基于特征量提取的輸氣管道微泄漏檢測

孟令雅，劉翠偉，劉 超，李玉星，劉光曉

(1.中國石油大學信息與控制工程學院,山東青島266580；2.中國石油大學儲運與建筑工程學院,山東青島266580；3.中石化冠德控股有限公司,香港)

當輸氣管線發(fā)生泄漏時,泄漏音波通過管內(nèi)介質(zhì)以聲速向管線上下游傳遞,同時伴隨泄漏音波的還有背景噪聲[1-4]。Watanabe等[5]介紹了一種用于兩座壓氣站的氣體長輸管線的新的泄漏和定位方法。Kim等[6]對埋地分支輸氣管道的音波泄漏信號進行了時域分析,這種方法可以在窄帶和低頻下定位鋼管的泄漏點。夏海波等[7]將管道泄漏產(chǎn)生的負壓波進行多尺度小波變換,來識別管道的泄漏特征。李健等[8]設計了一種管道安全預警系統(tǒng),研制的系統(tǒng)對管道破壞信號的檢測不會受該管道輸送介質(zhì)的影響。李偉國等[9]以壓電式動態(tài)壓力傳感器采集到的管道泄漏信號為研究對象,研究了在不同工況下首末站泄漏信號的差別,選取相鄰區(qū)間信號數(shù)據(jù)的累加值差分、均值差分以及峰值差分作為泄漏信號的特征量,并在獲得的泄漏信號上對這些特征量進行了驗證,這些特征量具備很好的適用性。楊進等[10]分析了泄漏信號的頻率分布特征以及泄漏量對頻率分布特征的影響,并利用互相關(guān)分析實現(xiàn)了泄漏點的定位,其中互相關(guān)分析主要計算泄漏信號到達上下游傳感器的時間差。雖然國內(nèi)外學者對泄漏音波信號的產(chǎn)生及處理[11-12]進行了很多研究,但并未對泄漏音波及干擾信號進行系統(tǒng)研究,尤其是對微小泄漏和緩慢泄漏研究甚少。筆者研究泄漏信號的處理方法,得到管道運行中干擾信號與泄漏信號的區(qū)別特征量,以提高檢測準確度。

1 試驗裝置

采用高壓輸氣管道泄漏檢測裝置[13],裝置總長251.5 m,測試管段全長199.85 m,最高承壓8 MPa,設計運行最高壓力6.4 MPa,管徑為Φ14 mm×2 mm,設計流量為60 m3/h,沿線共設有3個泄漏點,分別距起點音波傳感器40.34、88.33和149.02 m,泄漏點由內(nèi)置孔板的法蘭和球閥構(gòu)成,可以根據(jù)試驗要求改變泄漏孔徑,通過迅速開關(guān)閥門模擬泄漏發(fā)生。在3個泄漏點處及管線起、終點處分別安裝音波傳感器,實時采集泄漏動態(tài)壓力信號,從而保證在一個泄漏點模擬泄漏時能夠同時檢測到泄漏點音波信號及經(jīng)過傳播后的泄漏音波信號,從而研究不同泄漏位置、不同泄漏量等工況下音波信號的衰減情況。音波數(shù)據(jù)的采樣率為30 kHz,試驗裝置流程如圖1所示。干擾信號是指由正常管道操作及外界活動引起的聲音信號。所用到的干擾信號包括壓縮機開啟與關(guān)閉信號、減壓閥開啟與關(guān)閉信號、敲擊信號等。

圖1 高壓輸氣管道音波泄漏檢測裝置Fig.1 Ultrasonic leak detection devices for high pressure gas pipeline

試驗完成后,分別得到了泄漏信號、壓縮機啟停信號、調(diào)壓閥開關(guān)信號和敲擊信號,這些信號的波形見圖2。

2 信號相關(guān)函數(shù)分析

2.1 相關(guān)函數(shù)

相關(guān)函數(shù)也稱作相關(guān)積分,能夠描述某個信號與另一個延時信號之間的相似程度,是信號鑒別的有力工具。

如果有兩個信號x(t)、y(t),則其互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)的定義為

互相關(guān)函數(shù)表征了兩個不同的隨機過程在相隔時間τ的兩個不同時刻取值的相關(guān)程度。

當x(t)、y(t)是同一個信號時,Rxy(τ)=Ryx(τ)=Rxx(τ),稱作信號x(t)的自相關(guān)函數(shù),可計算為

自相關(guān)函數(shù)表征了一個隨機性信號在相隔τ的兩個不同時刻取值的相關(guān)程度。

2.2 泄漏及干擾信號相關(guān)函數(shù)分析

利用相關(guān)函數(shù)定義式對泄漏信號及干擾信號的相關(guān)性進行計算。

圖2 不同信號波形Fig.2 Waveforms of different signals

2.2.1 泄漏信號

以壓力為1.5 MPa時打開泄漏點1為例,取80萬點數(shù)據(jù)。起點傳感器(音波傳感器1)采集的原始信號和終點傳感器(音波傳感器5)采集的原始信號見圖3。求得該樣本的起、終點自相關(guān)函數(shù)與起、終點互相關(guān)函數(shù)見圖4、5。

圖3 泄漏音波信號Fig.3 Figures of leak signals

圖4 泄漏音波信號自相關(guān)函數(shù)Fig.4 Auto-correlation functions of leak signals

圖5 起、終點泄漏信號互相關(guān)函數(shù)Fig.5 Cross-correlation function of starting and terminal leak signals

2.2.2 背景噪音信號

取一部分噪音信號進行分析,數(shù)據(jù)取20萬個點,求得起、終點背景噪音的自相關(guān)函數(shù)與互相關(guān)函數(shù)見圖 6、7。

圖6 背景噪音信號自相關(guān)函數(shù)Fig.6 Autocorrelation functions of background noise signals

綜合分析起、終點泄漏信號及相應的背景噪音相關(guān)函數(shù)圖形,可以讀出起、終點泄漏信號的自相關(guān)函數(shù)最大值分別為123606、47345,起、終點信號的互相關(guān)函數(shù)最大值為35 810。起、終點背景噪音自相關(guān)函數(shù)最大值分別為310.6、8815,起、終點背景噪音互相關(guān)函數(shù)最大值為126.2。

圖7 起終點背景噪音互相關(guān)函數(shù)Fig.7 Cross-correlation function of starting and terminal background noise signals

泄漏音波信號的自相關(guān)函數(shù)遠遠高于周圍背景噪音的自相關(guān)分析,對于較弱的終點泄漏信號,其自相關(guān)性數(shù)值也非?？捎^,可以根據(jù)泄漏信號的自相關(guān)函數(shù)檢測泄漏的發(fā)生。另外,起、終點的噪聲信號隨機性大,信號相關(guān)度很小,遠遠小于起、終點泄漏信號的互相關(guān)函數(shù)。

2.2.3 干擾信號

計算得到壓縮機開啟和關(guān)閉時的相關(guān)函數(shù),以壓縮機關(guān)閉為例作出圖8、9。

圖8 壓縮機關(guān)閉信號自相關(guān)函數(shù)Fig.8 Autocorrelation functions of compressor shutoff signals

綜合分析干擾信號的相關(guān)函數(shù)圖形,可以知道干擾信號自身相關(guān)性很強,起、終點信號的互相關(guān)性很強。利用相關(guān)函數(shù)可以將強干擾信號從背景噪音中區(qū)分出來。在這些干擾信號中,壓縮機和減壓閥信號最大相關(guān)函數(shù)值遠遠高于敲擊信號相關(guān)函數(shù)最大值。相對來說,敲擊信號發(fā)生瞬間幅值較大,但信號相關(guān)性較弱,尤其是互相關(guān)性更弱,這是由于敲擊信號傳至終點音波傳感器時,衰減很大,幾乎湮沒在背景噪音中,因此與起點的敲擊信號互相關(guān)性較弱。各種信號的相關(guān)函數(shù)圖圖形各有特點,因此相關(guān)函數(shù)可以作為區(qū)分干擾信號的一個特征量。

圖9 壓縮機關(guān)閉信號互相關(guān)函數(shù)Fig.9 Cross-correlation function of compressor shutoff signals

計算得到減壓閥關(guān)閉和開啟信號的相關(guān)函數(shù)圖,以減壓閥關(guān)閉為例作出圖10、11。

圖10 減壓閥關(guān)閉信號自相關(guān)函數(shù)Fig.10 Autocorrelation functions of regulator close signals

圖11 減壓閥關(guān)閉信號互相關(guān)函數(shù)Fig.11 Cross-correlation functions of regulator close signals

敲擊信號的相關(guān)函數(shù)見圖12、13。

圖12 敲擊信號自相關(guān)函數(shù)Fig.12 Autocorrelation functions of knock signals

圖13 敲擊起終點信號互相關(guān)函數(shù)Fig.13 Cross-correlation function of knock signals

3 泄漏及干擾信號協(xié)方差函數(shù)分析

3.1 協(xié)方差函數(shù)

設有兩個離散隨機信號為X={x(n)},Y={y(n)},n=0,1,…,N-1,則兩信號互協(xié)方差函數(shù)的定義[14]為

如果信號X與信號Y為同一個信號,則這個信號的自協(xié)方差函數(shù)定義為

可以看出,自協(xié)方差與自相關(guān)函數(shù)偏移了一個平均值,推出相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差關(guān)系為

3.2 泄漏及干擾信號

根據(jù)協(xié)方差的定義式計算泄漏信號、背景噪音及干擾信號的協(xié)方差函數(shù)。

以壓力為1.5 MPa時打開泄漏點1為例,取80萬點數(shù)據(jù)。先求得該樣本的起、終點自協(xié)方差函數(shù)與互協(xié)方差函數(shù)；再取20萬點,求得起、終點背景噪音的自協(xié)方差函數(shù)與互協(xié)方差函數(shù)。計算結(jié)果見表1。

通過泄漏信號與背景噪音的協(xié)方差函數(shù)最大值對比,可以知道,泄漏信號的自協(xié)方差與互協(xié)方差遠遠大于背景噪音的自協(xié)方差與互協(xié)方差,因此協(xié)方差函數(shù)也可以作為泄漏判斷的標志。

協(xié)方差函數(shù)比相關(guān)函數(shù)略顯平滑,但綜合比較來看,兩者都可以判別泄漏,其最大值相差并不大(表1)。

表1 泄漏信號相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)對比Table 1 Correlation and covariance functions of leak signals

由表1可以看出,泄漏信號的相關(guān)系數(shù)和協(xié)方差系數(shù)都分別比其背景噪音的高很多。本試驗數(shù)據(jù)采用的是泄漏點1的數(shù)據(jù),由于泄漏點1距離起點音波傳感器近,離終點音波傳感器遠,所以終點的音波衰減嚴重,波形不明顯,故終點音波信號的自相關(guān)程度不如起點音波的自相關(guān)程度高。盡管終點音波比較微弱,但其自身相關(guān)性仍然是周圍背景噪音自相關(guān)性的5倍多,所以通過相關(guān)函數(shù)和協(xié)方差函數(shù)可以檢測微弱信號。從表1中也可以看到,起、終點泄漏信號之間的互相關(guān)程度遠遠高于背景噪音之間的互相關(guān)程度,所以相關(guān)函數(shù)及協(xié)方差函數(shù)可以作為檢測微弱信號的一種判斷方法。利用此方法檢測微弱信號,簡單易行,效果較好。

對于壓縮機開啟和關(guān)閉信號,求解其自協(xié)方差函數(shù)及互協(xié)方差函數(shù),并以壓縮機關(guān)閉為例進行計算得到壓縮機關(guān)閉信號相關(guān)函數(shù)的最大值,見表2。

表2 壓縮機關(guān)閉信號相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)對比Table 2 Correlation and covariance functions of compressor shutoff signals

由表2可以看出,無論是起點信號還是終點信號,壓縮機關(guān)閉信號的自相關(guān)性和互相關(guān)性都很高,遠遠高于周圍背景噪音的相關(guān)性。與壓縮機開啟時的信號相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)對比,兩者的相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)圖形和數(shù)值很相似,說明壓縮機開啟和關(guān)閉信號具有很強的相似性。利用協(xié)方差函數(shù)可以在強背景噪音中將壓縮機信號區(qū)分出來。

對于減壓閥開啟和關(guān)閉信號,求解信號的自協(xié)方差函數(shù)以及互協(xié)方差函數(shù),并以減壓閥關(guān)閉為例計算得到減壓閥關(guān)閉信號的協(xié)方差函數(shù)的最大值,并與對應的相關(guān)函數(shù)比較,見表3。由表3可以看出,無論是起點信號還是終點信號,減壓閥關(guān)閉信號的自相關(guān)性和互相關(guān)性都很高,遠遠高于周圍背景噪音的相關(guān)性,說明減壓閥關(guān)閉信號并非雜亂無章,而是存在很強的相關(guān)性。由于減壓閥安裝在管道試驗區(qū)域的進口側(cè),所以起點音波傳感器的音波信號較強,相關(guān)性也很強,經(jīng)過一段距離的傳播,信號衰減較大,致使信號相關(guān)性減弱。

表3 減壓閥關(guān)閉信號相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)對比Table 3 Correlation and covariance functions of regulator close signals

讀取減壓閥關(guān)閉信號的協(xié)方差函數(shù)的最大值,并與對應的相關(guān)函數(shù)進行比較,減壓閥關(guān)閉信號的自相關(guān)性和互相關(guān)性程度都非常高。減壓閥信號的相關(guān)性一般比泄漏信號及其他干擾信號都高,這與減壓閥信號變化劇烈,最高幅值遠高于其他信號等因素有關(guān)。

對敲擊音波信號,求解其自協(xié)方差函數(shù)及互協(xié)方差函數(shù)圖,得到敲擊信號協(xié)方差函數(shù)的最大值與相應相關(guān)函數(shù)最大值,進行對比見表4。

表4 敲擊信號相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)對比Table 4 Correlation and covariance of knock signals

由表4可知,敲擊信號相關(guān)程度高于周圍噪聲信號相關(guān)程度,但與其他干擾信號相比,其相關(guān)程度顯得較低,這表明敲擊信號隨機性較高,而且經(jīng)過一段距離的傳播之后,衰減非常迅速。終點信號自相關(guān)函數(shù)及自協(xié)方差數(shù)值偏小,與周圍背景噪音的絕對差值不大,如果背景噪音稍強,則很容易被湮沒在噪音中。起、終點信號相關(guān)性很低,這也表明了敲擊信號在傳播過程中容易衰減,信號強度不斷降低,不宜遠傳。相關(guān)函數(shù)和協(xié)方差函數(shù)可以將泄漏與干擾信號從強背景噪音信號中辨別出來,兩者也可以用于檢測微弱的有用信號。此外,各種信號的相關(guān)性分析圖各有特點,可以作為區(qū)分信號的輔助參考量。

泄漏與干擾信號之間、各種干擾信號之間的特征量既有相似點又有差異,而某些信號的個別特征量明顯異于其他信號,這使得這些信號能夠跟其他信號區(qū)別開。

對于泄漏信號,由于泄漏信號強度隨著壓力等級的變化而變化,因此幅值不能作為判斷泄漏信號的依據(jù)。對于減壓閥開閉信號,除了信號幅值一般非常大外,其各項統(tǒng)計特征量均沒有非常獨特的特點,但是其相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)的自相關(guān)性和互相關(guān)性的相關(guān)性均最好,相應值最高。對于敲擊信號,其波形與泄漏信號類似,但是其相關(guān)性很差,明顯低于泄漏及其他干擾信號。此外,就信號從極值逐漸恢復變?yōu)?的時間來說,壓縮機與減壓閥信號恢復時間最長,泄漏信號次之,敲擊信號最短。

4 結(jié) 論

(1)泄漏音波信號的自相關(guān)性和互相關(guān)性都很強,背景噪音信號相關(guān)性很差。終點微弱信號的相關(guān)性最大值遠高于周圍背景噪音的相關(guān)性,信號的相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)可以作為檢測微弱信號的一種手段。對于干擾信號,其相關(guān)性也較強,尤其是壓縮機信號及減壓閥信號,相關(guān)性數(shù)值非常大,而相比之下敲擊信號相關(guān)性較差。

(2)信號的相關(guān)性分析可以對輸氣管道微泄漏進行檢測,即通過相關(guān)函數(shù)數(shù)值可以將泄漏信號和背景噪聲區(qū)分開；同時對諸如減壓閥操作、壓縮機啟停、敲擊等干擾因素也可以通過相關(guān)函數(shù)數(shù)值從背景噪聲中識別。

(3)對采用相關(guān)函數(shù)數(shù)值提取出的泄漏信號、減壓閥操作信號、壓縮機啟停信號、敲擊信號可以通過整體峰度值進行區(qū)分。

(4)在不確定是否存在干擾信號的前提下,通過相關(guān)分析可以從背景噪聲中提取泄漏信號或干擾信號,進而對信號進行整體峰度值計算,若整體峰度值高于閾值,則認為泄漏發(fā)生。

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