(1.中國(guó)石油管道科技研究中心 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 西南管道公司，貴陽 550081)

0 引言

我國(guó)已建成西氣東輸天然氣管道(3條線)、中緬天然氣管道和中俄東線天然氣管道北段，形成了西北、西南和東北3個(gè)方向的陸上能源進(jìn)口通道，再加上川氣東送和陜京天然氣管道(4條線)，骨干天然氣網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)初具規(guī)模。天然氣具有易燃易爆的特點(diǎn)，而且長(zhǎng)輸天然氣管道壓力高、口徑大，一旦泄漏會(huì)有大量氣體瞬間噴涌而出，極易產(chǎn)生爆炸，造成人員傷亡等次生災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。如2018年6月10日23時(shí)13分許，中石油中緬天然氣管道黔西南州晴隆縣沙子鎮(zhèn)段K0975-100 m處發(fā)生泄漏燃爆事故，造成1人死亡、23人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2145萬元。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)天然氣管道泄漏，防止重大事故的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外研究者開展大量研究，主要集中在天然氣管道泄漏引起的溫度和聲波變化監(jiān)測(cè)方法兩個(gè)方面。

天然氣泄漏的溫度監(jiān)測(cè)方法利用了泄漏后高壓氣體氣化帶來的溫度下降現(xiàn)象，主要采用管道的伴行光纜實(shí)現(xiàn)管道的分布式溫度監(jiān)測(cè)[1-2]，但是受管道伴行光纜自身特性(鎧裝、穿硅管等)、埋深、距離管道距離不確定以及溫度在土壤中的傳播衰減大等因素影響，管道泄漏帶來的溫度變化不能快速傳播至管道伴行光纜，導(dǎo)致該方法的檢測(cè)靈敏度低和響應(yīng)時(shí)間慢，并且對(duì)于無伴行光纜的管道無法應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)僅在中俄東線開展了短距離應(yīng)用。天然氣泄漏的聲波監(jiān)測(cè)利用了高壓氣體泄漏產(chǎn)生的聲波可以在管道內(nèi)部傳播較遠(yuǎn)距離的現(xiàn)象，在管道站場(chǎng)、閥室安裝聲波變送器實(shí)時(shí)獲取管道內(nèi)聲波變化實(shí)現(xiàn)天然氣管道的泄漏監(jiān)測(cè)[3-6]?；诼暡ǚǖ奶烊粴庑孤┍O(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)西氣東輸蘇浙滬段進(jìn)行了應(yīng)用，但對(duì)小泄漏監(jiān)測(cè)效果不佳，在國(guó)內(nèi)也沒有大量應(yīng)用。因此，還需開展天然氣小泄漏聲波的監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用需求。

1 天然氣管道泄漏聲波特征

由于天然氣自身具有高可壓縮性，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道兩端的壓力變化并不明顯，但是聲波信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明顯變化。圖1～2為相同位置安裝的壓力變送器和聲波變送器在相同時(shí)間段內(nèi)獲取的壓力和聲波信號(hào)，從圖中可看出壓力信號(hào)并無明顯的升高或下降，僅有微小的變化，而聲波信號(hào)紅框內(nèi)部分出現(xiàn)了較大的振幅變化，該部分聲波信號(hào)即為管道泄漏產(chǎn)生的聲波信號(hào)，泄漏聲波信號(hào)在開啟泄放閥門后一直存在，至關(guān)閉泄放閥門后消失。由此可見，天然氣管道泄漏后產(chǎn)生的泄漏聲波信號(hào)特征明顯，泄漏過程中持續(xù)存在，如果檢測(cè)到存在泄漏聲波，即可認(rèn)為管道存在泄漏。

圖1 管道泄漏壓力信號(hào)曲線

圖2 管道泄漏聲波信號(hào)曲線

通常情況下聲波變送器安裝在管道站場(chǎng)和部分閥室，相鄰站場(chǎng)和閥室之間的距離至少為20 km，管道泄漏后產(chǎn)生的聲波信號(hào)在管道中經(jīng)過較長(zhǎng)距離的傳播，高頻成分衰減很大，聲波變送器獲得的聲波信號(hào)只包含泄漏聲波的低頻成分。同時(shí)，管道正常運(yùn)行時(shí)存在由氣體摩擦和壓縮機(jī)等產(chǎn)生的背景噪聲，圖3～4為管道正常運(yùn)行時(shí)背景噪聲的時(shí)域和功率譜圖，圖中清晰可見存在頻率65 Hz左右的低頻分量，對(duì)于天然氣泄漏檢測(cè)，該部分信號(hào)為背景干擾信號(hào)。因此，濾除泄漏聲波信號(hào)高于50 Hz的成分，對(duì)濾波后的聲波信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)可知泄漏聲波主要集中在16～20 Hz之間，圖5～6給出了2"閥門泄漏產(chǎn)生的泄漏聲波信號(hào)時(shí)域和功率譜圖，在2"閥門泄漏的功率譜中可明顯看出存在16～20 Hz的頻率成分，信號(hào)的頻率特征相較于時(shí)域特征更加明顯，采用檢測(cè)聲波信號(hào)頻率特征的方法能夠有效檢測(cè)到泄漏聲波。

圖3 管道運(yùn)行背景噪聲時(shí)域圖

圖4 管道運(yùn)行背景噪聲功率譜圖

圖5 2"閥門泄漏聲波時(shí)域圖

圖6 2"閥門泄漏聲波功率譜圖

2 Duffing振子檢測(cè)原理

信號(hào)頻率檢測(cè)的最常規(guī)方法是基于傅里葉變換的功率譜估計(jì)，但是當(dāng)信號(hào)能量較弱時(shí)，信號(hào)頻率特征會(huì)淹沒在背景噪聲中，對(duì)于天然氣管道的小泄漏，泄漏聲波信號(hào)弱，功率譜估計(jì)方法難以檢測(cè)出存在小的管道泄漏。而Duffing振子作為一種非線性系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)微弱周期信號(hào)的檢測(cè)，具有對(duì)噪聲免疫和微弱信號(hào)敏感的特點(diǎn)，可用于檢測(cè)天然氣管道小泄漏產(chǎn)生的聲波信號(hào)。該方法的基本檢測(cè)原理是：設(shè)置Duffing振子參數(shù)使檢測(cè)系統(tǒng)處于接近臨界點(diǎn)的混沌狀態(tài)，加入特定頻率的待檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度足夠大時(shí)會(huì)使檢測(cè)系統(tǒng)由混沌狀態(tài)進(jìn)入大尺度周期狀態(tài)，即可認(rèn)為存在特定頻率信號(hào)。常用的Duffing振子檢測(cè)系統(tǒng)可使用非線性微分方程表示為：

(1)

其中：k是阻尼比，-x+x3是非線性恢復(fù)力，s(t)為含噪聲的待檢測(cè)信號(hào)，Acos(t)是內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力角頻率為1 rad/s，相位為0，改變A的值可使檢測(cè)系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)、臨界點(diǎn)和大尺度周期狀態(tài)。利用式(1)中的方程檢測(cè)周期信號(hào)時(shí)，設(shè)置A的值使檢測(cè)系統(tǒng)接近臨界點(diǎn)，輸入待檢測(cè)信號(hào)，如果系統(tǒng)進(jìn)入大尺度周期狀態(tài)，即可認(rèn)為待檢測(cè)信號(hào)中存在角頻率為1 rad/s、相位為0的周期信號(hào)。

文獻(xiàn)[7-8]中研究了Duffing振子對(duì)正弦信號(hào)的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了噪聲環(huán)境下微弱信號(hào)的檢測(cè)。但在實(shí)際使用時(shí)待檢測(cè)信號(hào)s(t)中的角頻率和相位往往與內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力不同，直接將s(t)輸入到檢測(cè)系統(tǒng)并不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)的目的，需要對(duì)s(t)的角頻率和相位進(jìn)行變換以匹配檢測(cè)系統(tǒng)的固有值(角頻率為1 rad/s、相位為0)，才能實(shí)現(xiàn)周期信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。

3 待檢測(cè)信號(hào)頻率及相位的變換

假設(shè)待檢測(cè)信號(hào)s(t)的頻率為fd，角頻率為ωd，相位為φd，不考慮噪聲的影響s(t)可表示為：

s(t)=Adcos(ωdt+φd)

(2)

令tω=ωdt可在時(shí)間尺度上進(jìn)行變換得到角頻率為1 rad/s的信號(hào)[9-10]：

s(tω)=Adcos(tω+φd)

(3)

令s(t)采樣率為fs，則對(duì)于k個(gè)采樣數(shù)據(jù)，時(shí)間尺度變換后的時(shí)間tω為：

(4)

下面在考慮相位對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，當(dāng)內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力的相位與待檢測(cè)信號(hào)的相位相同時(shí)，Duffing振子進(jìn)入大尺度周期狀態(tài)[10-11]。如果改變待檢測(cè)信號(hào)的相位與內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力一致，可以通過調(diào)整信號(hào)輸入到檢測(cè)系統(tǒng)的起始時(shí)刻實(shí)現(xiàn)，但是這種方式會(huì)導(dǎo)致不同相位信號(hào)長(zhǎng)度的不一致，帶來計(jì)算的不便。這里設(shè)置式(1)中的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力Acos(t)的相位為φ，當(dāng)φ=φd時(shí)，Duffing振子進(jìn)入大尺度周期狀態(tài)[10-11]。因此可通過改變內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位的方式保持待檢測(cè)信號(hào)與內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位保持一致，并考慮對(duì)待檢測(cè)信號(hào)頻率的變換，式(1)可改寫為：

(5)

4 Duffing振子的檢測(cè)過程

使用Duffing振子檢測(cè)方法首先要設(shè)置式(5)中的參數(shù)使檢測(cè)系統(tǒng)接近臨界點(diǎn)，這里設(shè)置k為0.5，A為0.82(A為0.826時(shí)Duffing振子處于臨界點(diǎn))，則式(5)改寫為：

(6)

在實(shí)際應(yīng)用中待檢測(cè)信號(hào)相位并不確定，而且待檢測(cè)信號(hào)往往是一個(gè)窄帶信號(hào)，這里通過在一定范圍內(nèi)改變內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位φ和待檢測(cè)信號(hào)頻率fd的值依次求解式(6)，其中待檢測(cè)信號(hào)頻率fd∈[f0,f1]，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位φ∈[0,2π]，當(dāng)Duffing振子相軌跡進(jìn)入大尺度周期狀態(tài)，就可以確定檢測(cè)出了特定頻率的信號(hào)。

Duffing振子檢測(cè)的計(jì)算流程見圖7，具體步驟為：

(1)設(shè)置內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力的初始相位，這里設(shè)置為0；

(2)判斷相位是否超出范圍，這里最大值設(shè)為2 π。如果超出，結(jié)束本待檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)，認(rèn)為不存在管道泄漏；

(3)設(shè)置待檢測(cè)信號(hào)的初始檢測(cè)頻率，這里設(shè)置為16 Hz；

(4)判斷檢測(cè)頻率是否超出范圍，這里最大值為20 Hz。如果超出，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位增加0.1，跳轉(zhuǎn)至執(zhí)行步驟(2)；

(5)重構(gòu)待檢測(cè)信號(hào)，求解檢測(cè)系統(tǒng)非線性方程，得到待檢測(cè)信號(hào)的相軌跡；

(6)判斷待檢測(cè)信號(hào)相軌跡狀態(tài)。當(dāng)相軌跡處于混沌狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)頻率增加1 Hz，跳轉(zhuǎn)至執(zhí)行步驟(4)，當(dāng)相軌跡處于大尺度周期狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為存在天然氣管道泄漏，結(jié)束本待檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)；

(7)輸入新的待檢測(cè)信號(hào)，跳轉(zhuǎn)至執(zhí)行步驟(1)。

圖7 Duffing振子檢測(cè)流程圖

將圖3、5中的管道背景噪聲和泄漏聲波依次輸入檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)泄漏聲波信號(hào)頻率以18 Hz進(jìn)行變換，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位設(shè)置為0時(shí)，可得到大尺度周期狀態(tài)的相軌跡圖，見圖8，即可認(rèn)為檢測(cè)到了天然氣管道泄漏。而對(duì)于背景噪聲，將待檢測(cè)信號(hào)頻率和內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位設(shè)置為任意值，相軌跡均處于混沌狀態(tài)，即不存在天然氣管道泄漏，見圖9。

圖8 泄漏聲波信號(hào)的相軌跡圖，相位=0

圖9 管道運(yùn)行背景噪聲相軌跡圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證Duffing振子對(duì)天然氣管道泄漏聲波信號(hào)檢測(cè)的有效性，在天然氣管道開展模擬泄漏測(cè)試，獲取真實(shí)的泄漏信號(hào)檢驗(yàn)方法的有效性。天然氣管道的模擬泄漏實(shí)驗(yàn)在中石油大沈線天然氣管道進(jìn)行，大沈線干線全長(zhǎng)423 km，管徑711 mm。實(shí)驗(yàn)管段位于2#閥室-松嵐站-4#閥室，總長(zhǎng)為21.91 km，其中2#閥室到松嵐站約11.61 km，管道運(yùn)行壓力約為7.1 MPa。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由2個(gè)子站系統(tǒng)和1套中心站系統(tǒng)組成，見圖10。

圖10 天然氣管道模擬泄漏測(cè)試系統(tǒng)示意圖

子站系統(tǒng)分別安裝在2#閥室和4#閥室，主要包括壓力變送器(不參與檢測(cè)，只用于查看測(cè)試時(shí)壓力)、聲波變送器和數(shù)據(jù)采集單元。壓力變送器和聲波變送器采用在管道原有壓力表處增加三通的方式安裝，這種方式不需要在管道上開孔，僅需2個(gè)三通和若干連接件即可實(shí)現(xiàn)變送器的安裝，部署快捷簡(jiǎn)便。子站數(shù)據(jù)采集單元由工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成，工控機(jī)采用研華UNO 3082，數(shù)據(jù)采集卡為美國(guó)NI公司的PCI 6251，工控機(jī)采用24 V直流電源供電，可直接使用閥室RTU機(jī)柜內(nèi)的直流電源，數(shù)據(jù)傳輸只需將工控機(jī)使用網(wǎng)線接入管道現(xiàn)有通信系統(tǒng)，無需增加額外供電和通信設(shè)備。子站數(shù)據(jù)采集卡采樣率設(shè)置為200 Hz，工控機(jī)控制采集卡實(shí)時(shí)采集并將數(shù)據(jù)上傳至中心站。

圖11 子站安裝的聲波變送器、壓力變送器和數(shù)據(jù)采集單元

中心站安裝在松嵐站內(nèi)，由1臺(tái)工作站組成，實(shí)時(shí)獲取子站上傳來的聲波信號(hào)，將聲波信號(hào)實(shí)時(shí)顯示并進(jìn)行分析判斷管道是否發(fā)生泄漏。

圖12 中心站獲取的聲波、壓力信號(hào)

管道的泄漏實(shí)驗(yàn)選擇在松嵐站內(nèi)開展，實(shí)驗(yàn)前在松嵐站發(fā)球筒的高壓放空閥處安裝了一套模擬泄漏裝置，泄漏的天然氣通過模擬泄漏裝置經(jīng)高壓放空管道引至放空火炬排放，見圖13。模擬泄漏裝置采用5種不同尺寸的閥門(1/4"、1/2"、3/4"、1"和2")。通過開啟不同尺寸的閥門可以模擬不同孔徑的天然氣泄漏，每次泄漏持續(xù)2～5分鐘。

圖13 天然氣管道模擬泄漏裝置

本次實(shí)驗(yàn)共獲得13組聲波數(shù)據(jù)，見表1。由于天然氣管道泄漏信號(hào)需要傳播較遠(yuǎn)距離，信號(hào)頻率基本在20 Hz以內(nèi)，并且為了減少管道背景噪聲和工頻干擾對(duì)檢測(cè)結(jié)果的應(yīng)用，在待檢測(cè)信號(hào)輸入Duffing振子檢測(cè)系統(tǒng)前，首先采用低通濾波器對(duì)泄漏聲波信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾除50 Hz以上的頻率成分。從時(shí)域和頻域進(jìn)行分析可知，2"閥門的泄漏聲波在時(shí)域和頻域變化都很明顯(圖5～6)，1/2"及以上閥門的泄漏聲波可在頻域進(jìn)行區(qū)分(圖14～17)，然而1/4"閥門的泄漏聲波在時(shí)域和頻域變化均不明顯(圖18～19)，難以識(shí)別。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄表

圖14 1"閥門泄漏聲波時(shí)域圖

圖15 1"閥門泄漏聲波功率譜圖

圖16 1/2"閥門泄漏聲波時(shí)域圖

圖17 1/2"閥門泄漏聲波功率譜圖

圖18 1/4"閥門泄漏聲波時(shí)域圖

圖19 1/4"閥門泄漏聲波功率譜圖

將不同尺寸閥門的泄漏聲波和管道背景噪聲分別輸入式(6)，設(shè)置待檢測(cè)信號(hào)頻率fd的范圍為16～20 Hz，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位φ的范圍為0～2 π。結(jié)果顯示當(dāng)待檢測(cè)信號(hào)頻率fd為18 Hz，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力相位φ與待檢測(cè)信號(hào)相位一致時(shí)，泄漏聲波信號(hào)均可得到進(jìn)入大尺度周期狀態(tài)的相軌跡圖，而背景噪聲使相軌跡一直處于混沌狀態(tài)，見圖20～23。與傳統(tǒng)的功率譜估計(jì)方法相比，Duffing振子檢測(cè)方法可以分辨出更加微弱的周期信號(hào)，如本次測(cè)試中最小的泄漏孔徑1/4"閥門產(chǎn)生的泄漏聲波，采用功率譜估計(jì)的方法聲波信號(hào)已經(jīng)完全淹沒在了背景噪聲中，而Duffing振子還能夠輕松的檢測(cè)到18 Hz的周期信號(hào)。因此Duffing振子檢測(cè)方法能夠檢測(cè)信號(hào)微弱的天然氣管道泄漏，可有效用于天然氣管道的泄漏檢測(cè)。

圖20 1"閥門泄漏聲波信號(hào)相軌跡圖，相位=3

圖21 1/2"閥門泄漏聲波信號(hào)相軌跡圖，相位=2

圖22 1/4"閥門泄漏聲波信號(hào)相軌跡圖，相位=1.9

圖23 管道運(yùn)行背景噪聲相軌跡圖

6 結(jié)束語

使用Duffing振子方法進(jìn)行天然氣泄漏聲波信號(hào)的檢測(cè)，通過在一定范圍內(nèi)改變內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力的相位和待檢測(cè)信號(hào)頻率，對(duì)待檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻率變換后求解式(6)可以得到不同相位和檢測(cè)頻率的相軌跡，當(dāng)相軌跡處于大尺度周期狀態(tài)時(shí)，即可認(rèn)為檢測(cè)到了管道泄漏，如果在設(shè)定的相位和頻率范圍內(nèi)，相軌跡均處于混沌狀態(tài)，即管道不存在泄漏。在實(shí)際管道開展的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明天然氣管道泄漏后產(chǎn)生的泄漏聲波可以傳播較遠(yuǎn)距離，聲波頻率很低，以18 Hz的頻率成分為主。通過簡(jiǎn)單的功率譜估計(jì)實(shí)現(xiàn)利用聲波變送器可以實(shí)現(xiàn)1/2"及以上閥門泄漏聲波的檢測(cè)，但是對(duì)于1/4"閥門產(chǎn)生的聲波時(shí)域和頻域特征均不明顯。采用Duffing振子對(duì)周期信號(hào)敏感、噪聲免疫的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)1/4"閥門泄漏的檢測(cè)，經(jīng)驗(yàn)證該方法對(duì)多種尺寸的泄漏均適用，取得了較好的效果。

采用檢測(cè)泄漏聲波的方法檢測(cè)天然氣管道泄漏，只需要在現(xiàn)有管道站場(chǎng)、閥室安裝聲波變送器，采集管道內(nèi)聲波并上傳至中心站進(jìn)行分析處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用管道現(xiàn)有的供電和通信條件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建設(shè)，安裝部署快捷。結(jié)合Duffing振子對(duì)微弱周期信號(hào)檢測(cè)靈敏度高的特點(diǎn)，可切實(shí)解決天然氣管道小泄漏檢測(cè)困難的問題，具有在天然氣管道泄漏檢測(cè)推廣應(yīng)用的前景，中未來需進(jìn)一步開展更小泄漏孔徑的測(cè)試研究。