基于傅里葉變換的管道兩點泄漏動態壓力信號特征研究

朱 艷 黎 泉＊ 方麗萍

（1、欽州市科學技術開發中心，廣西 欽州535000 2、北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州535011 3、北部灣大學 石油與化工學院，廣西 欽州535011）

隨著國家對環境保護力度的不斷加大，發展天然氣行業成了應對環境問題的重要舉措。在油氣管道及設施促進地區經濟的同時也帶來了極大的安全挑戰，一些管道在運行過程中銹蝕、變薄，有些油氣管線與城市管網交叉重疊，里面存在很多隱患。一旦天然氣管道發生泄漏，除引起天然氣資源損失外，若管道因發現泄漏及定位不及時、準確，還可能釀成爆炸或火災事故，嚴重威脅管道沿線國家和人民的生命財產安全，同時造成嚴重的環境污染。因此，研究高效穩定的泄漏檢測技術是管道安全運行的重要保障。

管道多點泄漏信號診斷方面，學者們已進行了部分研究。付俊濤[1]基于聲波對輸氣長輸管道進行泄漏檢測，并提取了泄漏工況及干擾工況的時域特征及頻域特征。郝永梅[2]采集管道泄漏聲發射信號，對信號進行改進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網絡進行識別，具有較高的識別精度。管道多點泄漏的研究多數著重于定位方法的優化，吳國忠等[3]基于Fluent 軟件模擬埋地輸油管道多點泄漏的溫度場，為基于紅外的泄漏定位提供基礎；劉迪等[4]提出氣井井下油管的多點泄漏模型，基于自相關分析提取信號特征時間，并基于該模型進行定位。現階段泄漏檢測技術的研究主要集中在單個泄漏點的檢測，對兩個或多個泄漏點的泄漏判斷研究尚處于初步期，研究管道出現多個泄漏點的檢測方法對提高泄漏報告的準確性有重要的意義。相比于傳統的音頻法和振動法，動態壓力波檢測法具有幅值大、頻率寬的優點。本文采集不同工況下動態壓力信號，經傅里葉變換后對信號進行頻譜分析，濾除泄漏信號背景噪音，與單點泄漏信號進行對比進而總結規律，為油氣輸送管道的兩點或者多個點泄漏的研究識別提供前期研究基礎。

1 基于動態壓力波泄漏檢測的實驗裝置

室內低壓實驗裝置流程如圖1。實驗的介質采用空氣代替天然氣，壓縮機把空氣加壓后進入高壓緩沖罐，再輸進實驗測試管段，最后經球閥放空。管線全長398.25m，實際測試管段全長376.15m，管內徑25mm，壁厚2mm，壓縮機設計出口壓力0.8MPa，設計流量60m3/h，空氣由壓縮機壓縮進入緩沖罐、安全閥進入測試管段，最后由放空閥進行放空。測試管段的壓力經過起點調壓閥和終點調節閥共同控制，本實驗裝置共設置4 個泄漏點，實際測試所用兩個泄漏點，分別為泄漏點2、泄漏點4，兩個泄漏點分別與緩沖罐出口端壓力表距離156.02m 和321.91m，分別距離起點動態壓力傳感器151.1m、220.13m，距離終點動態壓力傳感器為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。傳感器信號經數據采集系統存儲到計算機中，采樣率為1652S/s。

本文實驗在150kPa、200kPa、250kPa 和300kPa 四個壓力等級下進行泄漏實驗，分別進行單點泄漏和兩點泄漏。兩點泄漏的實驗操作為先打開泄漏閥2，待信號相對5s 后打開泄漏閥4。動態壓力波的核心元件為動態壓力傳感器，本文采用美國PCB公司的106B 壓電型動態壓力傳感器，測量范圍-57.2～57.2KPa，靈敏度43.5mv/kPa。

數據采集界面如圖2。通道1 和通道2 與傳感器數據線連接，通道3 和通道4 無連接。從圖2 可以看到，系統采集到的信號包含幅值約為1 的電流噪聲及幅值約為10 的背景噪聲。當管道發生泄漏時，泄漏動態壓力波信號為一個突然下降的波峰。由于信號的電流噪聲及背景噪聲輻值較大，因此需對信號進行頻譜分析，濾除信號噪聲以提高信號檢測精度。

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噪音的基本原理是將噪音信號頻率置零，然后通過逆變換獲得理想信號。

以200kPa、泄漏閥開度100%的工況下單點泄漏為例，頻譜圖如圖3 所示。圖3（a）為起點傳感器接收信號頻譜，圖3（b）為終點傳感器接收信號頻譜。圖中，在50Hz 有一個明顯的譜峰，為數據采集系統的工頻，除此之外，在280Hz、450Hz 分別出現一個明顯的譜峰，為壓縮機及壓力監測采集系統的干擾頻率。

圖3 單點泄漏傅里葉變換幅頻曲線

以200kPa、泄漏閥開度100%的工況下兩點泄漏為例，信號頻譜圖如圖4 所示，與單點泄漏信號一樣，信號在0～25Hz 內能量占優，整個頻率段增高時信號衰減，在280Hz、420Hz 出現干擾頻率峰值。因此，傅里葉變換去噪時，將25Hz 以上頻率置0，去噪后兩點泄漏信號如圖5。由圖5 可以看到，對進行傅立葉變換濾波后，信號的信噪比較高，且保留了泄漏信號的拐點及峰值信息。圖中，a 處為泄漏閥2 打開產生的動態壓力波，c 為泄漏閥4 打開產生的動態壓力波，b 為泄漏閥2 打開后信號在儲罐處的反射波，d 和e 為泄漏閥2 和泄漏4 分別關閉后產生的動態壓力波。為了定量描述信號的波形變換及劇變沖擊特性，下面對信號的時域特征進行分析。

圖5 動態壓力信號

圖4 兩點泄漏傅里葉變換幅頻曲線

3 實驗信號特征分析

時域特征值是衡量信號特征的重要指標，有量綱的特征指標經常被使用在多種領域的信號研究，因為它通常是比較有直觀表現的物理意義。一般用最值、峰峰值、方差、標準差、根幅值等描述泄漏信號的強度或大小，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波形變化以及劇變沖擊特性，反應信號幅值分布情況變化。通過對信號時域特征分量進行數值統計可以分析信號的強度和波形變化程度而進行更詳細的描述。

3.1 不同泄漏點個數的特征分析

單點與兩點泄漏信號特征值隨壓力變化情況如圖6。信號特征值隨著壓力升高而增大。方差增大大，壓力越高產生的信號波動越大；平均幅值隨壓力升高增加緩慢，流體穩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，泄漏信號能量越大，也就是信噪比越大，所能提取到的信號更為清晰。兩點泄漏的特征值整體大于單點泄漏特征值，表明了兩點泄漏下信號的強度更大，在同等壓力下兩點泄漏峰峰值明顯較大，說明了兩點泄漏信號的變化范圍更加廣；平均幅值在同等條件下也更大，穩定性更加容易浮動；標準差、均方值的值更大，即信號的值與真實值偏離程度以及誤差更大；能量值偏高于單點泄漏能量，所含的噪音較小；在所受的沖擊上表現并不明顯。

圖6 不同泄漏點個數的時域特征

3.2 不同泄漏閥開度的特征分析

對泄漏閥開度分別為100%和50%的信號進行分析，如圖7。通過對比，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，而小口徑泄漏信號存在較大的沖擊，50%開度泄漏信號裕度因子值偏高，存在較大管道磨損，表明了小孔徑泄漏可能進一步口徑破裂加大的可能性。

圖7 不同泄漏閥開度的時域特征

4 結論

基于傅里葉變換對中低壓輸氣管道兩點泄漏動態壓力波信號進行濾波及時域特征分析，得到以下結論：

4.1 中低壓輸氣管道兩點泄漏動態壓力波信號的頻率主要為25Hz 以內。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態壓力波信號的幅值信息及拐點信息。

4.3 隨著壓力的增大，泄漏信號的幅值、能量、裕度因子、峰值因子、均方值均增大。但反映波形強度的特征隨壓力增大的增幅也大，反映信號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 泄漏點個數越多、泄漏閥開度越多，信號的幅值及能量越大。泄漏閥開度為50%時，泄漏信號裕度因子值偏高，存在較大管道磨損，表明了小孔徑泄漏可能進一步口徑破裂加大的可能性。

4.5 基于動態壓力波的泄漏檢測方法在150kPa 以下輸氣管道的多點泄漏檢測是可行的，具有較好的工程應用潛力。