用红外成像法探测埋地输油管道
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
第27卷第5期2006年9月
石油学报
ACTAPETROLEISINICA
V01.27No.5
Sept.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:A
DetectionofundergroundpetroleumpipelinewithinfraredimagingmethodZhouPengWangMingshiChenShuwangGeJiayiZhangRuiSunHongxia(CollegeofPrecisionInstrumentandOptoelectronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)
Abstract:InordertOassistingperambulationofundergroundpetroleumpipeline,aninfraredimagingmethodforrapidlydetectingthestealingbranchesofpipelineandlocatingtheleakagespotswasproposed.A
mathematicmodelforsimulatingthetemperaturedistri—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a
ZbLZtL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’Ssurface
ontheverticalsectionplaneoftheundergroundpipeline
中心距/m地表温度/℃中心距/m地表温度/℃O21.311.O20.82
O.221.281.220.72
O.421.191.420.63
O.621.061.620.56
0.820.941820.50
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.3Architectureof
hardware
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