿真計算包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字孿生驅(qū)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(biāo)包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種數(shù)字孿生驅(qū)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(zhuǎn)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(biāo)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(yù)設(shè)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(zhǔn)確性和及時性，且可更加準(zhǔn)確的確定管道泄露位置。

技術(shù)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(shù)使用者：浙江理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21