丁小勇 宋保強(qiáng) 呂永強(qiáng)

中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心

次聲波技術(shù)在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用

丁小勇 宋保強(qiáng) 呂永強(qiáng)

中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心

次聲波具有頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)、衰減小等特點(diǎn)，能夠在傳播長(zhǎng)距離后仍然保留較強(qiáng)的能量。次聲波管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)有效監(jiān)控范圍大，不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制。系統(tǒng)由一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的主站和若干個(gè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采集次聲信號(hào)，通過企業(yè)內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)方式傳送至主站系統(tǒng)。主站信號(hào)處理軟件能夠?qū)Σ杉男盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，準(zhǔn)確地將泄漏信號(hào)提取出來，通過計(jì)算泄漏信號(hào)到達(dá)相鄰兩個(gè)分站的時(shí)間差異實(shí)現(xiàn)精確定位，發(fā)布報(bào)警信號(hào)。目前該檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警定位誤差為±50 m，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不超過40 s，誤報(bào)率為3.83%，有效率為96.17%，漏報(bào)率為零。

管道泄漏；檢測(cè)系統(tǒng)；次聲波；數(shù)據(jù)采集；定位精度

次聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)基于聲學(xué)、流體力學(xué)、現(xiàn)代信號(hào)處理等相關(guān)理論，該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是在運(yùn)行前期不需要建立管道的數(shù)學(xué)模型，更符合我國(guó)管道敷設(shè)面積廣、管線跨距長(zhǎng)的實(shí)際情況，因此有著更為廣泛的應(yīng)用和較好的發(fā)展前景。

1 幾種泄漏檢測(cè)方法

國(guó)內(nèi)油氣管道發(fā)展迅猛，隨著使用年限的增長(zhǎng)，管道出現(xiàn)老化、腐蝕、穿孔、泄漏等現(xiàn)象，因此如何及時(shí)、快速地檢測(cè)管道是否發(fā)生泄漏，對(duì)企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)和安全運(yùn)行非常重要[1]。目前，各種類型管道檢測(cè)器向多樣化、高分辨率、尺寸規(guī)格系列化及智能化方向發(fā)展，應(yīng)用較多且較為成熟的檢測(cè)法有流量檢測(cè)法、光纖檢測(cè)法、負(fù)壓波檢測(cè)法和次聲波檢測(cè)法。

1.1 流量檢測(cè)法

流量檢測(cè)法是管道泄漏檢測(cè)領(lǐng)域最早期的方法，通過檢測(cè)管道輸入端的輸入流量與管道輸出端的輸出流量差，來判斷管道是否發(fā)生泄漏，原理很簡(jiǎn)單。該方法存在以下缺點(diǎn)：①無法實(shí)現(xiàn)定位，即無法準(zhǔn)確有效地發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，不利于快速發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)并及時(shí)維修；②受流量檢測(cè)儀表精度的限制，一般需要管道泄漏達(dá)到一定數(shù)量級(jí)，儀表才能檢測(cè)出來并報(bào)警。

1.2 光纖檢測(cè)法

管道發(fā)生泄漏時(shí)會(huì)在泄漏點(diǎn)出現(xiàn)溫度變化，采用光纖光柵和分布式光纖溫度傳感檢測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)管道全線溫度的連續(xù)檢測(cè)，通過檢測(cè)管道周圍的溫度場(chǎng)異常變化及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，并進(jìn)行漏點(diǎn)準(zhǔn)確定位[2]。該方法存在以下缺點(diǎn)：①人員活動(dòng)多的環(huán)境會(huì)對(duì)光纖的溫度檢測(cè)產(chǎn)生干擾，容易產(chǎn)生誤報(bào)，報(bào)警準(zhǔn)確率低，但在人煙稀少的環(huán)境下報(bào)警準(zhǔn)確；②設(shè)備成本高，施工要求及維護(hù)要求高。

1.3 負(fù)壓波檢測(cè)法

利用負(fù)壓波技術(shù)原理進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)和定位。管道泄漏時(shí)會(huì)造成泄漏點(diǎn)壓力下降，這種壓力下降信號(hào)會(huì)沿著管道向兩端傳播，傳播的速度取決于管道內(nèi)介質(zhì)[3]。檢測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)比兩站間接收到負(fù)壓波的時(shí)間差，計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。該方法存在以下缺點(diǎn)：①系統(tǒng)只能檢測(cè)到泄漏量較大的泄漏，對(duì)于泄漏量較小的泄漏無法檢測(cè)；②定位精度很差，誤差達(dá)數(shù)公里；③對(duì)管道的首末端壓力差有要求，對(duì)首末端壓差大的輸油管道有效果，對(duì)首末端壓差小的輸氣管道沒有效果。比如在天然氣管道上，由于天然氣首末端壓力差幾乎為零，負(fù)壓波法完全不適用。

1.4 次聲波檢測(cè)法

次聲波具有頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)、衰減小等特點(diǎn)，能夠在傳播長(zhǎng)距離后仍然保留較強(qiáng)的能量。次聲波管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)有效監(jiān)控范圍大，管道發(fā)生泄漏產(chǎn)生的次聲信號(hào)與管道工況和泄漏量無直接關(guān)系。

輸油管線所處環(huán)境多數(shù)比較惡劣，長(zhǎng)輸管線泄漏檢測(cè)系統(tǒng)必須具有靈活應(yīng)用的功能來適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)必須具有非常高的系統(tǒng)穩(wěn)定性來保證系統(tǒng)可靠地運(yùn)行。

2 次聲波管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

次聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的主站和若干個(gè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成，如圖1所示。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采集次聲信號(hào)，通過企業(yè)內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)或3 G網(wǎng)絡(luò)方式傳送至主站系統(tǒng)。主站信號(hào)處理軟件能夠?qū)Σ杉男盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，準(zhǔn)確地將泄漏信號(hào)提取出來，通過計(jì)算泄漏信號(hào)到達(dá)相鄰兩個(gè)分站的時(shí)間差異實(shí)現(xiàn)精確定位，發(fā)布報(bào)警信號(hào)。GPS（Global Positioning System）校時(shí)設(shè)備保證所傳輸數(shù)據(jù)的同步[4]。

圖1次聲波管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖1 中x表示泄漏點(diǎn)到管道起始端傳感器的距離（m）；s表示管道兩端傳感器之間的長(zhǎng)度（m）。由圖1可以推算出對(duì)泄漏點(diǎn)的定位計(jì)算

式中v為次聲波在管道介質(zhì)中的傳播速度（m/s）；Δt為管道兩端傳感器收到管道泄漏信號(hào)的時(shí)間差（s）。

3 次聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)

3.1 多通道數(shù)據(jù)采集

基于不同通道數(shù)據(jù)的靈敏度不同，小流量管道泄漏信號(hào)（尤其是停輸時(shí)的泄漏信號(hào)）也能夠被檢測(cè)到，降低了漏報(bào)率。此外，多通道數(shù)據(jù)異常信號(hào)信息的融合也可以有效地提高泄漏信號(hào)的識(shí)別率。圖2為同一個(gè)泄漏信號(hào)經(jīng)過不同的通道采集信號(hào)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)第二通道的信號(hào)更容易檢測(cè)出來，信號(hào)的精度更高。

3.2 信號(hào)的特征提取

由于管道內(nèi)的干擾信號(hào)較多，因此被檢測(cè)出的異常信號(hào)也多，需要對(duì)信號(hào)從時(shí)域和頻域進(jìn)一步分析，提取特征。

當(dāng)管道發(fā)生異常的時(shí)候，聲波傳感器在管道上采集的信號(hào)在波形上與沒有發(fā)生異常時(shí)有明顯的不同，因此可以提取信號(hào)在時(shí)域中的波形特征來構(gòu)造特征向量。反映管道振動(dòng)波形特征的指標(biāo)可以構(gòu)造為以下幾種（將它們稱為信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征）：

圖2 兩通道次聲信號(hào)對(duì)比

（1）反映強(qiáng)弱變化的參數(shù)。

（2）反映波形變化的參數(shù)。

（3）反映劇變沖擊特性的參數(shù)。

（4）反映波幅分布情況的參數(shù)。

式中Xmax為峰值（mm）；Xam為平均峰值（mm）；Xavr為方差（mm2）；Xrms為均方幅值（mm-2）；Xr為方根幅值（mm）；S為波形指標(biāo)，無因次；Xc為峰值因子，無因次；Xinf為脈沖因子，無因次；L為裕度因子，無因次；Xk為峭度，無因次；Xkf為峭度因子，無因次；N為數(shù)字信號(hào)數(shù)。

同時(shí)管道在泄漏及非泄漏的情況下，信號(hào)能量在頻域上的分布也有明顯的不同。因此，設(shè)信號(hào)的譜圖沿頻率軸方向分幾個(gè)區(qū)域之后，每個(gè)矩形面積的平均功率分別為ρ1，ρ2，…，ρn，則功率譜的特征可以用如下的n維向量來描述ρ=(ρ1，ρ2，???，ρn)，如圖3所示。

圖3 次聲信號(hào)的頻譜

可以定義新的n維特征向量ρ=(ρ′1，ρ′2，???，ρ′n)，其中

不同的模型其高峰頻率處不同，因此也可將高峰能量比作為輸入矩陣的向量

式中：ρ為平均功率（W）；k為高峰能量處頻率（Hz）；st為某一時(shí)刻頻率（Hz）；df為頻率間隔值（s）。

將上述信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征和能量特征構(gòu)成一組特征向量，既包含信號(hào)的時(shí)域特征又包含信號(hào)的頻域特征，因此能較全面地反映信號(hào)中所包含的信息[5]。

3.3 提高定位精度

泄漏信號(hào)的時(shí)間差跟每個(gè)分站所采集的信號(hào)時(shí)間點(diǎn)有關(guān)。由于各個(gè)分站位于管線的不同位置，各自都有著獨(dú)立的時(shí)鐘。為了準(zhǔn)確定位，要求每個(gè)時(shí)鐘必須同步，同步的精度達(dá)毫秒級(jí)。GPS具有全天候不受任何天氣的影響，全球覆蓋（高達(dá)98%），三維定點(diǎn)、定速、定時(shí)、高精度，快速、省時(shí)、高效率，應(yīng)用廣泛、多功能和可移動(dòng)定位等特點(diǎn)，因此系統(tǒng)中的每個(gè)分站都要進(jìn)行GPS高精度授時(shí)，精度越高的GPS所需要的費(fèi)用自然也越高?？紤]到降低用戶的使用成本，目前誤差在幾十米內(nèi)是可以接受的范圍。

不同管徑、不同輸送介質(zhì)、不同輸送壓力的管道其聲速都是不一樣的[6]，因此需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行聲速調(diào)整，通過管道的高壓端或低壓端的操作信號(hào)來獲得聲速V。

4 應(yīng)用案例

某公司研發(fā)的次聲波管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)于2012年4月1日在濟(jì)邯成品油管線投入使用。該管線布控長(zhǎng)度約為86.48 km，共設(shè)置4個(gè)分站節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 分站安裝示意圖

從系統(tǒng)試運(yùn)行至今，已經(jīng)報(bào)警了多起盜油案例，幫助油田工作人員順利地找到了盜油閥門，減少了大量的經(jīng)濟(jì)損失。目前該檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警定位誤差為±50 m，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不超過40 s，誤報(bào)率為3.83%，有效率為96.17%，漏報(bào)率為零。

次聲波管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)在濟(jì)邯成品油管線上的長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)、報(bào)警快速、定位準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)管道泄漏檢測(cè)和定位報(bào)警，保障長(zhǎng)輸管道的安全運(yùn)行。

[1]李長(zhǎng)俊．天然氣管道輸送[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2000：11.

[2]胡志新，張陵，喬學(xué)光，等．分布式光纖布拉格光柵在油氣管道檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．應(yīng)用光學(xué)，2000，2l（4）：35-37.

[3]蘇維均，廉小親，于重重，等．負(fù)壓波定位理論在輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2003，19（3）：1-6.

[4]臧春喜，郭彥懿，白春華，等．基于LabVIEW的次聲波測(cè)試系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)，2005（1）：18-19.

[5]王立坤．原油管道泄漏檢測(cè)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．天津：天津大學(xué)，2002.

[6]杜功煥，朱哲民，龔秀芬，等．聲學(xué)基礎(chǔ)[M]．南京：南京大學(xué)出版社，2001：3.

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.040

丁小勇：工程師，2003年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，主要從事長(zhǎng)輸成品油管道調(diào)度工作。

2015-04-08

13810189648、xiaoyongding@petrochina.com.cn