管道狀態(tài)的檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供一種管道狀態(tài)的檢測裝置及檢測方法。該檢測裝置包括：激光器，用于發(fā)射激光脈沖；太赫茲波檢測探頭，環(huán)繞管道設(shè)置，通過第一光纖傳輸裝置與激光器連接，用于接收由激光器發(fā)射的激光脈沖以生成并向管道的外周壁發(fā)射太赫茲波，并且接收反射的太赫茲波；分析裝置，通過第二光纖傳輸裝置與太赫茲波檢測探頭連接，用于接收并分析從太赫茲波檢測探頭傳輸來的反射太赫茲波，以獲得管道的狀態(tài)信息。根據(jù)本發(fā)明實施例，可以對管道泄漏點進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，并對泄漏點的穿孔深度、位置、大小進(jìn)行精確的檢測。另外，本發(fā)明實施例采用光纖傳輸，增強(qiáng)了現(xiàn)場適應(yīng)能力，使得管道泄漏的檢測更加可靠，并能抵抗各種惡劣環(huán)境的干擾。
【專利說明】管道狀態(tài)的檢測裝置及檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及管道狀態(tài)的檢測，尤其是一種利用太赫茲時域光譜技術(shù)的井下油管狀 態(tài)的檢測裝置及檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 油氣運輸是石油工業(yè)的重要環(huán)節(jié)。在諸多的輸運方式中，管道運輸具有平穩(wěn)連續(xù)、 安全性好、運輸量大、能保證質(zhì)量且節(jié)能經(jīng)濟(jì)等特點，已成為油氣運輸?shù)氖走x方式。此外，油 氣運輸管道一般都鋪設(shè)在地下，占地較少，且能適應(yīng)各種惡劣的氣候環(huán)境。因此，管道運輸 在石油及天然氣的實際生產(chǎn)及運輸中被廣泛的采用。
[0003] 隨著石油管道運輸在世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展，對管道的實際輸運情況、效率和故 障等進(jìn)行有效的檢測受到了越來越高的重視。油氣泄漏是輸油管道運行的主要故障。管道 的腐蝕穿孔、突發(fā)的自然災(zāi)害都會造成輸油管道的泄漏。近年來，油氣泄漏的事故時有發(fā) 生，不僅嚴(yán)重影響了正常的油氣生產(chǎn)，更對國民經(jīng)濟(jì)和人身安全造成了很大的損失和損害。 因此，對油管運輸?shù)挠行z測和監(jiān)控是保障油氣安全生產(chǎn)和安全運輸?shù)年P(guān)鍵。
[0004] 現(xiàn)有的油管泄漏的檢測方法主要有流量平衡法、壓力分析法、動態(tài)模型法及聲波 法等。但現(xiàn)有的檢測方法在靈敏度、準(zhǔn)確度和可靠性方面均存在著較多的不足，特別是對井 下管道漏油事故的實時在線檢測。因此，面對非常重要但又非常復(fù)雜的檢測任務(wù)，有必要發(fā) 展一種新型的高精度、高可靠度的管道泄漏在線實時檢測技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的是提供一種采用光纖及太赫茲時域光譜技術(shù)的管道狀態(tài)的檢 測裝置及檢測方法，以提高管道泄漏檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。
[0006] 本發(fā)明的一個方面提供一種管道狀態(tài)的檢測裝置，該檢測裝置包括：激光器，用于 發(fā)射激光脈沖；太赫茲波檢測探頭，環(huán)繞管道設(shè)置，通過第一光纖傳輸裝置與所述激光器連 接，用于接收由所述激光器發(fā)射的激光脈沖以生成并向所述管道的外周壁發(fā)射太赫茲波， 并且接收由所述管道的外周壁反射的反射太赫茲波；分析裝置，通過第二光纖傳輸裝置與 所述太赫茲波檢測探頭連接，用于接收從所述太赫茲波檢測探頭傳輸來的所述反射太赫茲 波，并對所述反射太赫茲波進(jìn)行分析，以獲得所述管道的狀態(tài)信息。
[0007] 本發(fā)明的另一個方面提供一種使用前述檢測裝置來檢測管道狀態(tài)的方法，該方法 包括以下步驟：由所述激光器向所述太赫茲波檢測探頭發(fā)射激光脈沖，以使所述太赫茲波 檢測探頭生成并向所述管道的外周壁發(fā)射太赫茲波；所述太赫茲波檢測探頭接收由所述管 道的外周壁反射的反射太赫茲波，并傳輸給所述分析裝置；所述分析裝置對所接收到的反 射太赫茲波進(jìn)行分析，以獲得所述管道的狀態(tài)信息。
[0008] 本發(fā)明提供的管道狀態(tài)的檢測裝置及檢測方法，通過發(fā)射并接收從管道外周壁反 射的太赫茲波，從而獲得管道的泄漏狀態(tài)信息。根據(jù)本發(fā)明，可以對管道的泄漏點進(jìn)行準(zhǔn)確 的定位，并對泄漏點的穿孔深度、位置、大小有精確的檢測。另外，本發(fā)明中激光的傳輸以及 反射太赫茲波的傳輸均采用光纖傳輸，增強(qiáng)了現(xiàn)場適應(yīng)能力，使得管道泄漏的檢測更加可 靠，并能抵抗各種惡劣環(huán)境的干擾。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1為例示本發(fā)明實施例的用于檢測井下管道的狀態(tài)的檢測裝置的示意結(jié)構(gòu)圖；
[0010] 圖2A-2C為示出本發(fā)明實施例的太赫茲波檢測探頭的構(gòu)成的示意結(jié)構(gòu)圖；
[0011] 圖3為示出太赫茲波檢測探頭工作時的太赫茲波發(fā)射/接收過程的示意局部截面 圖；
[0012] 圖4為例示本發(fā)明實施例的管道狀態(tài)的檢測方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0013] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的各種實 施方式做進(jìn)一步說明。這些實施方式只是示例性的，只用于解釋本發(fā)明，不作為對本發(fā)明的 限制。
[0014] 圖1為例示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于檢測井下管道的狀態(tài)的檢測裝置的示 意結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 如圖1所示，檢測裝置10包括激光器11、太赫茲波檢測探頭12以及分析裝置15。
[0016] 激光器11例如可以是光纖激光器或固體激光器，本發(fā)明對此不做限制。
[0017] 太赫茲波檢測探頭12可以環(huán)繞設(shè)置在井下管道19上，并通過固定架16固定。太 赫茲波檢測探頭12可以分別通過第一光纖傳輸裝置17、第二光纖傳輸裝置18與例如放置 在地面上的激光器11、地面工作站中的分析裝置14相連接。
[0018] 另外，需要說明的是，盡管在此是以井下管道19作為檢測裝置10的應(yīng)用場景，但 容易理解的是，檢測裝置10的應(yīng)用并不限于對井下管道的狀態(tài)檢測。
[0019] 下面參照圖2A-2C，對太赫茲波檢測探頭12的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
[0020] 如圖2A所示，太赫茲波檢測探頭12整體上呈現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以便套設(shè)在井下管道19 上。在該環(huán)狀結(jié)構(gòu)上，分別沿著環(huán)向等間距地布置有太赫茲波發(fā)射器陣列13和太赫茲波接 收器陣列14。例如，如圖2A所示，太赫茲波發(fā)射器陣列13包括環(huán)向等間距排列的8個太 赫茲波發(fā)射器131?138。如圖2B所示，太赫茲波接收器陣列14包括環(huán)向等間距排列的8 個太赫茲波接收器141?148。另外，太赫茲波發(fā)射器131-138與太赫茲波接收器141-148 在軸向上是分別對齊的。
[0021] 需要說明的是，盡管在圖中示出了太赫茲波發(fā)射器陣列13位于上方，而太赫茲波 接收器陣列14位于下方，但本發(fā)明并不限于此。例如，也可以是相反的排布結(jié)構(gòu)，即太赫茲 波接收器陣列14位于上方，而太赫茲波發(fā)射器陣列13位于下方。
[0022] 另外，太赫茲波發(fā)射器和太赫茲波接收器的數(shù)量也不限于8個，而可以是其他數(shù) 量。
[0023] 例如，太赫茲波發(fā)射器131?138可以為電光晶體（如ZnTe、GaAs、InP、CdTe等）， 也可為光電導(dǎo)天線，在超短激光脈沖（如飛秒激光）的照射下可以產(chǎn)生太赫茲波。
[0024] 例如，第一光纖傳輸裝置17可以是單根光纖。太赫茲波發(fā)射器131?138可通過 光纖稱合器（未圖不）與第一光纖傳輸裝置17相連接，進(jìn)而與光纖激光器11相連接。
[0025] 例如，第二光纖傳輸裝置18可以是包括多路光纖的光纜。太赫茲波接收器141? 148分別與光纜中的對應(yīng)光纖相連接，進(jìn)而與分析裝置15相連接。
[0026] 圖3為示出太赫茲波檢測探頭12工作時的太赫茲波發(fā)射/接收過程的示意截面 圖。
[0027] 如圖3所示，太赫茲波發(fā)射器137、133分別向管道19發(fā)射太赫茲波，并經(jīng)過管道 19的外周壁反射后進(jìn)入太赫茲波接收器147、143。其他未圖示的太赫茲波發(fā)射器/太赫茲 波接收器的發(fā)射/接收太赫茲波的過程與上述相同，在此不做贅述。
[0028] 如圖3所示，太赫茲波發(fā)射器133U37與太赫茲波接收器143U47距管道外壁的 距離為L。在本實施例中該距離L選擇在0.1m?0.5m之間。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù) 測量精度要求對該距離L進(jìn)行調(diào)整，本發(fā)明對此不做限制。
[0029] 調(diào)節(jié)太赫茲波發(fā)射器陣列13與太赫茲波接收器陣列14的間隔距離，可使入射太 赫茲波與反射太赫茲波呈一定角度Θ。在本實施例中，例如，Θ =90°。本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可對該角度進(jìn)行調(diào)整，本發(fā)明對此不做限制。
[0030] 當(dāng)檢測裝置10工作時，光纖激光器11發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過第一光纖傳輸裝置17， 并通過光纖耦合器（未圖示）分別傳輸?shù)教掌澆òl(fā)射器131?138中。太赫茲波發(fā)射器 131?138被激光脈沖觸發(fā)后，向管道19的外周壁發(fā)射太赫茲波。發(fā)射的太赫茲波經(jīng)過管 道19的外周壁反射后，分別進(jìn)入太赫茲波接收器141?148中。太赫茲波接收器141?148 接收的多束反射太赫茲波，分別經(jīng)由作為第二光纖傳輸裝置18的光纜中的對應(yīng)光纖，傳輸 到地面的分析裝置15中。
[0031] 分析裝置15在接收到經(jīng)由第二光纖傳輸裝置18傳輸來的多束反射太赫茲波后， 分析裝置15對多束反射太赫茲波逐一進(jìn)行分析。由于管道19的材料對太赫茲波十分敏感， 當(dāng)管道19中存在裂縫、孔洞等泄漏缺陷時，會直接導(dǎo)致太赫茲波傳輸特性的變化，如振幅 衰減、相位延遲、波形畸變等，因此，分析裝置15通過對多束反射太赫茲波的逐一分析（例 如，與所檢測的管道19同樣型號及材料的無缺陷的管道的太赫茲波傳輸特性進(jìn)行比較）， 可以獲知管道19的對應(yīng)位置是否存在裂縫、孔洞等泄漏缺陷。隨后，可以對太赫茲波檢測 探頭12進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或者改變太赫茲波檢測探頭12在管道19的軸向上的位置，進(jìn)行細(xì)化掃 描，來完成對管道19的完整檢測。
[0032] 下面參照圖4,來描述利用檢測裝置10來檢測管道19的狀態(tài)的檢測方法的流程。
[0033] 步驟S401 :激光器11發(fā)射激光脈沖，并經(jīng)由第一光纖傳輸裝置17將激光脈沖傳 輸至井下的太赫茲波檢測探頭12。
[0034] 具體地說，經(jīng)由第一光纖傳輸裝置17傳輸?shù)募す饷}沖由光纖耦合器（未圖示）進(jìn) 行分束，進(jìn)而傳入太赫茲波發(fā)射器陣列13。
[0035] 步驟S402 :太赫茲發(fā)射器陣列13中的太赫茲波發(fā)射器131?138在激光脈沖的 觸發(fā)下，分別產(chǎn)生并向管道19的外周壁發(fā)射太赫茲波。
[0036] 步驟S403 :太赫茲波檢測探頭12中的太赫茲波接收器陣列14接收從管道19的 外周壁反射的反射太赫茲波。
[0037] 具體地說，太赫茲波接收器陣列14中的太赫茲波接收器141?148分別接收由太 赫茲波發(fā)射器131?138發(fā)射并經(jīng)過反射的反射太赫茲波。
[0038] 步驟S404 :太赫茲波接收器陣列14將接收到的反射太赫茲波經(jīng)由第二光纖傳輸 裝置18傳輸?shù)降孛婀ぷ髡局械姆治鲅b置15中。
[0039] 步驟S405 :分析裝置15對接收到的反射太赫茲波進(jìn)行分析，以獲得管道19的狀 態(tài)息。
[0040] 具體地說，分析裝置15對各路反射太赫茲波進(jìn)行放大并分析，以獲得各個檢測點 的狀態(tài)信息。具體分析過程如前所述，這里不再贅述。
[0041] 例如，在做完一次掃描檢測之后，可以改變太赫茲波檢測探頭12在管道19軸向上 的位置，對管道19的其他位置進(jìn)行檢測。
[0042] 在其他實施例中，在做完一次掃描檢測之后，還可將太赫茲波檢測探頭12旋轉(zhuǎn)一 定角度，以在管道19的同一軸向位置再進(jìn)行一次掃描。旋轉(zhuǎn)角度例如可以為10度?30度， 優(yōu)選地為22. 5度。
[0043] 這樣，經(jīng)過兩次掃描可以得到管道19同一軸向位置上的16個檢測點的狀態(tài)信息， 以便更準(zhǔn)確地反映管道的狀態(tài)。
[0044] 也可以對太赫茲波檢測探頭12進(jìn)行更多次的周向旋轉(zhuǎn)，以得到更多的檢測信息 點。然后再沿著管道的軸向移動位置，進(jìn)行下一個區(qū)域的檢測。
[0045] 綜上所述，本發(fā)明采用太赫茲波作為檢測管道泄漏信息的載體。由于太赫茲波具 有分辨率高、頻帶寬及輻射能力低等特點，使得通過太赫茲波所反映的泄漏信息更加準(zhǔn)確 并穩(wěn)定，能準(zhǔn)確得到管道穿孔的大小、深度及方位等信息。另外，本發(fā)明利用了光纖的質(zhì)量 輕、傳輸快、抗干擾能力強(qiáng)等特點，提高了激光脈沖及太赫茲波傳播的可靠性及現(xiàn)場適應(yīng)能 力。
[0046] 以上已通過具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說 明只是用于幫助理解本發(fā)明的技術(shù)方案。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，依據(jù)這里所揭示的本發(fā)明 的思想，在【具體實施方式】及應(yīng)用范圍上均會有改動之處，因此，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對 本發(fā)明的限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種管道狀態(tài)的檢測裝置，其特征在于，該檢測裝置包括： 激光器，用于發(fā)射激光脈沖； 太赫茲波檢測探頭，環(huán)繞管道設(shè)置，通過第一光纖傳輸裝置與所述激光器連接，用于接 收由所述激光器發(fā)射的激光脈沖以生成并向所述管道的外周壁發(fā)射太赫茲波，并且接收由 所述管道的外周壁反射的反射太赫茲波； 分析裝置，通過第二光纖傳輸裝置與所述太赫茲波檢測探頭連接，用于接收從所述太 赫茲波檢測探頭傳輸來的所述反射太赫茲波，并對所述反射太赫茲波進(jìn)行分析，以獲得所 述管道的狀態(tài)信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所述激光器為光纖激光器或固體激 光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于， 所述第一光纖傳輸裝置是單根光纖，所述第二光纖傳輸裝置是包括多路光纖的光纜， 并且其中，所述太赫茲波檢測探頭包括： 太赫茲波發(fā)射器陣列，包括環(huán)向等間距排列的多個太赫茲波發(fā)射器，所述多個太赫茲 波發(fā)射器通過光纖耦合器與所述第一光纖傳輸裝置連接，以接收由所述激光器發(fā)射的激光 脈沖，從而生成并向所述管道的外周壁發(fā)射太赫茲波； 太赫茲波接收器陣列，包括環(huán)向等間距排列的多個太赫茲波接收器，所述多個太赫茲 波接收器通過所述第二光纖傳輸裝置與所述分析裝置相連接，用于接收由所述管道的外周 壁反射的所述反射太赫茲波，并經(jīng)由所述第二光纖傳輸裝置傳輸給所述分析裝置， 其中，所述太赫茲波發(fā)射器的數(shù)量與所述太赫茲波接收器的數(shù)量相同，所述太赫茲波 接收器的數(shù)量與所述第二光纖傳輸裝置中包括的光纖的數(shù)量相同， 并且其中，所述太赫茲波發(fā)射器陣列和所述太赫茲波接收器陣列被布置為，在所述管 道的軸向上，所述多個太赫茲波發(fā)射器和所述多個太赫茲波接收器分別保持對齊，并且使 得發(fā)射的太赫茲波和反射的太赫茲波成預(yù)定角度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測裝置，其特征在于，所述太赫茲波發(fā)射器、所述太赫茲波 接收器與所述管道的外周壁的距離在0. lm?0. 5m的范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測裝置，其特征在于，所述預(yù)定角度為90度。
6. -種使用權(quán)利要求1到5中任一項所述的檢測裝置來檢測管道狀態(tài)的方法，其特征 在于，該方法包括以下步驟： (a) 由所述激光器向所述太赫茲波檢測探頭發(fā)射激光脈沖，以使所述太赫茲波檢測探 頭生成并向所述管道的外周壁發(fā)射太赫茲波； (b) 所述太赫茲波檢測探頭接收由所述管道的外周壁反射的反射太赫茲波，并傳輸給 所述分析裝置； (c) 所述分析裝置對所接收到的反射太赫茲波進(jìn)行分析，以獲得所述管道的狀態(tài)信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述分析裝置對所接收到的反射太赫茲 波進(jìn)行分析，以獲得所述管道的狀態(tài)信息的步驟包括： 對反射太赫茲波的傳輸特性進(jìn)行分析，以獲得所述管道的泄露信息。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟： 在按照步驟（a)至（c)完成一次掃描檢測操作之后，將所述太赫茲波檢測探頭沿周向 旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度，以執(zhí)行下一次掃描檢測。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定角度在10度到30度的范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟： 在按照步驟（a)至（c)完成一次掃描檢測操作之后，改變所述太赫茲波檢測探頭在所 述管道的軸向上的位置，以執(zhí)行下一次掃描檢測。
【文檔編號】F17D5/02GK104061442SQ201410295541
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】趙昆, 姜晨, 金武軍, 陳少華 申請人:中國石油大學(xué)(北京)