輸氣管道泄漏音波傳播特性及監(jiān)測(cè)定位

摘 要

摘要：在天然氣管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域，基于音波法的輸氣管道泄漏檢測(cè)及定位技術(shù)逐漸受到重視。為了促進(jìn)該方法的快速應(yīng)用，利用高壓輸氣管道泄漏檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了不同輸氣壓力下不同泄漏
摘要：在天然氣管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域，基于音波法的輸氣管道泄漏檢測(cè)及定位技術(shù)逐漸受到重視。為了促進(jìn)該方法的快速應(yīng)用，利用高壓輸氣管道泄漏檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了不同輸氣壓力下不同泄漏量、泄漏位置的泄漏檢測(cè)和泄漏定位試驗(yàn)。根據(jù)泄漏信號(hào)的特征量，分析了管道壓力、泄漏量及泄漏位置對(duì)泄漏檢測(cè)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：①所采用泄漏信號(hào)的特征量能滿足泄漏判斷的需要；②隨著管道壓力的提高和泄漏孔徑的增大，泄漏檢測(cè)更容易進(jìn)行；③泄漏位置越靠近管道終點(diǎn)，泄漏信號(hào)特征量與閾值相差越大，泄漏越容易判斷；④所設(shè)計(jì)的泄漏定位系統(tǒng)定位誤差小，試驗(yàn)中的定位誤差最大為1.37%；⑤管道中段若發(fā)生泄漏，其定位誤差大于管線兩端。該研究結(jié)果驗(yàn)證了音波法泄漏檢測(cè)技術(shù)具有靈敏性好、定位精度高的特點(diǎn)，為音波法在輸氣管道泄漏檢測(cè)和泄漏定位中的廣泛應(yīng)用提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：輸氣管道；音波；泄漏檢測(cè)；泄漏定位；監(jiān)測(cè)效果；誤差；精度
1 問題的提出
    隨著天然氣管網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，天然氣管道泄漏時(shí)有發(fā)生，不僅帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，還可能帶來重大的人員傷亡事故。因此，天然氣管道泄漏檢測(cè)作為保障管道安全、減小事故危害的重要手段，越來越受到廣泛的關(guān)注。
    目前，天然氣管道泄漏檢測(cè)方法很多，主要有負(fù)壓波法、分布式光纖法、音波法以及瞬態(tài)模型法等，其中音波法以靈敏性好、誤報(bào)率低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)日益受到青睞。
    國外對(duì)音波法的研究已有近30a的歷史，目前，老牌工業(yè)化國家對(duì)音波法的應(yīng)用已不僅僅局限于油氣管道的泄漏檢測(cè)。Muggleton J M等人通過在埋地試驗(yàn)管道上安裝傳感器，將檢測(cè)到的音波信號(hào)進(jìn)行了幅值分析和相位分析，對(duì)城市埋地塑料水管發(fā)生泄漏時(shí)產(chǎn)生的音波信號(hào)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[1]。Kim Min-Soo等人通過理論推導(dǎo)、試驗(yàn)研究和軟件模擬3種方式對(duì)鋼管中的音波進(jìn)行了時(shí)頻分析，得出了音波在鋼管中的截止頻率，為泄漏檢測(cè)時(shí)濾波器帶寬的選擇提供了幫助[2]。Tolstoy A等人采用音波分別對(duì)含有雜物的管道和不含雜物的管道進(jìn)行了檢測(cè)和對(duì)比，將檢測(cè)到的音波信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域分析和頻域分析，得出了1種新的匹配場(chǎng)方法，可以對(duì)管道中是否含有雜質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)判別[3]。
    相對(duì)于管道輸送業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國家，我國在1958年才建成第一條長(zhǎng)距離油氣管道，管道泄漏檢測(cè)技術(shù)也相對(duì)落后，對(duì)音波泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究也是近幾年才開始的，且主要應(yīng)用于油氣管道的泄漏檢測(cè)[4～14]。當(dāng)前研究音波泄漏檢測(cè)技術(shù)的力量主要集中在各高校和科研院所，如清華大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、北京化工大學(xué)、浙江大學(xué)以及中科院聲學(xué)研究所等，但他們的研究都還處于起步階段，尚未取得系統(tǒng)性成果。沈陽工業(yè)大學(xué)應(yīng)用音波法對(duì)輸氣管道的泄漏檢測(cè)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了泄漏音波信號(hào)采集的硬件電路，并進(jìn)行了試驗(yàn)。北京化工大學(xué)提出了用基于區(qū)間信號(hào)平均能量平方的順序能量比率法進(jìn)行管道音波泄漏信號(hào)識(shí)別的方法，提高了泄漏信號(hào)的信噪比和可靠性[15～17]。
    但大多數(shù)文獻(xiàn)中音波法試驗(yàn)研究所用的試驗(yàn)管道壓力只有幾個(gè)大氣壓，管道長(zhǎng)度多為幾十米，這與實(shí)際管道的壓力、長(zhǎng)度是不相符的[18～19]。由于管道中流體壓力不同、管道長(zhǎng)度不同，管道發(fā)生泄漏時(shí)泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生的音波信號(hào)及信號(hào)在管道中的傳播特性就會(huì)不同。因此，為了使試驗(yàn)工況更進(jìn)一步接近現(xiàn)場(chǎng)的泄漏工況，在實(shí)驗(yàn)室中建立了1套高壓長(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)裝置，并對(duì)試驗(yàn)裝置和實(shí)際管道進(jìn)行了相似性分析，在大量音波泄漏檢測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)采集的音波數(shù)據(jù)進(jìn)行了信號(hào)處理及特性分析，以期為音波法在輸氣管道泄漏檢測(cè)和泄漏定位中的廣泛應(yīng)用提供依據(jù)和指導(dǎo)。
2 基于音波法的輸氣管道泄漏檢測(cè)及定位方法
    當(dāng)管道發(fā)生破裂時(shí)，管道中的壓力平衡受到破壞，輸送介質(zhì)從泄漏點(diǎn)流出，與管壁摩擦產(chǎn)生音波震蕩，音波信號(hào)沿著管道內(nèi)流體分別向管道上下游高速傳播。在音波傳播過程中，音波信號(hào)的高頻成分迅速衰減，只有低頻成分能傳播較遠(yuǎn)的距離[20～21]。此時(shí)產(chǎn)生聲壓，安裝在管段兩端的音波傳感器能監(jiān)聽并捕捉傳到的音波波形(即聲壓信號(hào))，通過提取信號(hào)的特征量來確定管道是否發(fā)生了泄漏，同時(shí)根據(jù)在管道兩端捕捉到同一泄漏信號(hào)的時(shí)間差和音波的傳播速度計(jì)算管道的泄漏位置。音波泄漏檢測(cè)示意圖如圖1所示。
 

2.1 泄漏檢測(cè)方法
   對(duì)輸氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，主要是通過提取管道泄漏所發(fā)出信號(hào)的特征量，并與設(shè)定好的特征量閾值相比較，從而確定管道是否發(fā)生了泄漏。目前常用的特征量有3種：時(shí)頻域的幅值特征、小波分析的奇異性特征和相鄰區(qū)間信號(hào)的累加差分(sum AD)、均值差分(mean AD)、峰值差分(PD)特征。
    上述3個(gè)特征量中，信號(hào)峰值反映的是信號(hào)的強(qiáng)度，信號(hào)均值反映的是信號(hào)的平均強(qiáng)度，信號(hào)累加值反映的是信號(hào)的總體特征。3者可以有效地反映信號(hào)的特點(diǎn)。通過研究，決定選取第3種方法作為泄漏檢測(cè)的特征量。
2.2 泄漏定位方法
    當(dāng)管道發(fā)生泄漏，在管道首末端的音波傳感器檢測(cè)到2個(gè)音波泄漏的尖峰信號(hào)時(shí)，意味著泄漏音波信號(hào)到達(dá)了管道首末端，可用相關(guān)分析確定2個(gè)尖峰信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間差。因?yàn)樾孤┌l(fā)生時(shí)上下游泄漏音波信號(hào)波形相似，只不過有個(gè)時(shí)間差。因此移動(dòng)一端的音波信號(hào)與另一端音波信號(hào)做相關(guān)分析時(shí)，一定會(huì)有1個(gè)極大值點(diǎn)，找到這個(gè)極大值點(diǎn)就找到了音波到達(dá)上下游的時(shí)間差。
互相關(guān)公式如下所示：
 
式中T為泄漏音波在2個(gè)傳感器之間傳播的周期，；τ為時(shí)間差，；q1(t)、q2(t)表示音波傳感器的壓力信號(hào)隨時(shí)間變化；t為時(shí)間。未發(fā)生泄漏時(shí)，相關(guān)函數(shù)將維持在某一值附近，發(fā)生泄漏后，理論上，當(dāng)τ=τ0時(shí)，r12(τ)將達(dá)到最大值，即：
    r12(τ0)=maxr12(τ)    (2)
通過求相關(guān)函數(shù)r12(r)的極大值和極大值對(duì)應(yīng)的τ0，即可進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位?；ハ嚓P(guān)定位原理圖如圖2所示。
 

 
3 輸氣管道泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)裝置
3.1 試驗(yàn)裝置
    試驗(yàn)采用壓縮空氣作為氣源，氣體經(jīng)壓縮機(jī)加壓后，通過冷干機(jī)和過濾器除去水分和油滴，經(jīng)過高壓緩沖罐后進(jìn)入測(cè)試管段，最后進(jìn)入中壓緩沖罐放空。測(cè)試管段的起點(diǎn)和終點(diǎn)處設(shè)置壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、音波變送器和溫度變送器等，中間位置設(shè)有3個(gè)泄漏點(diǎn)，分別位于距離測(cè)試管段起點(diǎn)39.8m、88.8m和149.6m位置處，泄漏點(diǎn)處裝有球閥和法蘭，法蘭內(nèi)藏孔板以代替泄漏孔，可根據(jù)試驗(yàn)要求變換泄漏孔徑大小。試驗(yàn)管道全長(zhǎng)251.5m，測(cè)試管段長(zhǎng)200.8m，管道內(nèi)徑為10mm，可承壓8MPa。
試驗(yàn)裝置的起點(diǎn)和終點(diǎn)處分別安裝1個(gè)音波傳感器，編制數(shù)據(jù)采集程序采集傳到管道首末兩端的音波信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由音波傳感器、前置放大器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等組成。高壓輸氣管線泄漏檢測(cè)裝置流程圖如圖3所示。
 
3.2 泄漏信號(hào)傳播特性分析
    通過信號(hào)幅值可以較容易地判斷管道的泄漏，這是因?yàn)橐舨ㄐ盘?hào)是聲壓信號(hào)，而聲壓信號(hào)與一般的壓力信號(hào)有明顯的不同。管道沒有發(fā)生泄漏時(shí)，聲壓信號(hào)處于零值附近，并上下波動(dòng)；當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，聲壓信號(hào)有一個(gè)很快下降的過程，之后又歸于零值附近。這種音波傳感器僅僅檢測(cè)壓力變化部分，通過合理的信號(hào)調(diào)理，使正常的壓力波動(dòng)信號(hào)僅為A/D輸入信號(hào)量程的一部分，而泄漏引起的壓力變化范圍為A/D的滿量程，這樣便提高了信號(hào)的信噪比。同時(shí)，筆者認(rèn)為這也是泄漏孔的孔徑相對(duì)于管道內(nèi)徑較大造成的，二者之比為0.045。若在實(shí)際的輸氣管道上，發(fā)生更小的泄漏，加上現(xiàn)場(chǎng)的各種噪聲，管道的泄漏就不容易辨識(shí)了。
    將音波信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，分析其頻域上的特性。由于隨機(jī)信號(hào)無法用時(shí)間函數(shù)表示，在數(shù)學(xué)上不能用頻譜表示，一般用功率譜描述它的頻域特性。將小波預(yù)處理后的音波信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，得到不同工況下的功率譜密度圖如圖4所示。
 

    從圖4可以看出，泄漏工況的功率譜和正常工況的功率譜在很長(zhǎng)的頻率段上是基本重合的，只是在起點(diǎn)附近兩者有所不同。隨著頻率的增大，不論是泄漏工況還是正常工況，其功率譜密度都逐漸減小，最終逐漸趨于穩(wěn)定，即高頻部分基本為白噪聲部分。
 

    分析可知對(duì)泄漏檢測(cè)有用的信號(hào)主要處于0～300Hz的頻段內(nèi)，其中大部分能量處于0～100Hz頻段內(nèi)。
3.3 泄漏檢測(cè)及定位特性分析
3.3.1泄漏判斷的特征量分析
    從上面對(duì)音波信號(hào)的時(shí)域和頻域分析中可以看出，信號(hào)的幅值和功率譜密度是可以作為泄漏判斷的特征量的，這驗(yàn)證了1.1節(jié)的分析結(jié)果。除此之外，1.1節(jié)提出的相鄰區(qū)間信號(hào)累加差分、均值差分、峰值差分的特征識(shí)別方法，也可以作為泄漏檢測(cè)的判斷依據(jù)。當(dāng)管道起點(diǎn)壓力為4.6MPa左右，泄漏孔徑為0.45mm時(shí)，將泄漏點(diǎn)1發(fā)生泄漏時(shí)采集到的測(cè)試管段終點(diǎn)的聲壓進(jìn)行去噪，根據(jù)提出的相鄰區(qū)間信號(hào)累加差分、均值差分、峰值差分的算法，可分別得到終點(diǎn)信號(hào)累加差分結(jié)果如圖6所示，終點(diǎn)信號(hào)均值差分結(jié)果如圖7所示，終點(diǎn)信號(hào)峰值差分結(jié)果如圖8所示。

    從圖6～8可以看出，經(jīng)過提取之后，信號(hào)的特征量比之前的幅值特征量更加容易辨識(shí)，變化范圍更大。因此，泄漏信號(hào)的累加值差分、均值差分、峰值差分都可以作為泄漏判斷的特征量。
3.3.2不同工況的泄漏分析
    選取信號(hào)的累加差分和均值差分作為不同工況下泄漏判斷的特征量，以檢驗(yàn)泄漏檢測(cè)的可靠性，每個(gè)特征量的閾值選用泄漏前正常工況下特征量的最大值，以終點(diǎn)音波傳感器接收到的信號(hào)作為檢測(cè)對(duì)象。若采集信號(hào)的實(shí)際值大于閾值，則認(rèn)定管道發(fā)生泄漏，否則認(rèn)定管道處于正常狀態(tài)。不同影響因素下泄漏判斷結(jié)果如表1所示。

    表1中，在泄漏孔徑為0.45mm，壓力等級(jí)為1.6MPa時(shí)，泄漏信號(hào)特征量判斷失誤，此判斷失誤處于泄漏孔徑較小，壓力等級(jí)較低的工況，通過調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)閾值及其權(quán)值，可以防止此類事情的發(fā)生。
3.3.3不同工況的定位分析
    泄漏定位試驗(yàn)是與泄漏檢測(cè)試驗(yàn)一起進(jìn)行的，運(yùn)用泄漏檢測(cè)采集到的數(shù)據(jù)，分析在不同泄漏工況下音波法泄漏定位的適用性及定位誤差。不同影響因素下泄漏定位結(jié)果如表2所示。

    由表2可以看出，處于管道中間位置處的泄漏，其定位誤差要大于管道兩端的定位誤差；靠近管道終點(diǎn)處的泄漏，其定位誤差要小于管道起點(diǎn)處的定位誤差。在不同工況下，泄漏定位誤差都較小，最大誤差為1.37%，由此可以認(rèn)為，基于音波法的泄漏定位方法是一種非常好的漏定定位方法，定位精度高，定位誤差小，能較好地滿足實(shí)際應(yīng)用。
4 結(jié)束語
在分析音波法泄漏檢測(cè)及泄漏定位基本原理的基礎(chǔ)上，確定了反映泄漏檢測(cè)的信號(hào)特征量和泄漏定位方法，設(shè)計(jì)了音波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)室中的高壓輸氣管道泄漏檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了不同輸氣壓力下不同泄漏量、泄漏位置的泄漏檢測(cè)和定位試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①所采用的泄漏信號(hào)的特征量能滿足泄漏判斷的需要；②隨著管道壓力的提高和泄漏孔徑的增大，泄漏檢測(cè)更容易進(jìn)行；③泄漏位置越靠近管道終點(diǎn)，泄漏信號(hào)特征量與閾值相差越大，泄漏越容易判斷；④所設(shè)計(jì)的泄漏定位系統(tǒng)定位誤差小，試驗(yàn)中的定位誤差最大為1.37%；⑤管道中段若發(fā)生泄漏，其定位誤差大于管道兩端。
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(本文作者：孟令雅1 李玉星2 宋立群2 趙方生2 付俊濤2 1.中國石油大學(xué)(華東)信控學(xué)院；2.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)建學(xué)院)