路通達(dá)

（中石化石油工程設(shè)計有限公司，東營 257026）

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

隨著計算機技術(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)用到管道泄漏檢測中，提高了泄漏檢測的可靠性和準(zhǔn)確度。將管道檢測及定位系統(tǒng)與管網(wǎng)SCADA（supervisory control and data acquisition）系統(tǒng)融為一體是管道檢測技術(shù)發(fā)展的趨勢[1]。

1 音波泄漏檢測技術(shù)簡介

音波泄漏檢測是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N檢測技術(shù)。它是基于泄漏時氣體與管道相互碰撞產(chǎn)生振動，形成音波的原理所開發(fā)的管道泄漏檢測系統(tǒng)。音波泄漏檢測系統(tǒng)定位精確，誤報率低，并能對少量泄漏進行報警[2]。因此，具有很大的經(jīng)濟價值和市場前景。

1.1 音波泄漏檢測的基本原理

當(dāng)輸氣管道發(fā)生破裂時，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)聽并捕捉音波波形，根據(jù)管道在兩端捕捉到的泄漏信號的時間差計算得到泄漏位置[3]，泄漏檢測原理如圖1所示。

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

音波傳感器具有實時在線功能，能夠全天候采集管道的音波信號，并將其發(fā)送到現(xiàn)場音波采集處理器。音波泄漏檢測系統(tǒng)具有智能模式識別的特點，在正常情況下，系統(tǒng)采集的音波信號歸納為背景噪音，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，并與音波泄漏檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的管道模型比較，超出管道模型報警閾值后，系統(tǒng)將迅速指出泄漏位置，并報警提示。

1.2 音波泄漏檢測的定位原理

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

式中：x為泄漏點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間差。

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

1.2.1 音波傳播到上下游傳感器的時間差Δt

Δt通過GPS求得。音波泄漏檢測系統(tǒng)現(xiàn)場及控制中心均配備GPS，其誤差在450 ns之內(nèi)，因為現(xiàn)場及控制中心GPS時間同步且相互獨立，不會因通訊故障或極端惡劣天氣而影響系統(tǒng)檢測泄漏事件[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，泄漏點的計算公式為

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]。隨著長輸管道的發(fā)展，輸氣管道正朝著大口徑、高壓力趨勢發(fā)展，同時由于管道距離長，摩擦散熱明顯的特點，音波傳輸速度必須考慮壓力和溫度等因素，從而提高泄漏檢測的定位精度。

2 音波檢測系統(tǒng)組成及核心技術(shù)

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

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

從圖2不難看出，音波檢測技術(shù)的核心關(guān)鍵是高靈敏度的音波檢測傳感器、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微小的震動信號，同時，也可靈敏地接收到輸氣管道泄漏時氣體介質(zhì)的能量波動和變化。

2.2 背景噪音的甄別和濾除算法

為了濾除信號中頻率處于音波范圍以外的信號就必須使用濾波器進行濾波，在大部分檢測儀器中都要對信號進行濾波處理。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，當(dāng)噪聲信號的頻率范圍在此之內(nèi)時，濾波器往往無能為力，而確定隨機噪聲信號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題[9]。

小波分解是能在時域和頻域均能對信號進行分析的方法，具有諸多優(yōu)點，例如可以對信號在不同范圍、不同的時間區(qū)域內(nèi)進行剖析，對噪聲不敏感和能夠獲得信號的細(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f（t）作內(nèi)積。

如果函數(shù)ψ（t）滿足容許性條件：

則信號 f（t）的小波分解為

等效的頻域表示為

小波分解同時具有時域和頻域的良好局部化性質(zhì)，隨著信號不同頻率成分在時間（空間）域取樣的疏密自動調(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，可以由粗到精的分析信號。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下對信號作濾波，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恒定相對帶寬，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域和頻域都具有表征信號局部特征的能力，因此，非常適合于檢測音波信號的瞬態(tài)或奇異點。

音波信號波形經(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

音波信號的噪音甄別和濾除過程可分為3個步驟進行：

步驟1 小波分解。選擇一個小波并確定小波分解的階次，然后將含有噪聲的信號按照相應(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，得到去噪后的信號。

3 音波法在勝利油田的試驗

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

3.1 廬配至東配的試驗

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

該管道主要參數(shù)如下：

·管道長度：6.4 km左右，管道直徑為325 mm；

·運行壓力：廬配1MPa左右，東配0.9MPa左右；

·管道流量：約13萬m3/d，高峰時約1.2萬m3/d。

從圖4和圖5中，可看出經(jīng)過五階小波分解后，音波信號中的噪聲及干擾信號得到有效的去除，泄漏信息得到體現(xiàn)。在每組信號中可看到多個回波信號，根據(jù)這些回波信號，計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得的音波信號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得的音波信號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行了音波泄漏檢測設(shè)備的安裝及試驗，主要來測試音波在高壓、長距離輸氣管線中的傳輸規(guī)律。

該管道主要參數(shù)如下：

·管道長度：37 km；

·運行壓力：3.3 MPa；

·管道流量：約 5000～6000 m3/h。

圖6 埕島測得的音波信號Fig.6 Cheng-dao measured acoustic signal

圖7 孤島測得的音波信號Fig.7 Gu-dao measured acoustic signal

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

4 結(jié)語

介紹了音波法檢測技術(shù)和泄漏定位的原理，并設(shè)計了音波泄漏檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了泄漏信號的有效識別。通過在勝利油田兩條輸氣管道上現(xiàn)場試運行表明，音波法不僅可以對低壓、短距離輸氣管道進行泄漏檢測，而且可以對高壓、長距離輸氣管道進行有效的檢測。同時，通過多階小波分解，可以有效提高音波泄漏檢測系統(tǒng)的消噪能力，敏銳的撲捉泄漏音波信號。

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

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