輸氣管道泄漏音波傳播特性及監(jiān)測定位

摘 要

摘要：在天然氣管道泄漏檢測領(lǐng)域，基于音波法的輸氣管道泄漏檢測及定位技術(shù)逐漸受到重視。為了促進該方法的快速應(yīng)用，利用高壓輸氣管道泄漏檢測平臺進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領(lǐng)域，基于音波法的輸氣管道泄漏檢測及定位技術(shù)逐漸受到重視。為了促進該方法的快速應(yīng)用，利用高壓輸氣管道泄漏檢測平臺進行了不同輸氣壓力下不同泄漏量、泄漏位置的泄漏檢測和泄漏定位試驗。根據(jù)泄漏信號的特征量，分析了管道壓力、泄漏量及泄漏位置對泄漏檢測的影響。試驗結(jié)果表明：①所采用泄漏信號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，泄漏檢測更容易進行；③泄漏位置越靠近管道終點，泄漏信號特征量與閾值相差越大，泄漏越容易判斷；④所設(shè)計的泄漏定位系統(tǒng)定位誤差小，試驗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)果驗證了音波法泄漏檢測技術(shù)具有靈敏性好、定位精度高的特點，為音波法在輸氣管道泄漏檢測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；泄漏定位；監(jiān)測效果；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，天然氣管道泄漏時有發(fā)生，不僅帶來巨大的經(jīng)濟損失和環(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方法很多，主要有負壓波法、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、誤報率低、定位精度高等優(yōu)點日益受到青睞。
    國外對音波法的研究已有近30a的歷史，目前，老牌工業(yè)化國家對音波法的應(yīng)用已不僅僅局限于油氣管道的泄漏檢測。Muggleton J M等人通過在埋地試驗管道上安裝傳感器，將檢測到的音波信號進行了幅值分析和相位分析，對城市埋地塑料水管發(fā)生泄漏時產(chǎn)生的音波信號進行了試驗研究[1]。Kim Min-Soo等人通過理論推導(dǎo)、試驗研究和軟件模擬3種方式對鋼管中的音波進行了時頻分析，得出了音波在鋼管中的截止頻率，為泄漏檢測時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含有雜物的管道和不含雜物的管道進行了檢測和對比，將檢測到的音波信號進行了時域分析和頻域分析，得出了1種新的匹配場方法，可以對管道中是否含有雜質(zhì)進行檢測判別[3]。
    相對于管道輸送業(yè)發(fā)達的歐美國家，我國在1958年才建成第一條長距離油氣管道，管道泄漏檢測技術(shù)也相對落后，對音波泄漏檢測技術(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[4～14]。當(dāng)前研究音波泄漏檢測技術(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)用音波法對輸氣管道的泄漏檢測進行了研究，設(shè)計了泄漏音波信號采集的硬件電路，并進行了試驗。北京化工大學(xué)提出了用基于區(qū)間信號平均能量平方的順序能量比率法進行管道音波泄漏信號識別的方法，提高了泄漏信號的信噪比和可靠性[15～17]。
    但大多數(shù)文獻中音波法試驗研究所用的試驗管道壓力只有幾個大氣壓，管道長度多為幾十米，這與實際管道的壓力、長度是不相符的[18～19]。由于管道中流體壓力不同、管道長度不同，管道發(fā)生泄漏時泄漏點處產(chǎn)生的音波信號及信號在管道中的傳播特性就會不同。因此，為了使試驗工況更進一步接近現(xiàn)場的泄漏工況，在實驗室中建立了1套高壓長輸管道泄漏檢測裝置，并對試驗裝置和實際管道進行了相似性分析，在大量音波泄漏檢測試驗的基礎(chǔ)上，對采集的音波數(shù)據(jù)進行了信號處理及特性分析，以期為音波法在輸氣管道泄漏檢測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及定位方法
    當(dāng)管道發(fā)生破裂時，管道中的壓力平衡受到破壞，輸送介質(zhì)從泄漏點流出，與管壁摩擦產(chǎn)生音波震蕩，音波信號沿著管道內(nèi)流體分別向管道上下游高速傳播。在音波傳播過程中，音波信號的高頻成分迅速衰減，只有低頻成分能傳播較遠的距離[20～21]。此時產(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)，通過提取信號的特征量來確定管道是否發(fā)生了泄漏，同時根據(jù)在管道兩端捕捉到同一泄漏信號的時間差和音波的傳播速度計算管道的泄漏位置。音波泄漏檢測示意圖如圖1所示。
 

2.1 泄漏檢測方法
   對輸氣管道進行泄漏檢測，主要是通過提取管道泄漏所發(fā)出信號的特征量，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)間信號的累加差分(sum AD)、均值差分(mean AD)、峰值差分(PD)特征。
    上述3個特征量中，信號峰值反映的是信號的強度，信號均值反映的是信號的平均強度，信號累加值反映的是信號的總體特征。3者可以有效地反映信號的特點。通過研究，決定選取第3種方法作為泄漏檢測的特征量。
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到2個音波泄漏的尖峰信號時，意味著泄漏音波信號到達了管道首末端，可用相關(guān)分析確定2個尖峰信號對應(yīng)的時間差。因為泄漏發(fā)生時上下游泄漏音波信號波形相似，只不過有個時間差。因此移動一端的音波信號與另一端音波信號做相關(guān)分析時，一定會有1個極大值點，找到這個極大值點就找到了音波到達上下游的時間差。
互相關(guān)公式如下所示：
 
式中T為泄漏音波在2個傳感器之間傳播的周期，；τ為時間差，；q1(t)、q2(t)表示音波傳感器的壓力信號隨時間變化；t為時間。未發(fā)生泄漏時，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，r12(τ)將達到最大值，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應(yīng)的τ0，即可進行泄漏檢測和定位?；ハ嚓P(guān)定位原理圖如圖2所示。
 

 
3 輸氣管道泄漏檢測及定位試驗裝置
3.1 試驗裝置
    試驗采用壓縮空氣作為氣源，氣體經(jīng)壓縮機加壓后，通過冷干機和過濾器除去水分和油滴，經(jīng)過高壓緩沖罐后進入測試管段，最后進入中壓緩沖罐放空。測試管段的起點和終點處設(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個泄漏點，分別位于距離測試管段起點39.8m、88.8m和149.6m位置處，泄漏點處裝有球閥和法蘭，法蘭內(nèi)藏孔板以代替泄漏孔，可根據(jù)試驗要求變換泄漏孔徑大小。試驗管道全長251.5m，測試管段長200.8m，管道內(nèi)徑為10mm，可承壓8MPa。
試驗裝置的起點和終點處分別安裝1個音波傳感器，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。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由音波傳感器、前置放大器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機等組成。高壓輸氣管線泄漏檢測裝置流程圖如圖3所示。
 
3.2 泄漏信號傳播特性分析
    通過信號幅值可以較容易地判斷管道的泄漏，這是因為音波信號是聲壓信號，而聲壓信號與一般的壓力信號有明顯的不同。管道沒有發(fā)生泄漏時，聲壓信號處于零值附近，并上下波動；當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，聲壓信號有一個很快下降的過程，之后又歸于零值附近。這種音波傳感器僅僅檢測壓力變化部分，通過合理的信號調(diào)理，使正常的壓力波動信號僅為A/D輸入信號量程的一部分，而泄漏引起的壓力變化范圍為A/D的滿量程，這樣便提高了信號的信噪比。同時，筆者認為這也是泄漏孔的孔徑相對于管道內(nèi)徑較大造成的，二者之比為0.045。若在實際的輸氣管道上，發(fā)生更小的泄漏，加上現(xiàn)場的各種噪聲，管道的泄漏就不容易辨識了。
    將音波信號進行時頻轉(zhuǎn)換，分析其頻域上的特性。由于隨機信號無法用時間函數(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)處理后的音波信號進行時頻轉(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的頻率段上是基本重合的，只是在起點附近兩者有所不同。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。
 

    分析可知對泄漏檢測有用的信號主要處于0～300Hz的頻段內(nèi)，其中大部分能量處于0～100Hz頻段內(nèi)。
3.3 泄漏檢測及定位特性分析
3.3.1泄漏判斷的特征量分析
    從上面對音波信號的時域和頻域分析中可以看出，信號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)間信號累加差分、均值差分、峰值差分的特征識別方法，也可以作為泄漏檢測的判斷依據(jù)。當(dāng)管道起點壓力為4.6MPa左右，泄漏孔徑為0.45mm時，將泄漏點1發(fā)生泄漏時采集到的測試管段終點的聲壓進行去噪，根據(jù)提出的相鄰區(qū)間信號累加差分、均值差分、峰值差分的算法，可分別得到終點信號累加差分結(jié)果如圖6所示，終點信號均值差分結(jié)果如圖7所示，終點信號峰值差分結(jié)果如圖8所示。

    從圖6～8可以看出，經(jīng)過提取之后，信號的特征量比之前的幅值特征量更加容易辨識，變化范圍更大。因此，泄漏信號的累加值差分、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，以檢驗泄漏檢測的可靠性，每個特征量的閾值選用泄漏前正常工況下特征量的最大值，以終點音波傳感器接收到的信號作為檢測對象。若采集信號的實際值大于閾值，則認定管道發(fā)生泄漏，否則認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，壓力等級為1.6MPa時，泄漏信號特征量判斷失誤，此判斷失誤處于泄漏孔徑較小，壓力等級較低的工況，通過調(diào)節(jié)動態(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
    泄漏定位試驗是與泄漏檢測試驗一起進行的，運用泄漏檢測采集到的數(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；靠近管道終點處的泄漏，其定位誤差要小于管道起點處的定位誤差。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，能較好地滿足實際應(yīng)用。
4 結(jié)束語
在分析音波法泄漏檢測及泄漏定位基本原理的基礎(chǔ)上，確定了反映泄漏檢測的信號特征量和泄漏定位方法，設(shè)計了音波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和泄漏檢測系統(tǒng)，利用實驗室中的高壓輸氣管道泄漏檢測平臺進行了不同輸氣壓力下不同泄漏量、泄漏位置的泄漏檢測和定位試驗。試驗結(jié)果表明：①所采用的泄漏信號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，泄漏檢測更容易進行；③泄漏位置越靠近管道終點，泄漏信號特征量與閾值相差越大，泄漏越容易判斷；④所設(shè)計的泄漏定位系統(tǒng)定位誤差小，試驗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。
參考文獻
[1] MUGGLETON J M，BRENNAN M J.The design and instrumentation of an experimental rig to investigate acoustic methods for the deteetian and location of underground piping systems [J].Applied Acoustics，2008，69(11)：1101-1107.
[2] KIM MIN-S0O，LEE SANG-KWON.Detection of leak acoustic signal in buried gas pipe based on the time-frequency analysis[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2009，22(6)：990-994.
[3] TOLSTOY A，HOROSHENKOV K V，BIN ALI M T.Detection.pipe changes via acoustic matched field processing[J].Applied Acoustics，2009，70(5)：695-702.
[4] 楊理踐，景曉斐，宮照廣.輸氣管道音波泄漏檢測技術(shù)的研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29(1)：70-73.
[5] 鄭志受，林偉國.基于壓電傳感器的管道泄漏信號可靠性識別技術(shù)研究[J].計量學(xué)報，2006，27(4)：343-346.
[6] 劉占輝.基于音波信號的泄漏檢測技術(shù)[D].長春：吉林大學(xué)，2007.
[7] 林偉國，陳萍，孫劍.具有工況適應(yīng)性的管道泄漏信號特征提取[J].化工學(xué)報，2008，59(7)：1716-1719.
[8] 李玉星，彭紅偉，唐建峰，等.天然氣長輸管道泄漏檢測方案對比[J].天然氣工業(yè)，2009，29(8)：101-104.
[9] 陳志剛，張來斌，王朝暉，等.應(yīng)用微波技術(shù)檢測天然氣管道泄漏[J].天然氣工業(yè)，2008，28(1)：119-121.
[10] 張麗娟，李帆，王文龍.兩種基于模式識別的枝狀燃氣管網(wǎng)泄漏定位方法[J].天然氣工業(yè)，2007，27(8)：106-108.
[11] 向素平，馮良，周義超.天然氣管道泄漏模型[J].天然氣工業(yè)，2007，27(7)：100-102.
[12] 張紅兵，李長俊.長距離輸氣管線泄漏監(jiān)測技術(shù)研究[J].石油與天然氣化工，2005，34(2)：146-148.
[13] 沈淑杰.淺談輸油管線檢漏系統(tǒng)在清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用及效益[J].石油與天然氣化工，2005，34(4)：339-341.
[14] 張紅兵，李長俊，羅剛強，等.管道泄漏實時檢測和定位系統(tǒng)[J].石油與天然氣化工，2004，23(3)：214-216.
[15] 毛海杰.天然氣長輸管道泄漏點的檢測與定位方法研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2004.
[16] 牛樹偉.音波測漏技術(shù)在長輸管道上的實現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008(15)：84-85.
[17] 譚興強.管道泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.
[18] MIN RAE，LEE JOORR HYUM.Acoustic emission technique for pipeline leak detection[J].Key Engineering Materials，2000，186(4)：888-892.
[19] MILLER R K，POLLOCK A A，F(xiàn)INKD P，et al.The development of acoustic emission for leak detection and location in liquid-filled，buried pipelines[J].Journal of Acoustic Emission，2001，32(2)：245-256.
[20] MILLER R K，POLLOCK A A，F(xiàn)INKEl.P.A reference for the development of acoustic emission pipeline leak detection techniques[J].NDT ＆ E，1999，32(1)：1-8.
[21] MUGGLETON J M，BRENNAN M J.Leak noise propagation and attenuation in submerged plastic water pipes[J].Journal of Sound and Vibration，2004，278(3)：527-537.
 
(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)儲建學(xué)院)