基于互相關算法的兩種燃氣管線泄漏定位方法比較

上海煤氣第一管線工程有限公司 王敬凡

近年來，天然氣運輸管網泄漏問題導致爆燃事故頻發，對國民經濟和居民生命財產安全造成嚴重危害，泄漏源的定位問題逐漸引起各界重視。其中，連續焊接鋼管閥門泄漏問題最具代表性，亟待實現泄漏源的精確定位。

1 聲發射技術概述

聲發射技術(Acoustic Emission，AE)是一種動態無損檢測技術。由于其原理簡單，測量結果精度高，具有動態性、整體性和高效性等特點，在管道監測領域得到了廣泛的應用。當管道發生泄漏時，氣體在泄漏點處向外噴射，引起管壁振動而產生應力波，形成聲發射信號，利用傳感器捕捉該信號并進行分析，可以進行管道泄漏的預警和定位。

實現泄漏源定位的關鍵在于得到準確的信號時延估計。互相關算法作為一種經典的時延估計法，運算簡單，原理明晰，被大部分研究所采用。但是由于采集到的聲發射信號往往夾雜大量噪聲，并伴隨著信號的頻散和衰減，呈現出非平穩的特性，利用直接互相關技術不能得到較好的定位結果，因此需要對原始聲發射信號進行降噪處理，從而提高定位精度。小波分解(Wavelet Transform，WT)和經驗模態分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)是兩種近年來應用較為廣泛的非平穩信號處理方法。

小波分解WT可以在時頻域上表征信號的局部特性，在低頻部分具有較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率，能夠很好地去除噪聲。吳志敏等人[1]采用基于小波分解的互相關定位法，對不同壓力條件下的實驗室管道泄漏工況進行定位實驗，得到的定位結果精度達到 95%以上。Mostafapour A等人[2]以埋地燃氣管道為對象，模擬孔漏進行泄漏定位實驗，利用小波分解進行去噪處理，同樣得到了較好的定位結果。Davoodi S等人[3]模擬孔漏，通過改變泄漏孔徑，對實驗室管道進行多次實驗，定位精度達到96%以上。

由于 WT中小波基的選擇會直接影響定位精度，且頻域劃分層數、尺度均需人為確定，不具備自適應的特點，因此經驗模態分解EMD作為一種自適應分頻分析法，逐漸得以應用。谷小紅等人[4]將EMD用于埋地水管的泄漏定位，該水管約20 m長，最終定位誤差僅0.2 m。孫立瑛等人[5]對1根長約16 m的氣體管道進行泄漏實驗，EMD分析的定位結果誤差為6.3%，此外，孫立瑛等人[6]還對1根長24.5 m、管徑154 mm的普通低碳鋼管進行氣體泄漏實驗，EMD得到的平均定位誤差僅為5.34%。Cui X等人[7]對1根6 m長的不銹鋼鐵管進行CO2氣體泄漏實驗，結果表明定位誤差在 1%以內。郭晨城等人[8]提出，在利用 EMD分解重構信號時，以各個分量和原始信號的互相關程度大小為依據，挑選合適分量，以進一步提高結果精度。EMD雖然可以自適應地實現信號的多分辨率分析，但分解結果往往會出現模態混疊問題。

對于燃氣管道泄漏定位問題，基于WT的互相關定位法和基于EMD的互相關定位法均有較好的應用前景，但仍需要一定的工作來驗證二者對實際泄漏定位的適用性。因此，本文以連續焊接鋼管燃氣管道的閥門泄漏為實驗對象，分別采用WT法和EMD法進行降噪處理，同時進行泄漏定位，并對比了定位結果。

2 基于聲發射技術的泄漏定位原理

如圖1所示，在泄漏源兩側布置聲發射傳感器，當泄漏發生時，聲發射信號將沿著管道分別向兩側傳播。由于傳播距離不同，所以兩側傳感器接收到的信號將存在時間差。將信號時間差(信號時延)與兩傳感器的間距、聲發射信號傳播速度相結合，即可求算泄漏點的位置。

圖1 互相關定位原理示意

信號時延可以采用互相關法獲得。但由于管道運行環境中干擾較大，直接采用互相關法往往不能得到準確的時延，因此常常首先采用WT降噪法和EMD降噪法對信號進行處理。

2.1 WT降噪法

由于聲發射信號包含大量噪聲，泄漏信號僅存在于部分頻帶中，為了提高互相關定位的精度，采用WT法對信號進行變換，提取特定頻帶信號處理，在此基礎上實現定位。WT法的本質在于將信號用一組小波基函數進行重構。

基于WT的互相關定位主要步驟如下：

(1)分析原始信號的頻譜特征，判斷泄漏信號特征頻段。

(2)根據信號頻譜特征確定分解層數，選定小波基函數。

(3)對 2個傳感器的信號進行小波分解，選取與泄漏信號主頻段匹配的分量進行信號重構。

2.2 EMD降噪法

EMD得到的分量稱為本征模態函數(Intrinsic Mode Function，IMF)，IMF應該滿足條件：該函數的極值點(極大值或極小值)數目和過零點數目相等或最多相差一個；由局部極大值構成的上包絡線與由局部極小值構成的下包絡線的平均值為零。具體計算流程為：

(1)用三次樣條函數擬合出原信號x(n)的上、下包絡線，其均值為m1；由h(n)=x(n)－m1，得到新序列h(n)。

(2)若h(n)滿足IMF函數的要求，即為第一個分量IMF1；若不滿足，則令h(n)作為新的信號x，重復以上操作，直到得到滿足要求的IMF1。

(3)定義新的數據列r1(n)=x(n)－h1(n)，把r1(n)看作新的信號x，重復步驟(1)和(2)得到第二個分量IMF2。

(4)循環步驟(3)，直到最后一個數據序列r(n)不能被繼續分解，即達到設定的閾值或者變成單調函數。

(5)觀察頻譜并挑選主頻和泄漏信號主頻相對應的IMF分量，重構信號。

3 連續焊接鋼管泄漏實驗

為了驗證上述算法的適用性并探究法蘭接頭對定位的影響，以連續焊接鋼管的閥門泄漏事件為對象，針對某一橋管設計實驗。實驗布置和現場實際情況如圖2所示。

圖2 燃氣橋管泄漏定位試驗布置

實驗管道由露天段和埋地段兩部分組成。左端通過斜管埋入土中，右端露天。實驗主要在露天段進行，露天段全長14 m左右。令露天段中部的控制閥作為本次實驗的泄漏源，擰動閥門使小漏發生，產生聲發射信號。采用2個AE傳感器，傳感器A和控制閥之間的距離為d1，傳感器B和控制閥的距離為d2。露天段管道上還存在一處法蘭，用以探究法蘭接頭對定位的影響。AE傳感器用膠帶固定在管壁上。設計實驗工況如表1所示，工況1～6的信號僅通過直管，工況7的信號經過法蘭接頭。

表1 定位實驗工況

每個工況均連續采集5組數據，每組數據時長1 s，包含106個樣本點。后續分析時，將每組數據劃分為樣本長度為16 384(時長16.384 ms)的小樣本進行處理。

4 定位結果與對比

采集到的各工況聲發射信號分別利用 WT和EMD進行降噪處理，并進行泄漏源定位，將二者結果進行比較，取聲發射信號波速為2 000 m/s。

采用精度α衡量兩種降噪方法的定位結果的優劣，其計算式如式(1)所示:

式中：α——定位精度，m；

d1——傳感器A和泄漏源的實際距離，m；

Y1——計算得到的傳感器 A與泄漏源的距離，m；

D——兩傳感器之間的距離，m。

4.1 WT降噪法的泄漏定位結果

由初步分析可得，連續焊接鋼管泄漏信號在40～50 kHz的范圍內存在峰值，因此取該頻段信號作為主要分析對象。結合本實驗信號的頻域特征，根據WT的原理，選用db6小波，對信號進行5層小波分解，得到 6個頻帶的分解信號，分別為：A5(0，15.625 kHz)，D5(15.625 kHz，31.25 kHz)，D4(31.25 kHz，62.5 kHz)，D3(62.5 kHz，125 kHz)，D2(125 kHz，250 kHz)，D1(250 kHz，500 kHz)。其中D4層信號包含了泄漏信號的主頻部分，對其進行小波重構得到新的信號，在此基礎上進行互相關定位。定位結果如表2所示。

表2 基于小波分解的互相關定位結果精度表

對于泄漏信號僅在直管段傳播的工況 1～6，本方法取得了較好的結果，大部分工況的定位精度均在92%以上。由此可見隨著信號傳播距離的增大，仍然可以得到很好的定位結果，但對于經過法蘭的工況7，無法得到有實際意義的定位結果。

4.2 EMD降噪的泄漏定位結果

采用EMD對工況1～7的信號進行分解，為了盡可能詳細地獲取低頻分量，分解層數定為12層。由于信號中噪聲能量水平比較高，所以按照能量權重選取分量重構信號的方法不可取，因此分別做出各個分量的頻譜圖，選取主頻位于40 kHz左右的分量進行重構。通過對各個頻譜圖觀察可知，只有分量IMF3和IMF4在40 kHz左右存在峰值，因此以其為重構對象進行分析，見圖3。

圖3 工況4頻域

通過試算，對傳感器A采集到的信號，取IMF3代替原信號，對傳感器B采集到的信號，取IMF3和IMF4的和重構信號，此時二者的互相關定位結果最好，因此將這種重構方法用I3-34表示。具體的定位精度如表3所示。

表3 基于EMD的互相關定位結果精度

從表3可知，當信號僅過直管時，基于 EMD的互相關定位法可以得到滿足實際工程需要的定位結果，傳播距離的變化對定位影響不大，但是，對于信號過法蘭的情況，EMD同樣無法實現定位。

4.3 定位結果對比

不論是WT還是EMD，均可以有效地實現直管泄漏信號降噪，大大提高泄漏源定位精度。對于存在法蘭的工況，二者都不能得到令人滿意的結果。經過法蘭后的泄漏信號在40 kHz的峰值消失，說明法蘭將泄漏信號完全衰減，因而無法實現定位。

為了進一步比較兩種方法，本文從總體精度和標準差兩個方面進行評價，具體結果如表4所示。

表4 定位方法對比表 %

對于四種對比方式，基于小波分解的D4層取平均數定位法的總體精度較高，具有更好的準確性，而基于EMD的I3-34取中位數定位法的標準差較小，具有更好的穩定性。

5 結語

本文研究了連續焊接鋼管閥門泄漏定位問題，依據現場實驗數據，探究了泄漏的聲發射信號特征，并對基于WT降噪的和基于EMD降噪的互相關泄漏定位方法進行了研究和對比，得到了以下結論：

(1)連續焊接鋼管閥門泄漏信號在40 kHz左右有一個頻域峰值，在經過法蘭后該峰值消失。

(2)基于 WT的互相關定位法可以很好地解決直管段的泄漏定位問題，選用平均數的結果顯示了更高的準確性和穩定性，各工況定位精度在90%左右，部分工況可達95%以上。

(3)基于 EMD的互相關定位法也能得到不錯的定位結果，采用I3-34定位時，各工況定位精度達到90%左右，部分工況精度可達95%以上。

(4)法蘭能使得泄漏信號的峰值衰減消失，因而兩種降噪方法均不能有效定位。