申成華

摘? ? ? 要：針對(duì)原油長(zhǎng)輸管道的泄漏定位問(wèn)題，結(jié)合目前常見(jiàn)的負(fù)壓波泄漏檢測(cè)技術(shù)，對(duì)該技術(shù)的原理及影響因素進(jìn)行分析，對(duì)負(fù)壓波泄漏定位技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中上下游壓力信號(hào)的同步、信號(hào)去燥處理及時(shí)間差確定兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，最終通過(guò)誤差對(duì)比的方式確定該技術(shù)的優(yōu)越性。研究表明：在上下游壓力信號(hào)同步方面可以采用固定延時(shí)補(bǔ)償技術(shù)、在信號(hào)去燥處理及時(shí)間差確定方面可以采用小波消噪處理技術(shù);當(dāng)小波消噪的階數(shù)為4時(shí)，泄漏定位誤差最小，最小誤差為0.08 m，最大誤差為0.37 m，平均絕對(duì)誤差為0.295 m，此時(shí)泄漏檢測(cè)信號(hào)的最小信噪比為50.362 9，最大信噪比為80.430 8，信噪比得到了有效提高。

關(guān)? 鍵? 詞：原油長(zhǎng)輸管道;泄漏定位;影響因素;壓力信號(hào);去燥處理

中圖分類號(hào)：TE 832? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2019）10-2346-04

Abstract： Aiming at the problem of leak location in long distance crude oil pipeline， the principle and influencing factors of common negative pressure wave leak detection technology were analyzed， and two key? techniques including the synchronization of upstream and downstream pressure signals， signal denoising processing and time difference determination， were deeply studied in the application process of negative pressure wave leak location technology. Finally， the way of error comparison was adopted to determine the superiority of this technology. The results showed that the fixed delay compensation technology can be used in the synchronization of upstream and downstream pressure signals， and the wavelet de-noising technology can be used in signal de-noising and time difference determination. When the order of the wavelet de-noising was 4， the leakage location error was the smallest， the minimum error was 0.08 m， the maximum error was 0.37 m， and the average absolute error was 0.295 m. The minimum signal-to-noise ratio was 50.362 9， the maximum signal-to-noise ratio was 80.430 8， and the signal-to-noise ratio was effectively improved.

Key words： Long distance crude oil pipeline; Leakage location; Influencing factors; Pressure signal; De-noising treatment

對(duì)于我國(guó)的原油長(zhǎng)輸管道而言，由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種泄漏問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)原油泄漏且無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)引發(fā)環(huán)境污染問(wèn)題，當(dāng)外界存在火源時(shí)，還可能引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，從而給社會(huì)和人民帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)原油長(zhǎng)輸管道的泄漏點(diǎn)十分重要[1]。目前，經(jīng)過(guò)多年的研究，我國(guó)已經(jīng)成功運(yùn)用多種泄漏檢測(cè)技術(shù)，例如次聲波泄漏檢測(cè)、負(fù)壓波泄漏檢測(cè)、光纖泄漏檢測(cè)等，在這些泄漏檢測(cè)技術(shù)中，負(fù)壓波泄漏檢測(cè)應(yīng)用最為成功，也最為廣泛。但是，在負(fù)壓波泄漏檢測(cè)使用過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)誤差較大以及信噪比較小等問(wèn)題。因此，十分有必要對(duì)負(fù)壓波泄漏檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)而降低其檢測(cè)誤差和信噪比。

1? 負(fù)壓波法泄漏定位原理及影響因素

如果原油長(zhǎng)輸管道出現(xiàn)了泄漏問(wèn)題，則泄漏位置處將會(huì)產(chǎn)生一定的物質(zhì)損失，從而使泄漏位置處原油的密度降低，此處管道的壓力也將下降。在另一方面，由于原油的流動(dòng)具有連續(xù)性，原油流動(dòng)過(guò)程中的速度也不會(huì)出現(xiàn)突變，在泄漏位置處，由于管道壓差的存在，使得原油從高壓位置流向泄漏點(diǎn)處的低壓位置，使得泄漏位置兩側(cè)的原油密度和壓力也隨之降低，這種從泄漏點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行壓力擴(kuò)散傳播的現(xiàn)象稱之為負(fù)壓波[2]。負(fù)壓波在原油管道內(nèi)的傳播和聲波在介質(zhì)中的傳播機(jī)理相同，其傳播速度可以達(dá)到1 000～1 200 m/s，由于傳播速度較快，所以進(jìn)行泄漏檢測(cè)的過(guò)程中，檢測(cè)速度也相對(duì)較快，這正是負(fù)壓波泄漏檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)所在。通過(guò)在管道上下游位置安裝負(fù)壓波檢測(cè)傳感器，并計(jì)算負(fù)壓波到達(dá)上下游傳感器位置處的時(shí)間，即可確定原油管道的泄漏位置。負(fù)壓波泄漏檢測(cè)技術(shù)原理如下圖1所示。

根據(jù)圖1即可得到該種泄漏檢測(cè)技術(shù)的數(shù)學(xué)原理模型：

一般情況下，如果輸油管道采用的常溫輸送模式，則負(fù)壓波的速度 將是一個(gè)定值，同時(shí)，原油在管道中的輸送速度對(duì)負(fù)壓波速度的影響較小，可以忽略，假設(shè)管道上下游負(fù)壓波傳感器獲取到負(fù)壓波的時(shí)間差為 ，則公式（1）和公式（2）可以簡(jiǎn)化為：

該公式即為負(fù)壓波泄漏檢測(cè)的原理公式。通過(guò)對(duì)負(fù)壓波泄漏檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，主要有兩項(xiàng)因素可以影響其定位誤差，分別是和，由于不同管道采用的負(fù)壓波傳感器不同，所以將會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，一般情況下，如果傳感器的采樣頻率為10 Hz，此時(shí)的誤差為100 ms[3]。根據(jù)公式（3），此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生50 m左右的泄漏定位誤差，該誤差與輸油管道的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。其次，受到客觀因素的干擾，負(fù)壓波信號(hào)的信噪比較小，此時(shí)也會(huì)使得產(chǎn)生一定的誤差。在另一方面，負(fù)壓波的速度將會(huì)隨著原油輸送溫度的變化而產(chǎn)生變化，如果的數(shù)值不能準(zhǔn)確確定，進(jìn)行泄漏定位的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，例如，如果管道上下游的溫差為30 ℃，此時(shí)負(fù)壓波在上下游的傳播速度最大可以產(chǎn)生50 m/s的差距，此時(shí)將當(dāng)作是定值并進(jìn)行泄漏定位計(jì)算，則計(jì)算結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生80 m左右的誤差[4]。

2? 上下游壓力信號(hào)的同步

為了降低負(fù)壓波泄漏檢測(cè)過(guò)程中的誤差問(wèn)題，首先必須保證管道上下游采用的傳感器相同，即達(dá)到上下游的信號(hào)可以同步的目的。其次，在提取信號(hào)特征的過(guò)程中，要準(zhǔn)確獲取信號(hào)的拐點(diǎn)信息，從而使得的誤差進(jìn)一步降低。一般情況下，由于原油管道的長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，上下游傳感器具有較長(zhǎng)的間距，所以負(fù)壓波傳播信號(hào)的采集會(huì)產(chǎn)生滯后問(wèn)題，信號(hào)處理的難度隨之增加[5]。目前，為了提高信號(hào)同步信號(hào)，大多數(shù)管道都采用了GPS定位來(lái)統(tǒng)一上下游傳感器的時(shí)鐘，這種方法雖然較為簡(jiǎn)單，但是十分有效，此時(shí)的誤差可以降低到ms級(jí)別。

為了進(jìn)一步降低的誤差，建議使用主站控制子站的通訊模式，在采用該種模式的過(guò)程中，由于不同管道采用的通訊方式不同，所以推薦使用固定延時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì) 進(jìn)行一定的補(bǔ)償，從而進(jìn)一步達(dá)到上下游信號(hào)同步的目的。采用該種技術(shù)以后，可以使得精度得到最大程度的保障，同時(shí)泄漏檢測(cè)的成本沒(méi)有太大的增加。該種數(shù)據(jù)通訊方式示意圖如下圖2所示。

3? 信號(hào)去燥處理及時(shí)間差確定

一般情況下，原油管道的輸送壓力為5 MPa左右，如果管道上出現(xiàn)相對(duì)較大的孔洞，此時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓波幅值僅為0.01 MPa，小泄漏問(wèn)題的壓力幅值更小，因此，在進(jìn)行泄漏檢測(cè)的過(guò)程中，信號(hào)非常容易被客觀因素所干擾，如何降低噪聲的干擾或者從噪聲信號(hào)中提取有效的信息十分重要，這也是目前泄漏檢測(cè)研究的重點(diǎn)。由于信號(hào)中含有大量的尖峰特征，因此，使用傳統(tǒng)的信號(hào)處理方式將不會(huì)起到很好的效果，信號(hào)中的尖峰特征也將會(huì)對(duì)整條管道的信號(hào)產(chǎn)生影響[6，7]。但是，小波分析可以完美地解決信號(hào)尖峰的問(wèn)題，從而將信號(hào)中的有效部分和噪聲部分分離開(kāi)來(lái)，因此，本次研究提出了小波分析信號(hào)去燥的方式進(jìn)行信號(hào)處理。

在進(jìn)行負(fù)壓波泄漏檢測(cè)的過(guò)程中，當(dāng)上下游的傳感器接收到信號(hào)的時(shí)候，整條管道的檢測(cè)信號(hào)最容易出現(xiàn)尖峰問(wèn)題，信號(hào)中尖峰出現(xiàn)的拐點(diǎn)位置與上下游傳感器接受信號(hào)的時(shí)間是判斷泄漏信號(hào)的關(guān)鍵所在。在使用小波分析的過(guò)程中，首先需要確定信號(hào)中的拐點(diǎn)位置，根據(jù)位置的信號(hào)得到準(zhǔn)確的時(shí)間差。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度檢測(cè)的過(guò)程中，需要使用平滑函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行前期處理，計(jì)算信號(hào)的多階導(dǎo)數(shù)，從而確定信號(hào)尖峰的位置。其中，平滑函數(shù)可以使用高斯函數(shù)，該種平滑函數(shù)的使用效果相對(duì)較好，高斯函數(shù)的多階導(dǎo)數(shù)也可以作為小波分析中的母小波使用，其表達(dá)式如下所示：

對(duì)于任意函數(shù)而言，可以使用如下公式表示：

如果高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù) 作為小波分析的母小波，則在尺度、位移位置的小波分析可以用以下公式表示：

同理，如果高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù) 作為小波分析的母小波，則在尺度、位移位置的小波分析可以用以下公式表示：

假設(shè)采用高斯函數(shù)的一階導(dǎo)師作為進(jìn)行小波分析時(shí)的母小波，則信號(hào)在小波分析過(guò)程中一階導(dǎo)數(shù)極值位置處就是信號(hào)的尖峰位置。在另一方面，如果所使用的平滑函數(shù)的尺度相對(duì)較小，則信號(hào)處理后的平滑區(qū)間也就相對(duì)較小，信號(hào)尖峰位置的判斷就越準(zhǔn)確。但是，如果所使用的平滑函數(shù)的尺度相對(duì)較小，則信號(hào)就容易受到噪音的干擾，從而使得信號(hào)中出現(xiàn)較多的偽極值點(diǎn)，此時(shí)會(huì)使得泄漏檢測(cè)的定位誤差增加。因此，在使用小波分析方法對(duì)負(fù)壓波泄漏檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中，小波變化階數(shù)的選擇是一項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行選擇。

4? 測(cè)量誤差分析

使用上文所闡述的負(fù)壓波泄漏檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)方法，對(duì)我國(guó)某原油長(zhǎng)輸管道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。此管道的總長(zhǎng)度為72 km，管道的壁厚為7 mm，管道的外徑為377 mm。該條管道內(nèi)原油的密度為870 kg/m3，原油體積系數(shù)為0.998，管道鋼管的彈性模量為2.069×1011 Pa，鋼管的泊松系數(shù)為0.3。如下表1所示為不同小波分析階數(shù)前提下的泄漏檢測(cè)定位結(jié)果。

從表1中可以看出，相對(duì)而言，當(dāng)小波分析的階數(shù)相對(duì)較低時(shí)，泄漏檢測(cè)的定位誤差就相對(duì)較小，但是，如果小波分析的階數(shù)過(guò)低，則會(huì)使得負(fù)壓波信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，從而造成定位誤差增加。在使用負(fù)壓波泄漏檢測(cè)的過(guò)程中，一般需要將小波分析的階數(shù)設(shè)置為定值，根據(jù)上表的檢測(cè)結(jié)果可以看出，該定值最好設(shè)置為4。但是，設(shè)置為定值的方法也具有一定的缺陷，因?yàn)槊慷喂艿佬孤z測(cè)信號(hào)所受噪音的干擾不同，因此，如何確定小波分析的階數(shù)需要根據(jù)每段管道的運(yùn)行特點(diǎn)確定。如下表2所示為進(jìn)行負(fù)壓波泄漏檢測(cè)過(guò)程中的信噪比信息。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，采用本次研究所介紹的關(guān)鍵技術(shù)以后，信噪比相對(duì)較高，同時(shí)，通過(guò)將表1和表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)的信噪比相對(duì)較高時(shí)，則進(jìn)行小波分析時(shí)的階數(shù)應(yīng)選擇低一點(diǎn)，這樣可以降低噪音對(duì)負(fù)壓波有效信號(hào)的干擾，在另一方面，也可以提高進(jìn)行泄漏檢測(cè)定位時(shí)的精度。當(dāng)信號(hào)的信噪比相對(duì)較低時(shí)，則進(jìn)行小波分析時(shí)的階數(shù)應(yīng)選擇高一點(diǎn)，此時(shí)可以降低小波分析中偽極值點(diǎn)對(duì)泄漏檢測(cè)定位的影響。

5??結(jié) 論

綜上所述，在使用負(fù)壓波泄漏檢測(cè)定位的過(guò)程中，上下游壓力信號(hào)的同步、信號(hào)去燥處理及時(shí)間差確定是兩項(xiàng)較為重要的關(guān)鍵問(wèn)題，如果這兩項(xiàng)問(wèn)題得不到有效的解決，將會(huì)使得泄漏檢測(cè)定位的誤差不斷增加。在本次研究中，提出了固定延時(shí)補(bǔ)償技術(shù)的信號(hào)同步方法以及小波分析的信號(hào)去燥處理及時(shí)間差確定方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，這兩項(xiàng)技術(shù)使用以后，如果將小波分析的階數(shù)設(shè)置為4，則泄漏檢測(cè)定位的誤差相對(duì)較小，最大誤差僅為0.37?m，同時(shí)，信噪比得到了有效的提高，最小的信噪比可以達(dá)到50.362?9。

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