基于音波法輸氣管道泄漏檢測及定位試驗研究

1、基于音波法的輸氣管道泄漏檢測及定位試驗研究 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及定位基于音波法的泄漏檢測及定位n音波法泄漏檢測的基本原理音波法泄漏檢測的基本原理n泄漏定位方法泄漏定位方法n基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗n試驗裝置試驗裝置n泄漏檢測試驗及結(jié)果分析泄漏檢測試驗及結(jié)果分析n泄漏定位試驗及結(jié)果分析泄漏定位試驗及結(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，管道泄漏時有發(fā)生，不僅帶來巨大的經(jīng)

2、濟損失和環(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，泄漏檢測作為保障管道安全，減小事故危害亡事故，因此，泄漏檢測作為保障管道安全，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方法很多，如下所示：目前，天然氣管道泄漏檢測方法很多，如下所示：引言引言引言引言檢測方法檢測方法靈敏度靈敏度定位精度定位精度檢測時間檢測時間誤報率誤報率實用性實用性可靠性可靠性性價比性價比管內(nèi)智能爬機管內(nèi)智能爬機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探地雷達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)計決策法統(tǒng)計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法音波檢測

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，音波法泄漏檢測技術(shù)具有反應(yīng)時間由上表可以看出，音波法泄漏檢測技術(shù)具有反應(yīng)時間快、定位精度高、誤報率低、靈敏度高等諸多優(yōu)點快、定位精度高、誤報率低、靈敏度高等諸多優(yōu)點 ，是，是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N檢測技術(shù)很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N檢測技術(shù) ?；谝舨ǚǖ男孤z測及定位基于音波法的泄漏檢測及定位1.音波法泄漏檢測的基本原理音波法泄漏檢測的基本原理 當(dāng)管道發(fā)生破裂時，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，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，通過與計算機數(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測及定位基于音波法的泄漏檢測及定位音波法泄漏檢測及定位示意圖音波法泄漏檢測及定位示意圖基于音波法的泄漏檢測及定位基于音波法的泄漏檢測及定位2.泄漏定位方法泄漏定位方法 音波信號從泄漏點向兩端傳播，根據(jù)到達管道兩端音波信號從泄漏點向兩端傳播，根據(jù)到達管道兩端的時間差和音波傳播的速度就可以確定泄漏點的位置的時間差和音波傳播的速度就可以確定泄漏點的位置

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及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗1.試驗裝置試驗裝置 目前，目前，國內(nèi)外對輸氣管道泄漏工況的研究大多是在低國內(nèi)外對輸氣管道泄漏工況的研究大多是在低壓下進行的，壓下進行的， 由于不同壓力等級的管線發(fā)生泄漏，由于不同壓力等級的管線發(fā)生泄漏，管線管線中氣體中氣體的各種流動參數(shù)的各種流動參數(shù) 是有很大區(qū)別的，是有很大區(qū)別的，為了使試驗工為了使試驗工況更進一步接近現(xiàn)場的泄漏工況況更進一步接近現(xiàn)場的泄漏工況 ，在在實驗室實驗室內(nèi)建立起一內(nèi)建立起一套高壓輸氣管道泄漏檢測裝置套高壓輸氣管道泄漏檢測裝置。 基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于

7、音波法的泄漏檢測及定位試驗輸氣管線泄漏檢測裝置流程圖輸氣管線泄漏檢測裝置流程圖 基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗 經(jīng)過經(jīng)過PIPEPHASE和和HYSYS等軟件對各流體參數(shù)的模擬和對實驗等軟件對各流體參數(shù)的模擬和對實驗儀器、儀表進行的選型計算儀器、儀表進行的選型計算 ，搭建的試驗平臺如下所示：，搭建的試驗平臺如下所示：基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗 試驗采用壓縮空氣作為氣源，在主測試管段的起終點處試驗采用壓縮空氣作為氣源，在主測試管段的起終點處設(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)有三個泄漏點，分別位于距離度變送器等儀器，中間位置設(shè)有三個泄漏點，分別位于距離測試管段起點測試管段起點39.8m、88.8m和和149.6m位置處位置處,泄漏點處泄漏點處裝有球閥和法蘭，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)試驗要求變換泄漏孔徑大小。要求變換泄漏孔徑大小。 整個試驗管線全長整個試驗管線全長251.5m，測試管段長，測試管段長200.8m，管，管內(nèi)徑內(nèi)徑10mm，可承壓，可承壓8MPa?；谝舨ǚǖ男孤z測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗試驗采用的部分儀器儀表如下：試驗采用的部分儀器儀表如下

9、：流量計流量計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及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗差壓變送器差壓變送器減壓閥減壓閥試驗用孔板試驗用孔板基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗試驗采用的音波傳感器試驗采用的音波傳感器性能參數(shù)：性能參數(shù)：測量范圍：測量范圍：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及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定

10、位試驗 輸氣管道泄漏檢測裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件采用輸氣管道泄漏檢測裝置的數(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、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡(板板)及計算機四部分組成及計算機四部分組成 。具體設(shè)計如下所示：具體設(shè)計如下所示：基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗數(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（在不同的壓力等級（1.6MPa、2.6MPa、3.6MPa、4.6MPa）下進行泄漏檢測試驗，分析管道不同的泄漏）下進行

11、泄漏檢測試驗，分析管道不同的泄漏位置（泄漏點位置（泄漏點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）的泄漏時壓縮空氣的流量、壓力及孔徑）的泄漏時壓縮空氣的流量、壓力及產(chǎn)生的音波信號的變化情況。產(chǎn)生的音波信號的變化情況?；谝舨ǚǖ男孤z測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗2.泄漏檢測試驗及結(jié)果分析泄漏檢測試驗及結(jié)果分析基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗 當(dāng)管線起點壓力當(dāng)管線起點壓力4.6MPa左右，泄漏孔徑左右，泄漏孔徑0.45mm時，時，泄漏點泄漏點1發(fā)生泄漏時采集到的測試管段起終點的動態(tài)壓力發(fā)生泄漏時采集到的測試

12、管段起終點的動態(tài)壓力（音波信號）如下所示：（音波信號）如下所示： 起點檢測到的動態(tài)壓力信號起點檢測到的動態(tài)壓力信號 終點檢測到的動態(tài)壓力信號終點檢測到的動態(tài)壓力信號 基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗 由上圖可以看出，管道在由上圖可以看出，管道在200000點處附近發(fā)生泄漏，點處附近發(fā)生泄漏，泄漏產(chǎn)生的信號幅值很大，起點達泄漏產(chǎn)生的信號幅值很大，起點達-28.6kPa，終點達，終點達-14.9kPa，這是由于動態(tài)壓力傳感器產(chǎn)生的壓力波動信號，這是由于動態(tài)壓力傳感器產(chǎn)生的壓力波動信號為為A/D輸入信號量程的一部分，而泄漏引起的壓力變化范輸入信號量程的一部分，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 ，對一般的壓力變送器，泄漏引起的，對一般的壓力變送器，泄漏引起的壓力變化僅占運行壓力的一小部分，動態(tài)壓力信號提高了壓力變化僅占運行壓力的一小部分，動態(tài)壓力信號提高了信號的信噪比信號的信噪比 。基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗 對采集的信號進行去噪可進一步提高信噪比，一般數(shù)字對采集的信號進行去噪可進一步提高信噪比，一般數(shù)字信號處理往往選擇信號處理往往選擇haar小波基或小波基或daubechies小波基小波基 ，對，對采集的音波信號進行采集的音波信號進行daubechies小波基去噪，終點的時域小波基去噪，終點的時域圖如下所示

14、：圖如下所示：基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗 對去噪后的音波信號進行特征量提取，提取相鄰區(qū)間對去噪后的音波信號進行特征量提取，提取相鄰區(qū)間信號累加差分、均值差分、峰值差分信號累加差分、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。終點信號累加值差分終點信號累加值差分 終點信號均值差分終點信號均值差分 終點信號峰值差分終點信號峰值差分 基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗 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，對泄漏進行檢測，如下表所示：漏進行檢測，如下表所示

15、：壓力等壓力等級級(MPa)泄漏點泄漏點泄漏孔泄漏孔徑徑(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際值實際值閾值閾值實際值實際值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及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗 在在0.45mm泄漏孔徑，壓力等級泄漏孔徑，壓力等級1.6MPa時，泄漏信號特征量判時，泄漏信號特征量判斷失誤，此判斷失誤處于泄漏孔徑較小，壓力等級較低的工況，通斷失誤，此判斷失誤處于泄漏孔徑較小，壓力等級較低的工況，通過調(diào)節(jié)動態(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，泄漏信號特征量的閾值和實際值相差越來越大，泄漏隨

19、著壓力的升高，泄漏信號特征量的閾值和實際值相差越來越大，泄漏更易判斷；更易判斷；n 0.5mm泄漏孔徑的特征量實際值與閾值之差大于泄漏孔徑的特征量實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際值與閾值之差，泄漏更易判斷；征量實際值與閾值之差，泄漏更易判斷；n 越靠近管線終點，泄漏信號特征量的閾值和實際值相差越大，泄漏越易越靠近管線終點，泄漏信號特征量的閾值和實際值相差越大，泄漏越易判斷。判斷。 基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗3.泄漏定位試驗及結(jié)果分析泄漏定位試驗及結(jié)果分析 泄漏定位試驗是與檢測試驗一起進行的，運用泄漏檢泄漏定位試驗是與檢測試驗一起

20、進行的，運用泄漏檢測時采集到的數(shù)據(jù)，分析在不同的泄漏工況下音波法泄漏測時采集到的數(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測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗不同影響因素下泄漏定位表不同影響因素下泄漏定位表 壓力等級壓力等級(MPa)泄漏點泄漏點泄漏孔徑泄漏孔徑(mm)泄漏點距起點的計泄漏點距起點的計算距離算距離(m)t 時間差時間差(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及定位試驗基于音波法的泄漏檢測及定位試驗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） 壓力等級壓力等級(MPa

22、)泄漏點泄漏點泄漏孔徑泄漏孔徑(mm)泄漏點距起點的計算泄漏點距起點的計算距離距離(m)t 時間差時間差(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；靠近管線終點處的泄漏，其定位誤差要小于管線起點處的定位誤差；隨壓力和泄漏孔，其定位誤差要小于管線起點處的定位誤差；隨壓力和泄漏孔徑的變化