吳志敏 ，周詩(shī)崠， 江光世

（1.常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，常州 213016；2.常州大學(xué) 油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213016；3.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司 華東管道設(shè)計(jì)研究院，徐州 221008）

0 引言

隨著我國(guó)油氣管道事業(yè)的發(fā)展，埋地油氣管道長(zhǎng)度已達(dá)7萬(wàn)公里。管道腐蝕、“打孔盜油”、“打孔盜氣”等人為破壞因素導(dǎo)致油氣管道泄漏事故頻發(fā)。為了保障管道的安全運(yùn)營(yíng)，提高管道運(yùn)營(yíng)部門的管理水平，負(fù)壓波法、聲波法、實(shí)時(shí)模型法等技術(shù)被應(yīng)用到管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)中去，但泄漏定位精度有待提高[1～3]。

聲發(fā)射檢測(cè)管道泄漏的原理是通過(guò)安裝在管道兩端的超聲傳感器捕捉高頻應(yīng)力波來(lái)確定泄漏。在泄漏點(diǎn)處內(nèi)外壓差作用，管內(nèi)流體在漏點(diǎn)處形成多相湍射流，使流體正常流動(dòng)發(fā)生紊亂，并且與管道及周圍介質(zhì)相互作用向外輔射能量，從而在管壁上產(chǎn)生高頻應(yīng)力波。通過(guò)對(duì)兩端采集信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算可確定泄漏點(diǎn)引發(fā)的高頻應(yīng)力波傳波到兩端聲波傳感器的時(shí)間差，結(jié)合波速和兩傳感器的間距，可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。由于外界的干擾，超聲傳感器捕捉到的信號(hào)中混雜有大量的噪聲。為了提高泄漏的檢測(cè)精度，必須對(duì)原始采集進(jìn)行濾波，去除大量干擾信號(hào)，得到真實(shí)信號(hào)。小波變換由于在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特性的能力，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，而在高頻部分具有較高的時(shí)間頻率分辨率和較低的頻率分辨率。即小波變換具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性，能夠去處噪聲，提取有用信號(hào)，因此本研究采用基于小波變換方法對(duì)泄漏聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并已定位精度這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)基于小波變換的信號(hào)濾波效果。

1 基于小波變換的信號(hào)處理技術(shù)

1）信號(hào)的分解與重構(gòu)[4,5]

如圖1（a）所示，設(shè)信號(hào)f ( t )的離散序列為 f ( n )，n=1, 2,…,N其離散二進(jìn)小波變換為

Cj和Dj分別稱為信號(hào)在尺度j上的近似部分和細(xì)節(jié)部分。

圖1（b）是小波快速重建算法，其中

2） 小波消噪思想

圖1 Mallat算法分解與重建算法

突變點(diǎn)的李氏指數(shù)與小波變換模極大值的關(guān)系如公式（3）所示：

式中：j為尺度，α為L(zhǎng)ipschitz指數(shù)。

有用信號(hào)和噪聲具有不同的奇異性，對(duì)于有用信號(hào)0＜α≤1，對(duì)于白噪聲α＜0。即噪聲的小波變換系數(shù)隨j的增大而減小，有用信號(hào)的小波系數(shù)隨j的增大而增大。在信號(hào)處理過(guò)程中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值規(guī)則對(duì)各級(jí)小波系數(shù)進(jìn)行閾值調(diào)整，將調(diào)整后的小波系數(shù)以及未經(jīng)調(diào)整的最高級(jí)尺度系數(shù)按小波變換的反演算法進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，得到消噪后的信號(hào)。

2 管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)處理與泄漏點(diǎn)定位

在實(shí)驗(yàn)室管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)上安裝聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)[6]。聲發(fā)射儀選用美國(guó)物理聲發(fā)射公司(PAC)生產(chǎn)的PAC6006系統(tǒng)，傳感器選用PAC公司生產(chǎn)的單端寬頻帶傳感器R15，頻帶范圍50kHz-1MHz，通帶內(nèi)起伏小于30dB，靈敏度約120dB，放大器的型號(hào)是S/N2462026504。

本研究分別在0.79MPa、0.62 MPa、0.58 MPa、0.53 MPa、0.41 MPa、0.37 MPa、0.35 MPa、0.32 MPa、0.31 MPa、0.19 MPa十個(gè)工況下進(jìn)行泄漏實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中泄漏點(diǎn)的實(shí)際位置均位于管道1300mm處。現(xiàn)已0.58MPa壓力工況的實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行分析。圖2為在實(shí)驗(yàn)工況下，實(shí)驗(yàn)室管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的定位圖（數(shù)據(jù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)小波分析濾波）。圖中所示信號(hào)能量主要頻率主要集中在100～150KHz，管道的泄漏點(diǎn)為約在1085mm，而，故其系統(tǒng)產(chǎn)生的絕對(duì)誤差為215mm，相對(duì)誤差為16.5%。

圖2 聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的定位圖

考慮到聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)中含有噪聲成份，噪聲使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在一定程度上在定位方面產(chǎn)生誤差，提出在Matlab軟件環(huán)境下采用小波分析方法進(jìn)行信號(hào)處理。圖3顯示出原始信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab軟件生成的信號(hào)圖。對(duì)原始采集信號(hào)在MATLAB軟件環(huán)境下采用小波濾波。小波函數(shù)選擇Coiflets基小波，尺度選擇2，即采用db2小波對(duì)x1信號(hào)和x2信號(hào)進(jìn)行5層分解。分解后的信號(hào)x1和x2對(duì)采用默認(rèn)閥值法重構(gòu)信號(hào)，如圖4所示，重構(gòu)信號(hào)記為xx1和xx2。對(duì)重構(gòu)信號(hào)xx1和xx2 進(jìn)行互相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)圖5。依據(jù)線性相關(guān)算法分析原理，對(duì)處理后的信號(hào)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行算法分析，得到相關(guān)系數(shù)算法圖6。

從算法圖上得到相關(guān)系數(shù)最大偏移量對(duì)應(yīng)圖形上的點(diǎn)為25×10-6，故其偏移時(shí)間為25×10-6s，所以泄漏點(diǎn)的位置為1000+(1000-4167675×25×10-6)/2=1343.7mm。絕對(duì)誤差為43.7mm，相對(duì)誤差為（43.7/1300） 100%=3.4%?？梢钥闯?，采用小波變換后，可以剔除原信號(hào)中的大部分噪聲，定位的準(zhǔn)確度明顯得以提高。

圖3 原始信號(hào)

圖4 小波濾波后的重構(gòu)信號(hào)

圖5 信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)圖

圖6 信號(hào)相關(guān)系數(shù)算法圖

3 結(jié)論

表1給出了在10中不同壓力工況下進(jìn)行的管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的原始軟件定位結(jié)果和采用小波變換對(duì)數(shù)據(jù)處理后的定位結(jié)果比較。

表1 10種工況的定位結(jié)果比較表

由表1可以看出，采用聲發(fā)射儀定位精度較低，相對(duì)誤差均超過(guò)15%以上，甚至出現(xiàn)檢測(cè)不出泄漏點(diǎn)位置的情況。而采用小波分析處理聲發(fā)射信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過(guò)分解、降噪、重構(gòu)處理后得到的信號(hào)更有效，更真實(shí)反應(yīng)泄漏源的特性。信號(hào)經(jīng)過(guò)小波分析處理后，泄漏點(diǎn)定位精度大幅度提高，10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的的定位精度均在5%之內(nèi)，滿足工程實(shí)際需要。

[1] 姜斌, 張文國(guó).在建埋地長(zhǎng)輸管道泄漏點(diǎn)定位方法[J].油氣田地面工程, 2010, 29(9): 59-60.

[2] 周詩(shī)崠, 吳志敏, 吳明.輸油管道泄漏檢測(cè)技術(shù)綜述[J].石油工程建設(shè), 2003, 29(3): 6-10.

[3] 李紅巖.長(zhǎng)距離輸油管道泄漏檢測(cè)技術(shù)[J].油氣田地面工程, 2009, 28(1): 74-75.

[4] 周詩(shī)崠, 吳明.基于小波變換的管道泄漏點(diǎn)定位研究[J].石油工程建設(shè), 2004, 30(1): 7-9.

[5] 崔謙, 靳世久, 王立坤.多尺度相關(guān)分析在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2005, 19(5): 50-62.

[6] 周詩(shī)崠, 吳志敏, 趙玲.輸油管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 24(4): 39-42, 50.