用红外成像法探测埋地输油管道

第２７卷第５期２００６年９月石油学报ＡＣＴＡＰＥＴＲＯＬＥＩＳＩＮＩＣＡＶ０１．２７Ｎｏ．５Ｓｅｐｔ．２００６文章编号：０２５３—２６９７（２００６）０５—０１２７一０４用红外成像法探测埋地输油管道周鹏王明时陈书旺葛家怡张锐孙红霞（天津大学精密仪器与光电子工程学院天津３０００７２）摘要：为了辅助埋地石油管道巡线以及快速定位与排查偷油支管和泄漏点，提出了利用红外热成像技术探测埋地输油管道的方法。

应用热力学传导理论，对埋地输油管道上方土壤层温度场分布进行了数学建模，论证了此方法的可行性。

完成了基于非制冷红外焦平面阵列及具有便携、实时成像特点的红外管道探测仪的硬件设计，运用图像增强、图像分割、骨架跟踪等图像处理算法实现了埋地输油管道的自动检测。

油田现场试验证明，用这种红外管道探测仪可以方便、直观、快速地探测地下输油管道的位置、走向及分支状况。

关键词：输油管道；自动检测；红外成像法；热力学传导理论；温度场分布；数学模型；红外管道探测仪中图分类号：ＴＥ８７３．６文献标识码：ＡＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｅｔｒｏｌｅｕｍｐｉｐｅｌｉｎｅｗｉｔｈｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄＺｈｏｕＰｅｎｇＷａｎｇＭｉｎｇｓｈｉＣｈｅｎＳｈｕｗａｎｇＧｅＪｉａｙｉＺｈａｎｇＲｕｉＳｕｎＨｏｎｇｘｉａ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔＯａｓｓｉｓｔｉｎｇｐｅｒａｍｂｕｌａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｅｔｒｏｌｅｕｍｐｉｐｅｌｉｎｅ，ａｎｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｒａｐｉｄｌｙｄｅｔｅｃｔｉｎｇｔｈｅｓｔｅａｌｉｎｇｂｒａｎｃｈｅｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅａｎｄｌｏｃａｔｉｎｇｔｈｅｌｅａｋａｇｅｓｐｏｔｓｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉ—ｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅａｒｔｈ’Ｓｓｕｒｆａｃｅａｂｏｖｅｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｉｓｍｏｄｅｌｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓｈａｒｄｗａｒｅｔａｋｅｓｕｎｃｏｏｌｅｄｉｎｆｒａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙａｎｄｈａｓｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｅａｌ—ｔｉｍｅｉｍａｇｉｎｇａｎｄｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｅｔｒｏｌｅｕｍｐｉｐｅｌｉｎｅｂｙｃｏｍｐｕｔｅｒｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｓｏｍｅｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｌｇｏ—ｒｉｔｈｍｓ，ｓｕｃｈｉｍａｇｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ，ｉｍａｇｅｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｓｋｅｌｅｔｏｎｔｒａｃｋ．Ｏｉｌｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｉｓｉｎｆｒａｒｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒｂｅｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎ，ｔｒｅｎｄａｎｄｂｒａｎｃｈｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅｅａｓｉｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｔｒｏｌｅｕｍｐｉｐｅｌｉｎｅ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｔｈｅｏｒｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ：ｉｎｆｒａｒｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒ为了解决埋地石油管道偷油漏油问题，急需一种埋地管道检测技术。

目前国际上常用于管道检测的方法主要有以下几种［１］：①物质平衡检测法；②负压波检测法［２３；③声波检测法；④光纤振动传感器检测法；⑤漏磁通检测法；⑥管道机器人检测技术。

其中，方法①实现简单，但无法辅助巡线，也不能对偷油支管和泄漏位置进行定位；方法②只适用于快速监测偷油和泄漏，对长期慢速偷油和泄漏则无能为力，同时也不能辅助巡线；方法③和④可以快速检测打孔偷油时的管道振动，但由于其受外界振动干扰严重，误报警率极高，同时也不能辅助管道巡线；方法⑤可以对埋地金属管道进行巡线，但对非金属的偷油支管无法识别，也无法进行泄漏检测；方法⑥是近年来国际上研究管道检测技术的一个很有潜力的方法，但由于其技术还不够成熟，而且成本高，还不能应用于实际。

鉴于现有埋地管道检测技术都不能满足实际需要，笔者提出了用红外热成像技术探测埋地输油管道的新方法。

１埋地管道上方土壤层温度场分布模型１．１埋地管道和周围土壤层热交换过程被加热的原油［３３在埋地管道中传输时，会与四周土壤进行热交换，管道与周围环境的热交换大致分为３个过程Ｈ］：①管道外壁和保温层间的热传导；②保温层与周围土壤之间的热传导；③地表与大气之间的热对流。

埋地管道热交换示意图如图１所示。

１．２温度场分布模型传热过程的热流量为‘５１空一Ａｋ（Ｔｉ。

一Ｔｏ。

）一（Ｔｉ。

一Ｔｏ。

）／Ｒ（１）式中Ａ为换热面积，ｍ２；ｋ为传热系数，ｗ／（ｒｎ２·Ｋ）；作者简介：周鹏，男，１９７８年１１月生，２００４年获天津大学工学硕士学位，现在天津大学精密仪器与光电子工程学院攻读博士学位，主要研究方向为红外成像技术，管道检测技术及图像处理。

Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｐｚｐａ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．Ｃ０１ＴＩ万方数据１２８石油学报２００６年第２７卷Ｒ为传热热阻，Ｋ／Ｗ；Ｔｉ。

为管内油温，Ｋ；Ｔ吼ｎ为外部空气温度，Ｋ。

图１埋地管道热交换示意图Ｆｉｇ．１Ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅ总传热热阻等于管道外壁向保温层外壁导热的热阻、保温层外壁向地表导热的热阻以及地表与空气之间对流换热的热阻之和，即Ｒ＝Ｒ，恼恼一≮ｎ磐Ａ＋≮ｎＡ磐＋去ａＺｂＬＺｔＬ口７ｃｔＬ（２）式中Ｒ。

为管道外壁向保温层外壁导热的热阻，Ｋ／Ｗ；Ｒ：为保温层外壁向地表导热热阻，Ｋ／Ｗ；Ｒ。

为地表与空气之间对流换热热阻，Ｋ／Ｗ；ｄ。

为管道外径，ｍ；ｄ。

为保温层的外径，ｍ；管道轴心到地表某点的距离为ｄ。

／２；Ｌ为管道长度，ｍ；ａ为空气的对流换热系数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；Ａ。

为保温层的导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；Ａ。

为土壤的导热系数，Ｗ／（ｍ·Ｋ）。

传热热流密度定义为ｑ一詈一（Ｔｉ。

一Ｔ。

）／Ｒ７（３）其中拈笔ｎ掣Ａ＋鼍磐Ａ＋去ａｒｉａ㈤么丁ｃ式中ｇ为热流密度，Ｗ／ｍ。

地表某点温度Ｔｄ的计算式为Ｔｄ—Ｔ。

，＋垂Ｒ３一Ｔ。

＋垂／（ａｎｄ。

Ｌ）一Ｔ。

＋ｑ／（ａｎｄ。

）（５）１．３应用算例根据已有参数：Ｔｉ。

一３３３Ｋ；Ｔｏ。

一２９３Ｋ；ｄ。

一３００ｍｌＴｌ；（ｄｂ—ｄ。

）／２—１０ｍｍ；地表至主管道轴心的垂直距离ｈ＝ｌｍ；口一７ｗ／（ｍ２·Ｋ）；Ａ。

一０．５５ｗ／（ｍ·Ｋ）；Ａ。

一０．０４ｗ／（ｍ·Ｋ），则计算结果如表１所示。

地表温差分布曲线如图２所示。

由数值计算可知，对于加热到６０℃、埋深为１ｍ，管径为３００ｍｉｌｌ的埋地管道，其上方地表温度场分布发生了明显的变化，管道上方中心处和距中心２ｍ处有近１℃的温差。

理论推导和数值模拟计算表明，埋地输油管道上表１管道横剖面地表温度分布Ｔａｂｌｅ１Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅａｒｔｈ’Ｓｓｕｒｆａｃｅｏｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｐｌａｎｅｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅ中心距／ｍ地表温度／℃中心距／ｍ地表温度／℃Ｏ２１．３１１．Ｏ２０．８２Ｏ．２２１．２８１．２２０．７２Ｏ．４２１．１９１．４２０．６３Ｏ．６２１．０６１．６２０．５６０．８２０．９４１８２０．５０图２管道横剖面地表温差分布曲线Ｆｉｇ．２Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｅａｒｔｈ’Ｓｓｕｒｆａｃｅｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｐｌａｎｅｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅ方地表形成了特征温场分布，而且可以通过热成像的方法来分辨温差，这说明用红外热成像法探测埋地输油管道的方案是可行的。

２红外管道探测仪的硬件设计根据实际埋地石油管道巡线以及支管与泄漏检测的需要，红外管道探测仪的硬件设计遵循可便携野外操作、实时成像及自动管道检测等原则。

其整体结构框架如图３所示。

图３硬件整体结构框架Ｆｉｇ．３Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｈａｒｄｗａｒｅ光学系统将被测物体的红外辐射聚焦到红外探测器，经后端的数据采集与处理电路将原始图像信息通过ＵＳＢ２．０传到计算机处理系统进行实时显示和图像处理。

光学系统是通过红外锗镜头将被测对象的热辐射聚焦在红外焦平面阵列探测器。

根据实际需要，采用北京蓝思特公司生产的ＢＬＳＴ３１９红外镜头。

该镜头由３片镜片组成，材料为单晶锗，透射波段为８～１４肚ｍ，焦距为１９ｍｍ，通光Ｉ：Ｉ径为２５ｍｌＴｌ，视场角为４５．６。

×３５．０。

．万方数据第５期周鹏等：用红外成像法探测埋地输油管道１２９红外探测器是整个系统的核心部件［６］，它的性能参数的确定与选择决定着红外管道探测仪的整体性能。

本研究采用法国ＵＬＩＳ公司生产的型号为ＵＬＩＳ０１１０１的微测热辐射计非制冷焦平面阵列红外探测器。

它由非晶硅电阻辐射计通过微桥结构连接到硅读出集成电路，将光信号转换为表征热辐射的图像电信号。

其主要特点为无须制冷，可实时成像，并且具有功耗低、工作寿命长、可靠性高、体积小、质量轻、可操作性强的特点。

主要性能参数：像元数为３２０Ｘ２４０；像元尺寸为４５ｐ．ｍ×４５肚ｍ；温度分辨率为０．０８℃；光谱响应范围为８～１４“ｍ中远红外波段；工作环境温度范围为一４０℃～８０℃；噪声等效温差ＮＥＴＤ为８５ｍＫ；热响应时间常数为４ｍｓ；外形尺寸为６ｃｍＸ６ｃｍ。

热图采集与预处理模块是用１４位精度的Ａ／Ｄ进行模数转换，由数字信号处理器（ＤＳＰ）系统完成非均匀性校正、帧存储、滤波、灰度统计、直方图以及测温等功能。

计算机处理系统主要负责红外图像的实时显示、伪彩变换、图像存储与图像分析等功能。

在充分考虑了整机的尺寸、重量以及图像处理速度等要求的前提下，选择了华硕￥２００笔记本电脑。

ＣＰＵ为迅驰１ＧＨｚ，硬盘４０Ｇ，显示屏为２２．６ｃｍ，分辨率为１０２４ｘ１０２４，重量为８８０ｇ。