次聲波技術在管道泄漏檢測中的應用

丁小勇 宋保強 呂永強

中國石油北京油氣調控中心

次聲波技術在管道泄漏檢測中的應用

丁小勇 宋保強 呂永強

中國石油北京油氣調控中心

次聲波具有頻率低、波長長、衰減小等特點，能夠在傳播長距離后仍然保留較強的能量。次聲波管道泄漏檢測系統有效監控范圍大，不受現場環境的限制。系統由一個負責數據處理的主站和若干個數據采集分析系統組成，數據分析系統采集次聲信號，通過企業內局域網絡或3G網絡方式傳送至主站系統。主站信號處理軟件能夠對采集的信號進行實時處理，準確地將泄漏信號提取出來，通過計算泄漏信號到達相鄰兩個分站的時間差異實現精確定位，發布報警信號。目前該檢測系統報警定位誤差為±50 m，系統響應時間不超過40 s，誤報率為3.83%，有效率為96.17%，漏報率為零。

管道泄漏；檢測系統；次聲波；數據采集；定位精度

次聲波泄漏檢測系統基于聲學、流體力學、現代信號處理等相關理論，該技術的主要優點是在運行前期不需要建立管道的數學模型，更符合我國管道敷設面積廣、管線跨距長的實際情況，因此有著更為廣泛的應用和較好的發展前景。

1 幾種泄漏檢測方法

國內油氣管道發展迅猛，隨著使用年限的增長，管道出現老化、腐蝕、穿孔、泄漏等現象，因此如何及時、快速地檢測管道是否發生泄漏，對企業的穩定生產和安全運行非常重要[1]。目前，各種類型管道檢測器向多樣化、高分辨率、尺寸規格系列化及智能化方向發展，應用較多且較為成熟的檢測法有流量檢測法、光纖檢測法、負壓波檢測法和次聲波檢測法。

1.1 流量檢測法

流量檢測法是管道泄漏檢測領域最早期的方法，通過檢測管道輸入端的輸入流量與管道輸出端的輸出流量差，來判斷管道是否發生泄漏，原理很簡單。該方法存在以下缺點：①無法實現定位，即無法準確有效地發現泄漏點，不利于快速發現泄漏點并及時維修；②受流量檢測儀表精度的限制，一般需要管道泄漏達到一定數量級，儀表才能檢測出來并報警。

1.2 光纖檢測法

管道發生泄漏時會在泄漏點出現溫度變化，采用光纖光柵和分布式光纖溫度傳感檢測技術，可實現管道全線溫度的連續檢測，通過檢測管道周圍的溫度場異常變化及時發現泄漏，并進行漏點準確定位[2]。該方法存在以下缺點：①人員活動多的環境會對光纖的溫度檢測產生干擾，容易產生誤報，報警準確率低，但在人煙稀少的環境下報警準確；②設備成本高，施工要求及維護要求高。

1.3 負壓波檢測法

利用負壓波技術原理進行管道泄漏檢測和定位。管道泄漏時會造成泄漏點壓力下降，這種壓力下降信號會沿著管道向兩端傳播，傳播的速度取決于管道內介質[3]。檢測系統通過對比兩站間接收到負壓波的時間差，計算出泄漏點的位置。該方法存在以下缺點：①系統只能檢測到泄漏量較大的泄漏，對于泄漏量較小的泄漏無法檢測；②定位精度很差，誤差達數公里；③對管道的首末端壓力差有要求，對首末端壓差大的輸油管道有效果，對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，負壓波法完全不適用。

1.4 次聲波檢測法

次聲波具有頻率低、波長長、衰減小等特點，能夠在傳播長距離后仍然保留較強的能量。次聲波管道泄漏檢測系統有效監控范圍大，管道發生泄漏產生的次聲信號與管道工況和泄漏量無直接關系。

輸油管線所處環境多數比較惡劣，長輸管線泄漏檢測系統必須具有靈活應用的功能來適應各種不同的應用場合，同時必須具有非常高的系統穩定性來保證系統可靠地運行。

2 次聲波管道泄漏檢測系統

次聲波泄漏檢測系統由一個負責數據處理的主站和若干個數據采集分析系統組成，如圖1所示。

數據分析系統采集次聲信號，通過企業內局域網絡或3 G網絡方式傳送至主站系統。主站信號處理軟件能夠對采集的信號進行實時處理，準確地將泄漏信號提取出來，通過計算泄漏信號到達相鄰兩個分站的時間差異實現精確定位，發布報警信號。GPS（Global Positioning System）校時設備保證所傳輸數據的同步[4]。

圖1次聲波管道泄漏檢測系統示意圖

圖1 中x表示泄漏點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度（m）。由圖1可以推算出對泄漏點的定位計算

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

3 次聲波泄漏檢測系統主要技術

3.1 多通道數據采集

基于不同通道數據的靈敏度不同，小流量管道泄漏信號（尤其是停輸時的泄漏信號）也能夠被檢測到，降低了漏報率。此外，多通道數據異常信號信息的融合也可以有效地提高泄漏信號的識別率。圖2為同一個泄漏信號經過不同的通道采集信號對比，發現第二通道的信號更容易檢測出來，信號的精度更高。

3.2 信號的特征提取

由于管道內的干擾信號較多，因此被檢測出的異常信號也多，需要對信號從時域和頻域進一步分析，提取特征。

當管道發生異常的時候，聲波傳感器在管道上采集的信號在波形上與沒有發生異常時有明顯的不同，因此可以提取信號在時域中的波形特征來構造特征向量。反映管道振動波形特征的指標可以構造為以下幾種（將它們稱為信號的統計特征）：

圖2 兩通道次聲信號對比

（1）反映強弱變化的參數。

（2）反映波形變化的參數。

（3）反映劇變沖擊特性的參數。

（4）反映波幅分布情況的參數。

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，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為數字信號數。

同時管道在泄漏及非泄漏的情況下，信號能量在頻域上的分布也有明顯的不同。因此，設信號的譜圖沿頻率軸方向分幾個區域之后，每個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為某一時刻頻率（Hz）；df為頻率間隔值（s）。

將上述信號的統計特征和能量特征構成一組特征向量，既包含信號的時域特征又包含信號的頻域特征，因此能較全面地反映信號中所包含的信息[5]。

3.3 提高定位精度

泄漏信號的時間差跟每個分站所采集的信號時間點有關。由于各個分站位于管線的不同位置，各自都有著獨立的時鐘。為了準確定位，要求每個時鐘必須同步，同步的精度達毫秒級。GPS具有全天候不受任何天氣的影響，全球覆蓋（高達98%），三維定點、定速、定時、高精度，快速、省時、高效率，應用廣泛、多功能和可移動定位等特點，因此系統中的每個分站都要進行GPS高精度授時，精度越高的GPS所需要的費用自然也越高。考慮到降低用戶的使用成本，目前誤差在幾十米內是可以接受的范圍。

不同管徑、不同輸送介質、不同輸送壓力的管道其聲速都是不一樣的[6]，因此需要根據實際情況進行聲速調整，通過管道的高壓端或低壓端的操作信號來獲得聲速V。

4 應用案例

某公司研發的次聲波管道泄漏檢測系統于2012年4月1日在濟邯成品油管線投入使用。該管線布控長度約為86.48 km，共設置4個分站節點，如圖4所示。

圖4 分站安裝示意圖

從系統試運行至今，已經報警了多起盜油案例，幫助油田工作人員順利地找到了盜油閥門，減少了大量的經濟損失。目前該檢測系統報警定位誤差為±50 m，系統響應時間不超過40 s，誤報率為3.83%，有效率為96.17%，漏報率為零。

次聲波管道泄漏檢測系統在濟邯成品油管線上的長期運行結果表明：該系統靈敏度高、適應性強、報警快速、定位準確，能夠實現管道泄漏檢測和定位報警，保障長輸管道的安全運行。

[1]李長俊．天然氣管道輸送[M]．北京：石油工業出版社，2000：11.

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

[3]蘇維均，廉小親，于重重，等．負壓波定位理論在輸油管道泄漏檢測系統中的應用[J]．微計算機信息，2003，19（3）：1-6.

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

[5]王立坤．原油管道泄漏檢測若干關鍵技術研究[D]．天津：天津大學，2002.

[6]杜功煥，朱哲民，龔秀芬，等．聲學基礎[M]．南京：南京大學出版社，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年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，主要從事長輸成品油管道調度工作。

2015-04-08

13810189648、xiaoyongding@petrochina.com.cn