基于音波法的輸氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究

路通達(dá)

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，東營(yíng) 257026）

隨著輸氣管道的發(fā)展，泄漏的概率也在逐年增長(zhǎng)，管道泄漏不僅將造成油氣資源的損失，而且還會(huì)污染環(huán)境，有時(shí)甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。因此，對(duì)輸氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，保障管道的安全可靠運(yùn)行是十分必要的。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)、智能系統(tǒng)和專家系統(tǒng)等方法已應(yīng)用到管道泄漏檢測(cè)中，提高了泄漏檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確度。將管道檢測(cè)及定位系統(tǒng)與管網(wǎng)SCADA（supervisory control and data acquisition）系統(tǒng)融為一體是管道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

1 音波泄漏檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

音波泄漏檢測(cè)是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N檢測(cè)技術(shù)。它是基于泄漏時(shí)氣體與管道相互碰撞產(chǎn)生振動(dòng)，形成音波的原理所開(kāi)發(fā)的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)定位精確，誤報(bào)率低，并能對(duì)少量泄漏進(jìn)行報(bào)警[2]。因此，具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)前景。

1.1 音波泄漏檢測(cè)的基本原理

當(dāng)輸氣管道發(fā)生破裂時(shí)，管道內(nèi)氣體與管壁摩擦產(chǎn)生音波震蕩，音波沿著管道內(nèi)介質(zhì)向管道上、下游高速傳播，安裝在管段兩端的音波傳感器監(jiān)聽(tīng)并捕捉音波波形，根據(jù)管道在兩端捕捉到的泄漏信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算得到泄漏位置[3]，泄漏檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 音波泄漏檢測(cè)原理圖Fig.1 Principle diagram of the acoustic leak detection

音波傳感器具有實(shí)時(shí)在線功能，能夠全天候采集管道的音波信號(hào)，并將其發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)音波采集處理器。音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)具有智能模式識(shí)別的特點(diǎn)，在正常情況下，系統(tǒng)采集的音波信號(hào)歸納為背景噪音，并結(jié)合氣體的壓力和溫度等參數(shù)，通過(guò)理論歸納推演出管道的數(shù)學(xué)模型。而當(dāng)管道一旦發(fā)生泄漏，由此引發(fā)的音波信號(hào)和普通的背景噪音一起傳到音波傳感器，并與音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的管道模型比較，超出管道模型報(bào)警閾值后，系統(tǒng)將迅速指出泄漏位置，并報(bào)警提示。

1.2 音波泄漏檢測(cè)的定位原理

音波信號(hào)從泄漏點(diǎn)向兩端傳播，根據(jù)到達(dá)管道兩端的時(shí)間差和音波傳播的速度就可確定泄漏點(diǎn)的位置。其基本原理如下：設(shè)管道的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，管道的起點(diǎn)為A，終點(diǎn)為B，發(fā)生泄漏點(diǎn)的位置為C點(diǎn)，與A點(diǎn)的距離為x，泄漏信號(hào)傳播到A點(diǎn)的時(shí)間為t1、到達(dá)B點(diǎn)的時(shí)間為SN，波速為v，則：

式中：x為泄漏點(diǎn)距上游音波傳感器的距離；L為上、下游音波傳感器之間的間距；v為音波的傳播速度；Δt為上、下游音波傳感器接收到音波的時(shí)間差。

由式（2）可以看出，泄漏點(diǎn)的計(jì)算公式很簡(jiǎn)單。式中，管道兩相鄰傳感器之間的準(zhǔn)確長(zhǎng)度L是已知的。因此，音波傳播到上、下游傳感器的時(shí)間差Δt和精確確定音波的傳播速度v是兩項(xiàng)關(guān)鍵[4]。

1.2.1 音波傳播到上下游傳感器的時(shí)間差Δt

Δt通過(guò)GPS求得。音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)及控制中心均配備GPS，其誤差在450 ns之內(nèi)，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)及控制中心GPS時(shí)間同步且相互獨(dú)立，不會(huì)因通訊故障或極端惡劣天氣而影響系統(tǒng)檢測(cè)泄漏事件[5]。

1.2.2 音波的傳播速度v

綜合考慮輸氣管道彈性特征模量、直徑、厚度及氣體介質(zhì)密度等因素[6]，音波傳播速度v寫為

由式（1）可推出，泄漏點(diǎn)的計(jì)算公式為

音波在氣體介質(zhì)中的傳播速度通常認(rèn)為是固定數(shù)值，而對(duì)于輸氣管道材質(zhì)的彈性模量或管道厚度e很大的剛性管道[7]，在滿足可靠性和穩(wěn)定性要求的情況下式（3）又可適當(dāng)簡(jiǎn)化為

式中：v為音波的傳播速度，m/s；ap為氣體壓縮系數(shù)，Pa-1；ρ為氣體的密度，kg/m3。

由式（4）可得出，音波傳播速度與氣體密度和氣體壓縮系數(shù)有關(guān)[8]。隨著長(zhǎng)輸管道的發(fā)展，輸氣管道正朝著大口徑、高壓力趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)由于管道距離長(zhǎng)，摩擦散熱明顯的特點(diǎn)，音波傳輸速度必須考慮壓力和溫度等因素，從而提高泄漏檢測(cè)的定位精度。

2 音波檢測(cè)系統(tǒng)組成及核心技術(shù)

音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)由音波傳感器、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理器、現(xiàn)場(chǎng)GPS時(shí)間接收器、控制中心GPS時(shí)間接收器、控制中心數(shù)據(jù)匯集處理器和控制中心監(jiān)控主機(jī)組成，如圖2所示。

圖2 音波測(cè)漏系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of acoustic leak detection system

從圖2不難看出，音波檢測(cè)技術(shù)的核心關(guān)鍵是高靈敏度的音波檢測(cè)傳感器、背景噪音的甄別和濾除算法。

2.1 音波傳感器

高靈敏度的音波傳感器是保證泄漏檢測(cè)準(zhǔn)確率的前提保證，它能夠發(fā)現(xiàn)并捕捉輸氣管道泄漏時(shí)微小的震動(dòng)信號(hào)，同時(shí)，也可靈敏地接收到輸氣管道泄漏時(shí)氣體介質(zhì)的能量波動(dòng)和變化。

2.2 背景噪音的甄別和濾除算法

為了濾除信號(hào)中頻率處于音波范圍以外的信號(hào)就必須使用濾波器進(jìn)行濾波，在大部分檢測(cè)儀器中都要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。然而，傳統(tǒng)的濾波器只能濾去截止頻率和帶通范圍外的噪聲信號(hào)，當(dāng)噪聲信號(hào)的頻率范圍在此之內(nèi)時(shí)，濾波器往往無(wú)能為力，而確定隨機(jī)噪聲信號(hào)所在的頻率范圍往往不易做到，小波分解能夠很好地解決此類問(wèn)題[9]。

小波分解是能在時(shí)域和頻域均能對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析的方法，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如可以對(duì)信號(hào)在不同范圍、不同的時(shí)間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行剖析，對(duì)噪聲不敏感和能夠獲得信號(hào)的細(xì)節(jié)等。

小波分解就是把某一被稱為基本小波（mother wavelet）的函數(shù) ψ（t）作位移 τ后，再在不同尺度 a下與待分析信號(hào)f（t）作內(nèi)積。

如果函數(shù)ψ（t）滿足容許性條件：

則信號(hào) f（t）的小波分解為

等效的頻域表示為

小波分解同時(shí)具有時(shí)域和頻域的良好局部化性質(zhì)，隨著信號(hào)不同頻率成分在時(shí)間（空間）域取樣的疏密自動(dòng)調(diào)節(jié)，可達(dá)到效率高、質(zhì)量佳的效果[10]。

小波分解具有多分辨即多尺度特點(diǎn)，可以由粗到精的分析信號(hào)。即將小波分解看成基本頻率特性為ψ^（w）的帶通濾波器在不同尺度a下對(duì)信號(hào)作濾波，小波分解帶通濾波器的帶寬與中心頻率f成亦即濾波器有一個(gè)恒定相對(duì)帶寬，即品質(zhì)因數(shù)恒定。適當(dāng)?shù)倪x擇基本小波使ψ（t）在時(shí)域上為有限支撐[11]，ψ^（w）在頻域上也比較集中便可以使小波分解在時(shí)域和頻域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，因此，非常適合于檢測(cè)音波信號(hào)的瞬態(tài)或奇異點(diǎn)。

音波信號(hào)波形經(jīng)小波分解消噪前后示意圖，如圖3所示。

圖3 音波信號(hào)波形小波分解消噪前后示意圖Fig.3 Schematic diagram of acoustic signal wavelet analysis denoising before and after

音波信號(hào)的噪音甄別和濾除過(guò)程可分為3個(gè)步驟進(jìn)行：

步驟1 小波分解。選擇一個(gè)小波并確定小波分解的階次，然后將含有噪聲的信號(hào)按照相應(yīng)的小波基求得各階次的小波分解后的高頻系數(shù)。

步驟2 小波分解高頻系數(shù)的閾值處理。對(duì)階尺度上分解得到的高頻系數(shù)在相應(yīng)階次上的門限值進(jìn)行量化處理，得到新的小波高頻系數(shù)。

步驟3 小波重構(gòu)。根據(jù)分解得到的階低頻概貌和經(jīng)過(guò)閾值處理后得到的階的高頻系數(shù)，用小波合成重構(gòu)信號(hào)，得到去噪后的信號(hào)。

3 音波法在勝利油田的試驗(yàn)

為驗(yàn)證音波法是否能夠應(yīng)用于輸氣管道的泄漏檢測(cè)，在勝利油田選取了一段低壓、短距離管道和高壓、長(zhǎng)距離管道，分別進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.1 廬配至東配的試驗(yàn)

2009年12月，在勝利油田廬山路配氣站至東城配氣站進(jìn)行了音波泄漏檢測(cè)設(shè)備的安裝及試驗(yàn)，主要是測(cè)試音波在低壓、短距離輸氣管線中的傳輸規(guī)律。

該管道主要參數(shù)如下：

·管道長(zhǎng)度：6.4 km左右，管道直徑為325 mm；

·運(yùn)行壓力：廬配1MPa左右，東配0.9MPa左右；

·管道流量：約13萬(wàn)m3/d，高峰時(shí)約1.2萬(wàn)m3/d。

從圖4和圖5中，可看出經(jīng)過(guò)五階小波分解后，音波信號(hào)中的噪聲及干擾信號(hào)得到有效的去除，泄漏信息得到體現(xiàn)。在每組信號(hào)中可看到多個(gè)回波信號(hào)，根據(jù)這些回波信號(hào)，計(jì)算得到的音波波速在此條件下約為420 m/s。

圖4 五階小波分解后廬配測(cè)得的音波信號(hào)Fig.4 5 order after wavelet analysis of the Lu-pei measured acoustic signal

圖5 五階小波分解后東配測(cè)得的音波信號(hào)Fig.5 5 order after wavelet analysis of the Dong-pei measured acoustic signal

3.2 埕島至孤島的應(yīng)用

在廬配至東配試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2010年8月在埕島天然氣預(yù)處理站至孤島壓氣站的氣管線進(jìn)行了音波泄漏檢測(cè)設(shè)備的安裝及試驗(yàn)，主要來(lái)測(cè)試音波在高壓、長(zhǎng)距離輸氣管線中的傳輸規(guī)律。

該管道主要參數(shù)如下：

·管道長(zhǎng)度：37 km；

·運(yùn)行壓力：3.3 MPa；

·管道流量：約 5000～6000 m3/h。

圖6 埕島測(cè)得的音波信號(hào)Fig.6 Cheng-dao measured acoustic signal

圖7 孤島測(cè)得的音波信號(hào)Fig.7 Gu-dao measured acoustic signal

與廬配-東配天然氣管道不同，本段試驗(yàn)管道長(zhǎng)度約為前者的6倍，管徑約為前者的5/6，正常輸氣時(shí)的管道壓強(qiáng)約為前者的3～4倍，低壓端沒(méi)有用戶用氣干擾。證明了音波傳感器可以在高壓輸送的長(zhǎng)距離輸氣管道上檢測(cè)泄漏過(guò)程中所產(chǎn)生的音波信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了音波法檢測(cè)技術(shù)和泄漏定位的原理，并設(shè)計(jì)了音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了泄漏信號(hào)的有效識(shí)別。通過(guò)在勝利油田兩條輸氣管道上現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行表明，音波法不僅可以對(duì)低壓、短距離輸氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，而且可以對(duì)高壓、長(zhǎng)距離輸氣管道進(jìn)行有效的檢測(cè)。同時(shí)，通過(guò)多階小波分解，可以有效提高音波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的消噪能力，敏銳的撲捉泄漏音波信號(hào)。

音波法在國(guó)外有廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果，但國(guó)內(nèi)的研究較少，因此，如何結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況推廣應(yīng)用音波檢測(cè)技術(shù)還需不斷深入研究。

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