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)控主機構成[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化成數(shù)字信號，再通過濾波等信號處理算法進行預處理，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)絡傳給監(jiān)控主機。現(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雙模接收器進行連接，通信模塊的無線接收器安裝在機柜內，數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)控主機。

監(jiān)控主機上安裝的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)為操作人員提供人機操作界面、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)進行預處理，從而使經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)可以被計算機算法識別[3]。在實際應用中，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)驗模態(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。

2.1.1 信號預處理方法

在獲取數(shù)據(jù)以后，需要對數(shù)據(jù)進行預處理，主要是通過不同的算法、參數(shù)對數(shù)據(jù)進行濾波等處理，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。而自適應異常信號檢測法可以有效地彌補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)過預處理之后，根據(jù)結果可以選擇合適的數(shù)據(jù)處理算法。預處理使用的算法通常需要根據(jù)實際工況設計算法代碼，同時需要采集原始數(shù)據(jù)進行調試，以保證算法的正確性[5]。

通過采用上述算法，自行編制了軟件進行信號處理。圖2所示是一組預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，介質流動、工況操作、管道泄漏都會在管道內部產(chǎn)生聲波。其中，介質流動產(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，為自學習專家數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。

管道內干擾信號較多，根據(jù)泄漏次聲信號在管道內的傳播特點，將異常信號按照檢測時間進行排序，從中剔除不滿足多分站同源信號關聯(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)，軟件設計通過軟件需求分析、開發(fā)計劃、詳細設計、代碼編寫、模塊測試、集成調試等設計流程進行設計。在軟件設計中采取了模塊化的設計思想，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中設定的各項要求進行測試。

（3）測試儀器設備。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，而后進行泄放測試。其中次聲波傳感器性能指標如下：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)進行改進完善，最終在D273 mm試驗管道上進行測試，得到在1.5 MPa壓力下的測試結果，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，響應時間小于10 s，定位精度較好，達到±20 m以內。

4 結束語

環(huán)路泄漏測試結果表明，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±20 m以內。

（2）實際應用中可安裝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 水介質下泄漏試驗結果

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