朱衛(wèi)東，蔣曉斌

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459

2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452

1 硬件系統(tǒng)組成

管道泄漏次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)主要由次聲波傳感器、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理器、北斗/GPS雙模校時模塊以及監(jiān)控主機(jī)構(gòu)成[1-2]，其組成如圖1所示。

其中，次聲波傳感器主要用于接收管道泄漏產(chǎn)生的次聲波信號，并將接收到的次聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。次聲波傳感器選型時要考慮帶寬、靈敏度、輸出類型、量程、分辨率等參數(shù)。傳感器一般安裝在管道的兩端，安裝位置以及方向需考慮輸送介質(zhì)以及管道路由情況。

圖1 管道泄漏次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的組成示意

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理器用于將聲波模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再通過濾波等信號處理算法進(jìn)行預(yù)處理，除去噪聲和干擾信號。處理后的信號最終和GPS時鐘信號一起通過網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控主機(jī)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理器通常集成在防爆箱中，由于數(shù)據(jù)采集處理器功耗很低，現(xiàn)場可以采用太陽能電池供電。

采用北斗/GPS雙模校時模塊保證了系統(tǒng)校時的可靠性，采用北斗/GPS雙模接收器進(jìn)行連接，通信模塊的無線接收器安裝在機(jī)柜內(nèi)，數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)。

監(jiān)控主機(jī)上安裝的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)為操作人員提供人機(jī)操作界面、報警顯示和查詢、數(shù)據(jù)存儲和回讀等功能平臺，以聲的方式進(jìn)行泄漏時的報警和定位。

2 泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 信號處理方法

由于管道泄漏所產(chǎn)生的信號具有一定的信噪比，因此為了提高被檢測管道泄漏信號的信噪比，需要通過各種濾波變換對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而使經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)可以被計算機(jī)算法識別[3]。在實際應(yīng)用中，通常根據(jù)管道信號的具體特征，選用一種或多種數(shù)據(jù)處理方法來達(dá)到提高被檢測管道泄漏信號信噪比的目的。在本次試驗過程中，通過采用聲吶處理算法中常用的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法，在信噪比較差的原始信號中提取出泄漏產(chǎn)生的次聲波信號，為后繼泄漏事件的識別定位提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1.1 信號預(yù)處理方法

在獲取數(shù)據(jù)以后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是通過不同的算法、參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，以找到最佳的信號頻帶、數(shù)據(jù)處理參數(shù)和算法[4]。

本階段主要使用Matlab等數(shù)據(jù)處理平臺。常用的數(shù)據(jù)處理方法有：小波變換能夠提供一個隨頻率改變的“時間-頻率”窗口，是進(jìn)行信號時頻分析和處理的理想工具。雖然小波變換可以更好地觀察信號的局部特征，可以同時觀察信號的時間和頻率信息，但是也有冗余度很大的問題。而自適應(yīng)異常信號檢測法可以有效地彌補(bǔ)小波算法的一些不足。和常用的變換方法如FFT相比，小波的多分辨率分析由于具有良好的空間域和頻率域局部化特性，因此用于信號處理時效果較好。數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后，根據(jù)結(jié)果可以選擇合適的數(shù)據(jù)處理算法。預(yù)處理使用的算法通常需要根據(jù)實際工況設(shè)計算法代碼，同時需要采集原始數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，以保證算法的正確性[5]。

通過采用上述算法，自行編制了軟件進(jìn)行信號處理。圖2所示是一組預(yù)處理前后的次聲信號波形對照圖，采用算法處理后的次聲波形明顯比處理前具有更好的信噪比，更利于信號檢測。

圖2 預(yù)處理前后的次聲信號波形

2.1.2 信號識別方法

管道在正常運行時，介質(zhì)流動、工況操作、管道泄漏都會在管道內(nèi)部產(chǎn)生聲波。其中，介質(zhì)流動產(chǎn)生的次聲波信號能量較小，且波動趨近平穩(wěn)，可視為背景噪聲。信號識別的任務(wù)就是從管道次聲波信號的背景噪聲中檢測出管道泄漏產(chǎn)生的次聲波信號，并把信噪比同樣明顯的工況信號剔除。事實上，工況信號和泄漏信號在多個特征性能上有差別，因此只要提取出它們的特征參數(shù)，就能把工況信號和泄漏信號區(qū)分出來，從而提高系統(tǒng)的正確報警率。本系統(tǒng)采用支持向量機(jī)算法、樸素貝葉斯分類器，從而使其能夠在信號樣本數(shù)量足夠的前提下，自動識別泄漏信號和工況信號，為自學(xué)習(xí)專家數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。

管道內(nèi)干擾信號較多，根據(jù)泄漏次聲信號在管道內(nèi)的傳播特點，將異常信號按照檢測時間進(jìn)行排序，從中剔除不滿足多分站同源信號關(guān)聯(lián)條件的異常信號，從而提高識別率。根據(jù)工況信息，識別管道閥室的工況操作，可有效降低誤報率。

系統(tǒng)通過儲存各種次聲信號，通過分析和歸納，形成專家數(shù)據(jù)庫。專家數(shù)據(jù)庫為信號的識別提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

自主編制泄漏監(jiān)測軟件系統(tǒng)，軟件設(shè)計通過軟件需求分析、開發(fā)計劃、詳細(xì)設(shè)計、代碼編寫、模塊測試、集成調(diào)試等設(shè)計流程進(jìn)行設(shè)計。在軟件設(shè)計中采取了模塊化的設(shè)計思想，將軟件主要劃分為主界面控制模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、GIS模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、報警模塊、波形數(shù)據(jù)顯示模塊等。

3 試驗驗證

（1）試驗環(huán)路信息。為了檢驗開發(fā)系統(tǒng)的各項功能，在中海油能源發(fā)展股份有限公司裝備分公司的試驗環(huán)路上進(jìn)行測試。管道試驗環(huán)路各項信息如表1所示，試驗環(huán)路如圖3所示。

表1 管道試驗環(huán)路信息

（2）試驗測試要求。試驗過程中，按照表2中設(shè)定的各項要求進(jìn)行測試。

（3）測試儀器設(shè)備。在試驗環(huán)路上安裝φ2 in球閥，安裝次聲波傳感器和布置分析處理裝置，而后進(jìn)行泄放測試。其中次聲波傳感器性能指標(biāo)如下：靈敏度≥-195 dB，工作頻段為次聲頻段（20 Hz以下），工作壓力≤20 MPa，工作溫度為-40～85℃。

圖3 試驗環(huán)路

表2 試驗測試要求

（4）測試結(jié)果。測試中5 mm泄放孔徑產(chǎn)生的次聲波處理前及處理后的波形見圖4。

經(jīng)過對測試信號分析處理，并對軟件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)完善，最終在D273 mm試驗管道上進(jìn)行測試，得到在1.5 MPa壓力下的測試結(jié)果，見表3。

從表3可以看出，針對不同泄放孔徑的泄漏測試，軟件系統(tǒng)均實現(xiàn)了報警，響應(yīng)時間小于10 s，定位精度較好，達(dá)到±20 m以內(nèi)。

4 結(jié)束語

環(huán)路泄漏測試結(jié)果表明，管道泄漏次聲波監(jiān)測系統(tǒng)具有誤報率低、定位準(zhǔn)確等特點。在該系統(tǒng)的監(jiān)控下，對管道泄漏事件及時采取有效維護(hù)措施能夠有效避免和減少損失，保障管道生產(chǎn)安全。具體的研究結(jié)果及建議如下：

（1）研究的次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)可以用于輸油或輸氣管道中，系統(tǒng)監(jiān)測距離可以達(dá)到50 km，誤報率、漏報率低，最小可以監(jiān)測3 mm孔徑的泄漏，定位誤差可達(dá)±20 m以內(nèi)。

（2）實際應(yīng)用中可安裝2支傳感器或者形成傳感器陣列，同時引入模式識別處理，加強(qiáng)背景噪聲干擾的剔除，可以有效地降低誤報率。

圖4 5 mm泄放孔徑產(chǎn)生的次聲波處理前及處理后的波形

表3 水介質(zhì)下泄漏試驗結(jié)果

（3）低壓力、小泄漏管道是次聲波泄漏監(jiān)測技術(shù)后期需要重點關(guān)注和攻克的難題。