基于音波法輸氣管道泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)研究

1、基于音波法的輸氣管道泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)研究 作者：作者： 王武昌王武昌 單位：單位： 中國石油大學(xué)（華東）中國石油大學(xué)（華東） 20092009年年1010月月目錄n引言引言n基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位n音波法泄漏檢測(cè)的基本原理音波法泄漏檢測(cè)的基本原理n泄漏定位方法泄漏定位方法n基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)n試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置n泄漏檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析泄漏檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析n泄漏定位試驗(yàn)及結(jié)果分析泄漏定位試驗(yàn)及結(jié)果分析n結(jié)論結(jié)論 隨著國內(nèi)天然氣管道的迅速發(fā)展，管道泄漏時(shí)有發(fā)生，隨著國內(nèi)天然氣管道的迅速發(fā)展，管道泄漏時(shí)有發(fā)生，不僅帶來巨大的經(jīng)

2、濟(jì)損失和環(huán)境污染，還可能帶來重大的傷不僅帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，還可能帶來重大的傷亡事故，因此，泄漏檢測(cè)作為保障管道安全，減小事故危害亡事故，因此，泄漏檢測(cè)作為保障管道安全，減小事故危害的重要手段，越來越受到廣泛關(guān)注和重視。的重要手段，越來越受到廣泛關(guān)注和重視。 目前，天然氣管道泄漏檢測(cè)方法很多，如下所示：目前，天然氣管道泄漏檢測(cè)方法很多，如下所示：引言引言引言引言檢測(cè)方法檢測(cè)方法靈敏度靈敏度定位精度定位精度檢測(cè)時(shí)間檢測(cè)時(shí)間誤報(bào)率誤報(bào)率實(shí)用性實(shí)用性可靠性可靠性性價(jià)比性價(jià)比管內(nèi)智能爬機(jī)管內(nèi)智能爬機(jī)高高高高較長較長較低較低較差較差較高較高中等中等質(zhì)量或體積平衡法質(zhì)量或體積平衡法差差差差較短較

3、短最高最高較差較差較差較差低低氣體成像氣體成像高高中等中等較長較長高高較差較差中等中等低低探地雷達(dá)探地雷達(dá)高高高高短短高高較差較差中等中等低低壓力梯度法壓力梯度法較高較高中等中等較短較短中等中等中等中等中等中等中等中等負(fù)壓波法負(fù)壓波法較高較高較高較高較短較短高高較差較差較差較差中等中等基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法高高高高中等中等中等中等中等中等較差較差低低統(tǒng)計(jì)決策法統(tǒng)計(jì)決策法較高較高較高較高中等中等低低中等中等中等中等中等中等瞬態(tài)模型法瞬態(tài)模型法較高較高較高較高長長中等中等較好較好較高較高中等中等光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)較高較高高高較短較短中等中等較好較好較高較高中等中等音波檢測(cè)法音波檢測(cè)

4、法高高高高很短很短低低較好較好較高較高中等中等引言引言 由上表可以看出，音波法泄漏檢測(cè)技術(shù)具有反應(yīng)時(shí)間由上表可以看出，音波法泄漏檢測(cè)技術(shù)具有反應(yīng)時(shí)間快、定位精度高、誤報(bào)率低、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)快、定位精度高、誤報(bào)率低、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn) ，是，是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N檢測(cè)技術(shù)很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N檢測(cè)技術(shù) 。基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位1.音波法泄漏檢測(cè)的基本原理音波法泄漏檢測(cè)的基本原理 當(dāng)管道發(fā)生破裂時(shí)，管道內(nèi)輸送介質(zhì)與管壁摩擦產(chǎn)生音當(dāng)管道發(fā)生破裂時(shí)，管道內(nèi)輸送介質(zhì)與管壁摩擦產(chǎn)生音波震蕩，音波沿著管道內(nèi)流體向管道上下游高速傳播，安裝波震蕩，音波沿著管道內(nèi)流體向管道上下游高速傳

5、播，安裝在管段兩端的音波傳感器監(jiān)聽并捕捉音波波形，通過與計(jì)算在管段兩端的音波傳感器監(jiān)聽并捕捉音波波形，通過與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中的模型比較來確定管道是否發(fā)生了泄漏及泄漏量機(jī)數(shù)據(jù)庫中的模型比較來確定管道是否發(fā)生了泄漏及泄漏量的大小。的大小?；谝舨ǚǖ男孤z測(cè)及定位基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位音波法泄漏檢測(cè)及定位示意圖音波法泄漏檢測(cè)及定位示意圖基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位2.泄漏定位方法泄漏定位方法 音波信號(hào)從泄漏點(diǎn)向兩端傳播，根據(jù)到達(dá)管道兩端音波信號(hào)從泄漏點(diǎn)向兩端傳播，根據(jù)到達(dá)管道兩端的時(shí)間差和音波傳播的速度就可以確定泄漏點(diǎn)的位置的時(shí)間差和音波傳播的速度就可以確定泄漏點(diǎn)的位置

6、。定位公式如下：定位公式如下：2Lv tx 基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)1.試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置 目前，目前，國內(nèi)外對(duì)輸氣管道泄漏工況的研究大多是在低國內(nèi)外對(duì)輸氣管道泄漏工況的研究大多是在低壓下進(jìn)行的，壓下進(jìn)行的， 由于不同壓力等級(jí)的管線發(fā)生泄漏，由于不同壓力等級(jí)的管線發(fā)生泄漏，管線管線中氣體中氣體的各種流動(dòng)參數(shù)的各種流動(dòng)參數(shù) 是有很大區(qū)別的，是有很大區(qū)別的，為了使試驗(yàn)工為了使試驗(yàn)工況更進(jìn)一步接近現(xiàn)場(chǎng)的泄漏工況況更進(jìn)一步接近現(xiàn)場(chǎng)的泄漏工況 ，在在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立起一內(nèi)建立起一套高壓輸氣管道泄漏檢測(cè)裝置套高壓輸氣管道泄漏檢測(cè)裝置。 基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于

7、音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)輸氣管線泄漏檢測(cè)裝置流程圖輸氣管線泄漏檢測(cè)裝置流程圖 基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn) 經(jīng)過經(jīng)過PIPEPHASE和和HYSYS等軟件對(duì)各流體參數(shù)的模擬和對(duì)實(shí)驗(yàn)等軟件對(duì)各流體參數(shù)的模擬和對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、儀表進(jìn)行的選型計(jì)算儀器、儀表進(jìn)行的選型計(jì)算 ，搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如下所示：，搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如下所示：基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn) 試驗(yàn)采用壓縮空氣作為氣源，在主測(cè)試管段的起終點(diǎn)處試驗(yàn)采用壓縮空氣作為氣源，在主測(cè)試管段的起終點(diǎn)處設(shè)壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、音波變送器和溫設(shè)壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、音波

8、變送器和溫度變送器等儀器，中間位置設(shè)有三個(gè)泄漏點(diǎn)，分別位于距離度變送器等儀器，中間位置設(shè)有三個(gè)泄漏點(diǎn)，分別位于距離測(cè)試管段起點(diǎn)測(cè)試管段起點(diǎn)39.8m、88.8m和和149.6m位置處位置處,泄漏點(diǎn)處泄漏點(diǎn)處裝有球閥和法蘭，法蘭內(nèi)藏孔板以代替泄漏孔，可根據(jù)試驗(yàn)裝有球閥和法蘭，法蘭內(nèi)藏孔板以代替泄漏孔，可根據(jù)試驗(yàn)要求變換泄漏孔徑大小。要求變換泄漏孔徑大小。 整個(gè)試驗(yàn)管線全長整個(gè)試驗(yàn)管線全長251.5m，測(cè)試管段長，測(cè)試管段長200.8m，管，管內(nèi)徑內(nèi)徑10mm，可承壓，可承壓8MPa。基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)試驗(yàn)采用的部分儀器儀表如下：試驗(yàn)采用的部分儀器儀表如下

9、：流量計(jì)流量計(jì)壓力變送器壓力變送器溫度變送器溫度變送器基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)差壓變送器差壓變送器減壓閥減壓閥試驗(yàn)用孔板試驗(yàn)用孔板基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)試驗(yàn)采用的音波傳感器試驗(yàn)采用的音波傳感器性能參數(shù)：性能參數(shù)：測(cè)量范圍：測(cè)量范圍：57.2kPa ；靈敏度：靈敏度：43.5mv/kPa ；最大壓力（最大壓力（step）：）：1379kPa ；最大壓力（靜態(tài)）：最大壓力（靜態(tài)）：13790kPa ；分辨率分辨率 ：0.00069kpa ；諧振頻率諧振頻率 ：60kHz 基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定

10、位試驗(yàn) 輸氣管道泄漏檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件采用輸氣管道泄漏檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件采用NI LabVIEW程序編制，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件由傳感器、程序編制，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡(板板)及計(jì)算機(jī)四部分組成及計(jì)算機(jī)四部分組成 。具體設(shè)計(jì)如下所示：具體設(shè)計(jì)如下所示：基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前面板數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前面板數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成 在不同的壓力等級(jí)（在不同的壓力等級(jí)（1.6MPa、2.6MPa、3.6MPa、4.6MPa）下進(jìn)行泄漏檢測(cè)試驗(yàn)，分析管道不同的泄漏）下進(jìn)行

11、泄漏檢測(cè)試驗(yàn)，分析管道不同的泄漏位置（泄漏點(diǎn)位置（泄漏點(diǎn)1、2、3）處，發(fā)生不同程度（）處，發(fā)生不同程度（0.45mm孔徑、孔徑、0.5mm孔徑）的泄漏時(shí)壓縮空氣的流量、壓力及孔徑）的泄漏時(shí)壓縮空氣的流量、壓力及產(chǎn)生的音波信號(hào)的變化情況。產(chǎn)生的音波信號(hào)的變化情況?；谝舨ǚǖ男孤z測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)2.泄漏檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析泄漏檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn) 當(dāng)管線起點(diǎn)壓力當(dāng)管線起點(diǎn)壓力4.6MPa左右，泄漏孔徑左右，泄漏孔徑0.45mm時(shí)，時(shí)，泄漏點(diǎn)泄漏點(diǎn)1發(fā)生泄漏時(shí)采集到的測(cè)試管段起終點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力發(fā)生泄漏時(shí)采集到的測(cè)試

12、管段起終點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力（音波信號(hào)）如下所示：（音波信號(hào)）如下所示： 起點(diǎn)檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)起點(diǎn)檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào) 終點(diǎn)檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)終點(diǎn)檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào) 基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn) 由上圖可以看出，管道在由上圖可以看出，管道在200000點(diǎn)處附近發(fā)生泄漏，點(diǎn)處附近發(fā)生泄漏，泄漏產(chǎn)生的信號(hào)幅值很大，起點(diǎn)達(dá)泄漏產(chǎn)生的信號(hào)幅值很大，起點(diǎn)達(dá)-28.6kPa，終點(diǎn)達(dá)，終點(diǎn)達(dá)-14.9kPa，這是由于動(dòng)態(tài)壓力傳感器產(chǎn)生的壓力波動(dòng)信號(hào)，這是由于動(dòng)態(tài)壓力傳感器產(chǎn)生的壓力波動(dòng)信號(hào)為為A/D輸入信號(hào)量程的一部分，而泄漏引起的壓力變化范輸入信號(hào)量程的一部分，而泄漏引起的

13、壓力變化范圍為圍為A/D的滿量程的滿量程 ，對(duì)一般的壓力變送器，泄漏引起的，對(duì)一般的壓力變送器，泄漏引起的壓力變化僅占運(yùn)行壓力的一小部分，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)提高了壓力變化僅占運(yùn)行壓力的一小部分，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)提高了信號(hào)的信噪比信號(hào)的信噪比 。基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn) 對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去噪可進(jìn)一步提高信噪比，一般數(shù)字對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去噪可進(jìn)一步提高信噪比，一般數(shù)字信號(hào)處理往往選擇信號(hào)處理往往選擇haar小波基或小波基或daubechies小波基小波基 ，對(duì)，對(duì)采集的音波信號(hào)進(jìn)行采集的音波信號(hào)進(jìn)行daubechies小波基去噪，終點(diǎn)的時(shí)域小波基去噪，終點(diǎn)的時(shí)域圖如下所示

14、：圖如下所示：基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn) 對(duì)去噪后的音波信號(hào)進(jìn)行特征量提取，提取相鄰區(qū)間對(duì)去噪后的音波信號(hào)進(jìn)行特征量提取，提取相鄰區(qū)間信號(hào)累加差分、均值差分、峰值差分信號(hào)累加差分、均值差分、峰值差分 作為泄漏判斷的特作為泄漏判斷的特征量。征量。終點(diǎn)信號(hào)累加值差分終點(diǎn)信號(hào)累加值差分 終點(diǎn)信號(hào)均值差分終點(diǎn)信號(hào)均值差分 終點(diǎn)信號(hào)峰值差分終點(diǎn)信號(hào)峰值差分 基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn) 選取累加值差分和均值差分作為不同工況下的判斷準(zhǔn)則，對(duì)泄選取累加值差分和均值差分作為不同工況下的判斷準(zhǔn)則，對(duì)泄漏進(jìn)行檢測(cè)，如下表所示：漏進(jìn)行檢測(cè)，如下表所示

15、：壓力等壓力等級(jí)級(jí)(MPa)泄漏點(diǎn)泄漏點(diǎn)泄漏孔泄漏孔徑徑(mm)累加值差分累加值差分均值差分均值差分泄漏泄漏判斷判斷閾值閾值實(shí)際值實(shí)際值閾值閾值實(shí)際值實(shí)際值1.6無無0.55866.31294.40.230.07否否10.54451.871199.60.300.53是是20.55479.21043220.250.73是是30.58476.11306100.240.99是是無無0.459551.41254.370.320.084否否10.4512032.99070.230.190.13否否20.455396.231684.60.231.31是是30.454635.566093.30.223.27

16、是是2.6無無0.53737.11117.80.450.11否否10.54723.2667400.390.46是是20.54696.21404900.373.86是是30.55111.51573170.365.58是是無無0.453011937.30.240.13否否10.455643.612711.60.432.00是是20.4511556.749079.90.403.68是是30.454610.289766.30.445.02是是3.6無無0.59913.82561.30.530.16否否10.58200.11154930.453.47是是20.510809.71690410.506.17

17、是是30.54780.91980750.529.67是是無無0.453652546.10.570.19否否10.453735.710118.40.653.68是是20.453997.570072.10.886.90是是30.453076.61152420.9413.12是是4.6無無0.512034.917420.380.13否否10.510087.91333030.555.37是是20.54853.41889680.469.93是是30.56645.32157550.5415.38是是無無0.4512056.41776.10.350.11否否10.454900.718249.30.348.0

18、8是是20.457745.964631.80.3712.04是是30.453105.21123920.4117.39是是基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn) 在在0.45mm泄漏孔徑，壓力等級(jí)泄漏孔徑，壓力等級(jí)1.6MPa時(shí)，泄漏信號(hào)特征量判時(shí)，泄漏信號(hào)特征量判斷失誤，此判斷失誤處于泄漏孔徑較小，壓力等級(jí)較低的工況，通斷失誤，此判斷失誤處于泄漏孔徑較小，壓力等級(jí)較低的工況，通過調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)閾值及其權(quán)值，可以防止此類事情的發(fā)生。從表中可以過調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)閾值及其權(quán)值，可以防止此類事情的發(fā)生。從表中可以看出：看出： n 隨著壓力的升高，泄漏信號(hào)特征量的閾值和實(shí)際值相差越來越大，泄漏隨

19、著壓力的升高，泄漏信號(hào)特征量的閾值和實(shí)際值相差越來越大，泄漏更易判斷；更易判斷；n 0.5mm泄漏孔徑的特征量實(shí)際值與閾值之差大于泄漏孔徑的特征量實(shí)際值與閾值之差大于0.45mm泄漏孔徑的特泄漏孔徑的特征量實(shí)際值與閾值之差，泄漏更易判斷；征量實(shí)際值與閾值之差，泄漏更易判斷；n 越靠近管線終點(diǎn)，泄漏信號(hào)特征量的閾值和實(shí)際值相差越大，泄漏越易越靠近管線終點(diǎn)，泄漏信號(hào)特征量的閾值和實(shí)際值相差越大，泄漏越易判斷。判斷。 基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)3.泄漏定位試驗(yàn)及結(jié)果分析泄漏定位試驗(yàn)及結(jié)果分析 泄漏定位試驗(yàn)是與檢測(cè)試驗(yàn)一起進(jìn)行的，運(yùn)用泄漏檢泄漏定位試驗(yàn)是與檢測(cè)試驗(yàn)一起

20、進(jìn)行的，運(yùn)用泄漏檢測(cè)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，分析在不同的泄漏工況下音波法泄漏測(cè)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，分析在不同的泄漏工況下音波法泄漏定位的適用性及定位誤差。定位的適用性及定位誤差。 下面是采用下面是采用labview程序編制程序編制的泄漏定位系統(tǒng)前面板圖。的泄漏定位系統(tǒng)前面板圖?；谝舨ǚǖ男孤z測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)不同影響因素下泄漏定位表不同影響因素下泄漏定位表 壓力等級(jí)壓力等級(jí)(MPa)泄漏點(diǎn)泄漏點(diǎn)泄漏孔徑泄漏孔徑(mm)泄漏點(diǎn)距起點(diǎn)的計(jì)泄漏點(diǎn)距起點(diǎn)的計(jì)算距離算距離(m)t 時(shí)間差時(shí)間差(s)(s)定位誤差定位誤差(%)1

21、.610.539.540.350.6520.587.580.0681.3730.5149.7-0.290.0710.4539.50.350.7520.4589.070.0590.3130.45149.75-0.290.102.610.539.930.340.3320.588.280.0640.5830.5150.03-0.290.2910.4539.920.340.2920.4588.210.0640.6730.45149.92-0.290.22基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)基于音波法的泄漏檢測(cè)及定位試驗(yàn)不同影響因素下泄漏定位表（續(xù)表）不同影響因素下泄漏定位表（續(xù)表） 壓力等級(jí)壓力等級(jí)(MPa

22、)泄漏點(diǎn)泄漏點(diǎn)泄漏孔徑泄漏孔徑(mm)泄漏點(diǎn)距起點(diǎn)的計(jì)算泄漏點(diǎn)距起點(diǎn)的計(jì)算距離距離(m)t 時(shí)間差時(shí)間差(s)定位誤差定位誤差(%)3.610.540.000.340.5320.588.310.0640.5530.5149.61-0.290.0110.4539.800.340.0120.4588.370.0640.4830.45149.73-0.290.0874.610.539.970.340.4420.588.420.0640.4230.5149.77-0.290.1110.4539.940.340.3520.4588.320.0650.5430.45149.85-0.290.167 由表中的結(jié)果可以看出，處于管線中間位置處的泄漏，其由表中的結(jié)果可以看出，處于管線中間位置處的泄漏，其定位誤差要大于管線兩端的定位誤差；靠近管線終點(diǎn)處的泄漏定位誤差要大于管線兩端的定位誤差；靠近管線終點(diǎn)處的泄漏，其定位誤差要小于管線起點(diǎn)處的定位誤差；隨壓力和泄漏孔，其定位誤差要小于管線起點(diǎn)處的定位誤差；隨壓力和泄漏孔徑的變化