朱 艷 黎 泉＊ 方麗萍

（1、欽州市科學(xué)技術(shù)開發(fā)中心，廣西 欽州535000 2、北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州535011 3、北部灣大學(xué) 石油與化工學(xué)院，廣西 欽州535011）

隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大，發(fā)展天然氣行業(yè)成了應(yīng)對(duì)環(huán)境問題的重要舉措。在油氣管道及設(shè)施促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)也帶來了極大的安全挑戰(zhàn)，一些管道在運(yùn)行過程中銹蝕、變薄，有些油氣管線與城市管網(wǎng)交叉重疊，里面存在很多隱患。一旦天然氣管道發(fā)生泄漏，除引起天然氣資源損失外，若管道因發(fā)現(xiàn)泄漏及定位不及時(shí)、準(zhǔn)確，還可能釀成爆炸或火災(zāi)事故，嚴(yán)重威脅管道沿線國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，研究高效穩(wěn)定的泄漏檢測技術(shù)是管道安全運(yùn)行的重要保障。

管道多點(diǎn)泄漏信號(hào)診斷方面，學(xué)者們已進(jìn)行了部分研究。付俊濤[1]基于聲波對(duì)輸氣長輸管道進(jìn)行泄漏檢測，并提取了泄漏工況及干擾工況的時(shí)域特征及頻域特征。郝永梅[2]采集管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)的總體局域均值分解并提取多尺度熵特征，最后通過反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別，具有較高的識(shí)別精度。管道多點(diǎn)泄漏的研究多數(shù)著重于定位方法的優(yōu)化，吳國忠等[3]基于Fluent 軟件模擬埋地輸油管道多點(diǎn)泄漏的溫度場，為基于紅外的泄漏定位提供基礎(chǔ)；劉迪等[4]提出氣井井下油管的多點(diǎn)泄漏模型，基于自相關(guān)分析提取信號(hào)特征時(shí)間，并基于該模型進(jìn)行定位?，F(xiàn)階段泄漏檢測技術(shù)的研究主要集中在單個(gè)泄漏點(diǎn)的檢測，對(duì)兩個(gè)或多個(gè)泄漏點(diǎn)的泄漏判斷研究尚處于初步期，研究管道出現(xiàn)多個(gè)泄漏點(diǎn)的檢測方法對(duì)提高泄漏報(bào)告的準(zhǔn)確性有重要的意義。相比于傳統(tǒng)的音頻法和振動(dòng)法，動(dòng)態(tài)壓力波檢測法具有幅值大、頻率寬的優(yōu)點(diǎn)。本文采集不同工況下動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，經(jīng)傅里葉變換后對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，濾除泄漏信號(hào)背景噪音，與單點(diǎn)泄漏信號(hào)進(jìn)行對(duì)比進(jìn)而總結(jié)規(guī)律，為油氣輸送管道的兩點(diǎn)或者多個(gè)點(diǎn)泄漏的研究識(shí)別提供前期研究基礎(chǔ)。

1 基于動(dòng)態(tài)壓力波泄漏檢測的實(shí)驗(yàn)裝置

室內(nèi)低壓實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1。實(shí)驗(yàn)的介質(zhì)采用空氣代替天然氣，壓縮機(jī)把空氣加壓后進(jìn)入高壓緩沖罐，再輸進(jìn)實(shí)驗(yàn)測試管段，最后經(jīng)球閥放空。管線全長398.25m，實(shí)際測試管段全長376.15m，管內(nèi)徑25mm，壁厚2mm，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)出口壓力0.8MPa，設(shè)計(jì)流量60m3/h，空氣由壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入緩沖罐、安全閥進(jìn)入測試管段，最后由放空閥進(jìn)行放空。測試管段的壓力經(jīng)過起點(diǎn)調(diào)壓閥和終點(diǎn)調(diào)節(jié)閥共同控制，本實(shí)驗(yàn)裝置共設(shè)置4 個(gè)泄漏點(diǎn)，實(shí)際測試所用兩個(gè)泄漏點(diǎn)，分別為泄漏點(diǎn)2、泄漏點(diǎn)4，兩個(gè)泄漏點(diǎn)分別與緩沖罐出口端壓力表距離156.02m 和321.91m，分別距離起點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力傳感器151.1m、220.13m，距離終點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力傳感器為316.99m 和54.24m，泄漏孔徑均為10mm，采用球閥開度100%和50%模擬孔徑為10mm 和5mm 的泄漏。傳感器信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，采樣率為1652S/s。

本文實(shí)驗(yàn)在150kPa、200kPa、250kPa 和300kPa 四個(gè)壓力等級(jí)下進(jìn)行泄漏實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行單點(diǎn)泄漏和兩點(diǎn)泄漏。兩點(diǎn)泄漏的實(shí)驗(yàn)操作為先打開泄漏閥2，待信號(hào)相對(duì)5s 后打開泄漏閥4。動(dòng)態(tài)壓力波的核心元件為動(dòng)態(tài)壓力傳感器，本文采用美國PCB公司的106B 壓電型動(dòng)態(tài)壓力傳感器，測量范圍-57.2～57.2KPa，靈敏度43.5mv/kPa。

數(shù)據(jù)采集界面如圖2。通道1 和通道2 與傳感器數(shù)據(jù)線連接，通道3 和通道4 無連接。從圖2 可以看到，系統(tǒng)采集到的信號(hào)包含幅值約為1 的電流噪聲及幅值約為10 的背景噪聲。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏動(dòng)態(tài)壓力波信號(hào)為一個(gè)突然下降的波峰。由于信號(hào)的電流噪聲及背景噪聲輻值較大，因此需對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，濾除信號(hào)噪聲以提高信號(hào)檢測精度。

2 基于傅里葉變換的頻譜分析及濾波

傅里葉變換濾除信號(hào)噪音的基本原理是將噪音信號(hào)頻率置零，然后通過逆變換獲得理想信號(hào)。

以200kPa、泄漏閥開度100%的工況下單點(diǎn)泄漏為例，頻譜圖如圖3 所示。圖3（a）為起點(diǎn)傳感器接收信號(hào)頻譜，圖3（b）為終點(diǎn)傳感器接收信號(hào)頻譜。圖中，在50Hz 有一個(gè)明顯的譜峰，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工頻，除此之外，在280Hz、450Hz 分別出現(xiàn)一個(gè)明顯的譜峰，為壓縮機(jī)及壓力監(jiān)測采集系統(tǒng)的干擾頻率。

圖3 單點(diǎn)泄漏傅里葉變換幅頻曲線

以200kPa、泄漏閥開度100%的工況下兩點(diǎn)泄漏為例，信號(hào)頻譜圖如圖4 所示，與單點(diǎn)泄漏信號(hào)一樣，信號(hào)在0～25Hz 內(nèi)能量占優(yōu)，整個(gè)頻率段增高時(shí)信號(hào)衰減，在280Hz、420Hz 出現(xiàn)干擾頻率峰值。因此，傅里葉變換去噪時(shí)，將25Hz 以上頻率置0，去噪后兩點(diǎn)泄漏信號(hào)如圖5。由圖5 可以看到，對(duì)進(jìn)行傅立葉變換濾波后，信號(hào)的信噪比較高，且保留了泄漏信號(hào)的拐點(diǎn)及峰值信息。圖中，a 處為泄漏閥2 打開產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力波，c 為泄漏閥4 打開產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力波，b 為泄漏閥2 打開后信號(hào)在儲(chǔ)罐處的反射波，d 和e 為泄漏閥2 和泄漏4 分別關(guān)閉后產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力波。為了定量描述信號(hào)的波形變換及劇變沖擊特性，下面對(duì)信號(hào)的時(shí)域特征進(jìn)行分析。

圖5 動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)

圖4 兩點(diǎn)泄漏傅里葉變換幅頻曲線

3 實(shí)驗(yàn)信號(hào)特征分析

時(shí)域特征值是衡量信號(hào)特征的重要指標(biāo)，有量綱的特征指標(biāo)經(jīng)常被使用在多種領(lǐng)域的信號(hào)研究，因?yàn)樗ǔＪ潜容^有直觀表現(xiàn)的物理意義。一般用最值、峰峰值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、根幅值等描述泄漏信號(hào)的強(qiáng)度或大小，峰值因子、峭度因子、裕度因子、脈沖因子和偏度因子描述信號(hào)波形變化以及劇變沖擊特性，反應(yīng)信號(hào)幅值分布情況變化。通過對(duì)信號(hào)時(shí)域特征分量進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)可以分析信號(hào)的強(qiáng)度和波形變化程度而進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

3.1 不同泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)的特征分析

單點(diǎn)與兩點(diǎn)泄漏信號(hào)特征值隨壓力變化情況如圖6。信號(hào)特征值隨著壓力升高而增大。方差增大大，壓力越高產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)越大；平均幅值隨壓力升高增加緩慢，流體穩(wěn)定性隨壓力高而變差；峰值因子、脈沖因子和裕度因子變化平緩，所受的壓力沖擊均勻；管道壓力越大，泄漏信號(hào)能量越大，也就是信噪比越大，所能提取到的信號(hào)更為清晰。兩點(diǎn)泄漏的特征值整體大于單點(diǎn)泄漏特征值，表明了兩點(diǎn)泄漏下信號(hào)的強(qiáng)度更大，在同等壓力下兩點(diǎn)泄漏峰峰值明顯較大，說明了兩點(diǎn)泄漏信號(hào)的變化范圍更加廣；平均幅值在同等條件下也更大，穩(wěn)定性更加容易浮動(dòng)；標(biāo)準(zhǔn)差、均方值的值更大，即信號(hào)的值與真實(shí)值偏離程度以及誤差更大；能量值偏高于單點(diǎn)泄漏能量，所含的噪音較小；在所受的沖擊上表現(xiàn)并不明顯。

圖6 不同泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)的時(shí)域特征

3.2 不同泄漏閥開度的特征分析

對(duì)泄漏閥開度分別為100%和50%的信號(hào)進(jìn)行分析，如圖7。通過對(duì)比，100%開度的泄漏口徑最大值、最小值和峰峰值比50%開度的更大，信號(hào)幅值變化也較大；全開泄漏閥采集的信噪比例高，而小口徑泄漏信號(hào)存在較大的沖擊，50%開度泄漏信號(hào)裕度因子值偏高，存在較大管道磨損，表明了小孔徑泄漏可能進(jìn)一步口徑破裂加大的可能性。

圖7 不同泄漏閥開度的時(shí)域特征

4 結(jié)論

基于傅里葉變換對(duì)中低壓輸氣管道兩點(diǎn)泄漏動(dòng)態(tài)壓力波信號(hào)進(jìn)行濾波及時(shí)域特征分析，得到以下結(jié)論：

4.1 中低壓輸氣管道兩點(diǎn)泄漏動(dòng)態(tài)壓力波信號(hào)的頻率主要為25Hz 以內(nèi)。通過傅里葉變換濾除25Hz 以上頻率成分，能夠有效消除背景噪聲及電流噪聲。

4.2 通過傅里葉變換濾波，能夠有效保留原始泄漏動(dòng)態(tài)壓力波信號(hào)的幅值信息及拐點(diǎn)信息。

4.3 隨著壓力的增大，泄漏信號(hào)的幅值、能量、裕度因子、峰值因子、均方值均增大。但反映波形強(qiáng)度的特征隨壓力增大的增幅也大，反映信號(hào)波形變化及劇變性的特征隨壓力增大的增加比較緩慢。

4.4 泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)越多、泄漏閥開度越多，信號(hào)的幅值及能量越大。泄漏閥開度為50%時(shí)，泄漏信號(hào)裕度因子值偏高，存在較大管道磨損，表明了小孔徑泄漏可能進(jìn)一步口徑破裂加大的可能性。

4.5 基于動(dòng)態(tài)壓力波的泄漏檢測方法在150kPa 以下輸氣管道的多點(diǎn)泄漏檢測是可行的，具有較好的工程應(yīng)用潛力。