基于音波法的输气管道泄漏检测技术研究

路通达

（中石化石油工程设计有限公司，东营 257026）

随着输气管道的发展，泄漏的概率也在逐年增长，管道泄漏不仅将造成油气资源的损失，而且还会污染环境，有时甚至引发火灾爆炸事故。因此，对输气管道进行泄漏检测，保障管道的安全可靠运行是十分必要的。

随着计算机技术与信息技术的迅猛发展，现代数据处理技术、智能系统和专家系统等方法已应用到管道泄漏检测中，提高了泄漏检测的可靠性和准确度。将管道检测及定位系统与管网SCADA（supervisory control and data acquisition）系统融为一体是管道检测技术发展的趋势[1]。

1 音波泄漏检测技术简介

音波泄漏检测是很有发展潜力的一种检测技术。它是基于泄漏时气体与管道相互碰撞产生振动，形成音波的原理所开发的管道泄漏检测系统。音波泄漏检测系统定位精确，误报率低，并能对少量泄漏进行报警[2]。因此，具有很大的经济价值和市场前景。

1.1 音波泄漏检测的基本原理

当输气管道发生破裂时，管道内气体与管壁摩擦产生音波震荡，音波沿着管道内介质向管道上、下游高速传播，安装在管段两端的音波传感器监听并捕捉音波波形，根据管道在两端捕捉到的泄漏信号的时间差计算得到泄漏位置[3]，泄漏检测原理如图1所示。

图1 音波泄漏检测原理图Fig.1 Principle diagram of the acoustic leak detection

音波传感器具有实时在线功能，能够全天候采集管道的音波信号，并将其发送到现场音波采集处理器。音波泄漏检测系统具有智能模式识别的特点，在正常情况下，系统采集的音波信号归纳为背景噪音，并结合气体的压力和温度等参数，通过理论归纳推演出管道的数学模型。而当管道一旦发生泄漏，由此引发的音波信号和普通的背景噪音一起传到音波传感器，并与音波泄漏检测系统数据库中的管道模型比较，超出管道模型报警阈值后，系统将迅速指出泄漏位置，并报警提示。

1.2 音波泄漏检测的定位原理

音波信号从泄漏点向两端传播，根据到达管道两端的时间差和音波传播的速度就可确定泄漏点的位置。其基本原理如下：设管道的长度为L，管道的起点为A，终点为B，发生泄漏点的位置为C点，与A点的距离为x，泄漏信号传播到A点的时间为t1、到达B点的时间为SN，波速为v，则：

式中：x为泄漏点距上游音波传感器的距离；L为上、下游音波传感器之间的间距；v为音波的传播速度；Δt为上、下游音波传感器接收到音波的时间差。

由式（2）可以看出，泄漏点的计算公式很简单。式中，管道两相邻传感器之间的准确长度L是已知的。因此，音波传播到上、下游传感器的时间差Δt和精确确定音波的传播速度v是两项关键[4]。

1.2.1 音波传播到上下游传感器的时间差Δt

Δt通过GPS求得。音波泄漏检测系统现场及控制中心均配备GPS，其误差在450 ns之内，因为现场及控制中心GPS时间同步且相互独立，不会因通讯故障或极端恶劣天气而影响系统检测泄漏事件[5]。

1.2.2 音波的传播速度v

综合考虑输气管道弹性特征模量、直径、厚度及气体介质密度等因素[6]，音波传播速度v写为

由式（1）可推出，泄漏点的计算公式为

音波在气体介质中的传播速度通常认为是固定数值，而对于输气管道材质的弹性模量或管道厚度e很大的刚性管道[7]，在满足可靠性和稳定性要求的情况下式（3）又可适当简化为

式中：v为音波的传播速度，m/s；ap为气体压缩系数，Pa-1；ρ为气体的密度，kg/m3。

由式（4）可得出，音波传播速度与气体密度和气体压缩系数有关[8]。随着长输管道的发展，输气管道正朝着大口径、高压力趋势发展，同时由于管道距离长，摩擦散热明显的特点，音波传输速度必须考虑压力和温度等因素，从而提高泄漏检测的定位精度。

2 音波检测系统组成及核心技术

音波泄漏检测系统由音波传感器、现场数据采集处理器、现场GPS时间接收器、控制中心GPS时间接收器、控制中心数据汇集处理器和控制中心监控主机组成，如图2所示。

图2 音波测漏系统示意图Fig.2 Schematic diagram of acoustic leak detection system

从图2不难看出，音波检测技术的核心关键是高灵敏度的音波检测传感器、背景噪音的甄别和滤除算法。

2.1 音波传感器

高灵敏度的音波传感器是保证泄漏检测准确率的前提保证，它能够发现并捕捉输气管道泄漏时微小的震动信号，同时，也可灵敏地接收到输气管道泄漏时气体介质的能量波动和变化。

2.2 背景噪音的甄别和滤除算法

为了滤除信号中频率处于音波范围以外的信号就必须使用滤波器进行滤波，在大部分检测仪器中都要对信号进行滤波处理。然而，传统的滤波器只能滤去截止频率和带通范围外的噪声信号，当噪声信号的频率范围在此之内时，滤波器往往无能为力，而确定随机噪声信号所在的频率范围往往不易做到，小波分解能够很好地解决此类问题[9]。

小波分解是能在时域和频域均能对信号进行分析的方法，具有诸多优点，例如可以对信号在不同范围、不同的时间区域内进行剖析，对噪声不敏感和能够获得信号的细节等。

小波分解就是把某一被称为基本小波（mother wavelet）的函数 ψ（t）作位移 τ后，再在不同尺度 a下与待分析信号f（t）作内积。

如果函数ψ（t）满足容许性条件：

则信号 f（t）的小波分解为

等效的频域表示为

小波分解同时具有时域和频域的良好局部化性质，随着信号不同频率成分在时间（空间）域取样的疏密自动调节，可达到效率高、质量佳的效果[10]。

小波分解具有多分辨即多尺度特点，可以由粗到精的分析信号。即将小波分解看成基本频率特性为ψ^（w）的带通滤波器在不同尺度a下对信号作滤波，小波分解带通滤波器的带宽与中心频率f成亦即滤波器有一个恒定相对带宽，即品质因数恒定。适当的选择基本小波使ψ（t）在时域上为有限支撑[11]，ψ^（w）在频域上也比较集中便可以使小波分解在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，因此，非常适合于检测音波信号的瞬态或奇异点。

音波信号波形经小波分解消噪前后示意图，如图3所示。

图3 音波信号波形小波分解消噪前后示意图Fig.3 Schematic diagram of acoustic signal wavelet analysis denoising before and after

音波信号的噪音甄别和滤除过程可分为3个步骤进行：

步骤1 小波分解。选择一个小波并确定小波分解的阶次，然后将含有噪声的信号按照相应的小波基求得各阶次的小波分解后的高频系数。

步骤2 小波分解高频系数的阈值处理。对阶尺度上分解得到的高频系数在相应阶次上的门限值进行量化处理，得到新的小波高频系数。

步骤3 小波重构。根据分解得到的阶低频概貌和经过阈值处理后得到的阶的高频系数，用小波合成重构信号，得到去噪后的信号。

3 音波法在胜利油田的试验

为验证音波法是否能够应用于输气管道的泄漏检测，在胜利油田选取了一段低压、短距离管道和高压、长距离管道，分别进行了试验。

3.1 庐配至东配的试验

2009年12月，在胜利油田庐山路配气站至东城配气站进行了音波泄漏检测设备的安装及试验，主要是测试音波在低压、短距离输气管线中的传输规律。

该管道主要参数如下：

·管道长度：6.4 km左右，管道直径为325 mm；

·运行压力：庐配1MPa左右，东配0.9MPa左右；

·管道流量：约13万m3/d，高峰时约1.2万m3/d。

从图4和图5中，可看出经过五阶小波分解后，音波信号中的噪声及干扰信号得到有效的去除，泄漏信息得到体现。在每组信号中可看到多个回波信号，根据这些回波信号，计算得到的音波波速在此条件下约为420 m/s。

图4 五阶小波分解后庐配测得的音波信号Fig.4 5 order after wavelet analysis of the Lu-pei measured acoustic signal

图5 五阶小波分解后东配测得的音波信号Fig.5 5 order after wavelet analysis of the Dong-pei measured acoustic signal

3.2 埕岛至孤岛的应用

在庐配至东配试验的基础上，于2010年8月在埕岛天然气预处理站至孤岛压气站的气管线进行了音波泄漏检测设备的安装及试验，主要来测试音波在高压、长距离输气管线中的传输规律。

该管道主要参数如下：

·管道长度：37 km；

·运行压力：3.3 MPa；

·管道流量：约 5000～6000 m3/h。

图6 埕岛测得的音波信号Fig.6 Cheng-dao measured acoustic signal

图7 孤岛测得的音波信号Fig.7 Gu-dao measured acoustic signal

与庐配-东配天然气管道不同，本段试验管道长度约为前者的6倍，管径约为前者的5/6，正常输气时的管道压强约为前者的3～4倍，低压端没有用户用气干扰。证明了音波传感器可以在高压输送的长距离输气管道上检测泄漏过程中所产生的音波信号。

4 结语

介绍了音波法检测技术和泄漏定位的原理，并设计了音波泄漏检测系统，实现了泄漏信号的有效识别。通过在胜利油田两条输气管道上现场试运行表明，音波法不仅可以对低压、短距离输气管道进行泄漏检测，而且可以对高压、长距离输气管道进行有效的检测。同时，通过多阶小波分解，可以有效提高音波泄漏检测系统的消噪能力，敏锐的扑捉泄漏音波信号。

音波法在国外有广泛的应用，并取得了良好的效果，但国内的研究较少，因此，如何结合我国实际情况推广应用音波检测技术还需不断深入研究。

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