基于應(yīng)力波的相關(guān)法泄漏檢測與提高泄漏檢測可靠性方法

基于應(yīng)力波的相關(guān)法泄漏檢測與提高泄漏檢測可靠性方法摘要：隨著埋地鋼質(zhì)管網(wǎng)的老化、第三方破壞使管道泄漏事件時有發(fā)生，與國內(nèi)正在推行的節(jié)能降耗宗旨相違背，給企業(yè)和社會帶來了較大的危害。介紹了相關(guān)檢漏技術(shù)的發(fā)展歷程和相關(guān)檢漏與漏點定位算法的數(shù)學(xué)原理，以及由于環(huán)境干擾造成的虛假漏水信號的辨析技術(shù)，既通過利用不同檢測儀器的特點，采取互相驗證的方法來提高漏點定位的可靠性。并在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出較為實用的埋地鋼質(zhì)管網(wǎng)泄漏檢測組合方法，以提高檢測的準確性。關(guān)鍵詞：泄漏相關(guān)檢測干擾信號可靠性組合泄漏檢測中圖分類號：TP806.1CorrelationLeakDetectionbaseonstresswaveandthemethodtoincreaseitsReliabilitySHIXiu-shanHERen-yangYangyongetal(PressurePipelineandairbottleDivision,ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Beijing100013)Abstract:ThematterofPipelineleakcausedbytheagingpipelinenetworkanddestroyedbyothershappensfrequentlyandBringharmtotheEnterprisesandsocietyandreversethepurposeofsavingsourcethatcarryingthrough.ThepaperfirstintroducedthedevelopmenthistoryofcorrelationleakdetectiontechnologyandthenanalyzingthetheoryofCorrelationLeakDetectiononmathematics.Thengivesamethodthatdifferentiatesandanalysesasignalinterferencelikeleakbyusingdifferentapparatus.BythismethodcanimprovetheReliability.Finallythepapergivesprocessofcombinationdetectionthathowtofindaleakonpipeline.Keywords:leak;CorrelationLeakDetection;Signalinterference;Reliabilitycombinationdetectionofleak1、前言管道運輸在世界經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于老化、腐蝕、磨損和人為破壞等因素,管道泄漏現(xiàn)象頻頻發(fā)生。為了減少損失和保護環(huán)境,對管道進行泄漏檢測是一項十分重要的技術(shù)。現(xiàn)已有多種管道泄漏檢測方法,由于管道泄漏檢測是多領(lǐng)域多學(xué)科知識的綜合,各種方法在檢測方式和技術(shù)手段方面差別較大,從最簡單的人工分段沿管道巡視到較為復(fù)雜的軟硬件相結(jié)合的方法,從陸地檢測發(fā)展到海底檢測,甚至利用飛機或衛(wèi)星遙感檢測大范圍管網(wǎng)等[1]。對于管道泄漏檢測技術(shù)的研究近年來不斷有新的發(fā)展，檢漏方法也由最初的聽漏發(fā)展到各式各樣的基于現(xiàn)代信號處理和自動化裝置的檢漏，其中相關(guān)檢漏法是當(dāng)前比較先進、有效的一種檢漏方法。1960年英國水研究中心最先開發(fā)了相關(guān)檢漏儀，隨后法國、日本等國也相繼研制了相關(guān)檢漏儀，自20世紀80年代，國外開始研究用互相關(guān)法檢測水管泄漏，并取得良好的效果[1]。2相關(guān)檢漏原理與漏點定位算法2.1相關(guān)檢漏原理管線由于腐蝕、人為打孔等原因破裂時管內(nèi)高壓流體由破裂處噴出，由于與管壁的相互作用產(chǎn)生一個高頻的振動噪聲，以應(yīng)力波的形式沿管壁傳播。管壁的阻尼作用使得只有一定的頻率的波才能傳播較遠距離，這與管道的振動模型有關(guān)，應(yīng)力波與管道的振型共振的優(yōu)勢振動能傳播較遠的距離。由泄漏引起的管壁振動包括橫振動、縱振動和圓環(huán)振動，圓環(huán)振動與泄漏密切相關(guān)，安裝在管道上的相應(yīng)傳感器檢測到應(yīng)力波，經(jīng)過處理后能確定是否有泄漏和對泄漏點定位[4]。管道的相關(guān)檢漏法是指利用兩個傳感器拾取漏點發(fā)出的聲波，對這兩路聲波信號進行互相關(guān)分析，沒有泄漏時，相關(guān)函數(shù)的值在零附近；發(fā)生泄漏后，相關(guān)函數(shù)的值將發(fā)生顯著變化；另外，當(dāng)管道泄漏點的位置不同時，兩個信號的延遲時間就有區(qū)別，信號的相關(guān)函數(shù)的值就會改變。因此，根據(jù)信號的相關(guān)函數(shù)信息，就可以對管道的泄漏狀況進行檢測。2.2漏點定位算法圖1相關(guān)檢漏技術(shù)的定位原理圖管道檢漏技術(shù)的定位原理如圖1所示，假設(shè)管道在Q點發(fā)生泄漏，泄漏發(fā)生后，在泄漏處將引起壓力突降，產(chǎn)生一個以Q點為泄漏源的聲波信號，該聲波信號將以一定的波速V向管道兩端傳播，安裝在管道A、B兩端的傳感器分別在t和()時刻檢測到這個信號（這里假設(shè)泄漏點距離兩個傳感器的距離La>Lb），由于同時也有外部噪聲的影響，設(shè)A、B兩端的傳感器測得的信號樣本函數(shù)分別為A(t)、B(t)，因而它們可以表示為以下形式：(1)(2)其中和分別為A、B兩點的背景噪聲。對A(t)、B(t)進行相關(guān)運算：(3)為了處理數(shù)據(jù)方便，一般認為泄漏信號與噪聲信號相互獨立不相關(guān)，噪聲信號和完全不相關(guān)，那么，(4)當(dāng)相關(guān)函數(shù)達到峰值時，所對應(yīng)的值正好與兩個傳感器檢測到的信號的時間差相一致。由數(shù)學(xué)知識可知，相關(guān)函數(shù)在處取得極大值的必要條件是在處的導(dǎo)數(shù)，由此求出，再測出兩個傳感器之間的實際長度L和聲波在該管道的傳播速度V，泄漏點Q的位置就可以用下面的公式計算出來：(5)或者(6)3、某數(shù)字相關(guān)儀介紹3.1、儀器特點中文菜單操作2-12頻段獨立分析彩色觸摸屏LCD顯示器采集頻率范圍：0-5000HZ適用鋼管、鑄鐵管、塑料管相關(guān)分辨率：16000點FFT功能、相干分析圖2某數(shù)字相關(guān)儀工作原理圖圖2某數(shù)字相關(guān)儀工作原理圖采集的信號通過發(fā)射機無線傳輸數(shù)據(jù)存儲160個相關(guān)過程文件RS232接口程序升級3.2某數(shù)字相關(guān)儀的構(gòu)成相關(guān)儀主機發(fā)射機A和B天線（接收無線信號）探頭（采集信號）耳機12V車載電源連接線電池充電器AC變換器12V—100-240V打印機/PC連接線該種儀器是利用泄漏點產(chǎn)生的應(yīng)力波進行相關(guān)分析進行漏點定位的，其工作原理如圖2所示。它可對三種材質(zhì)的管道進行泄漏檢測，把泄漏信號分為12個頻段，可以選擇任何兩個或更多頻段進行相關(guān)分析，對某些干擾頻段可進行濾波，可以滿足在某些高噪音環(huán)境下進行檢測，如各種裝置區(qū)、車流多的馬路下。該儀器存有聲速表并可以添加需要是聲速[2]。4、產(chǎn)生干擾信號的情況實例分析由于管道一般都是承受一定壓力的，流體介質(zhì)在泄漏點產(chǎn)生多相流，在漏點附近產(chǎn)生一種連續(xù)頻率振動，根據(jù)以往研究的結(jié)果表明，直接從管道上聽到的漏水頻率一般為50HZ～3600HZ，而漏水點頻率在漏點中心的路面上的頻率為50HZ～90HZ（可用電子聽漏儀進行檢測）。泄漏聲音的大小和管道的材質(zhì)、內(nèi)部壓力、泄漏點形狀、大小、位置有密切的關(guān)系。該方法中只要儀器接收到的信號和真實的漏水信號相似，那么儀器就認為該處有泄漏點，但實際上往往這些是由于生產(chǎn)工況引起的虛假漏水信號所產(chǎn)生的信號。從原理上說，振源未必就是漏點，管道中的流水沖擊的三通、轉(zhuǎn)彎角以及管道附屬物被激發(fā)的振動也是振源；其二是車輛和工礦企業(yè)及各種環(huán)境噪聲在嚴重時會產(chǎn)生干擾，影響檢測效果；其三，聲音或振動傳輸?shù)膹?fù)雜性：如隔著埋層在路面上方測聽下方的水管，漏水聲經(jīng)過埋層傳播，必然有被吸收、散射的現(xiàn)象，而且不同頻率的成分被吸收和散射的程度也不同，埋層越深越雜亂，這種被吸收和散射的情況也就越復(fù)雜，即使能聽到下方有振動，這種振動引發(fā)的聲音也與在空氣中直接聽到的情況有所不同。如直接在管道上測聽，管道傳輸?shù)哪芰σ话惚鹊孛婧茫袝r能傳至幾百米遠，但在管線復(fù)雜時，也會產(chǎn)生各種反射現(xiàn)象，并且不同頻率的振動管道傳播的情況也不同，一般是高頻衰減更快。這些復(fù)雜問題如果檢測人員在使用儀器過程中難以把握，就會影響檢測效果，甚至產(chǎn)生開挖點沒有漏水[3]。以下就以在某大型化工企業(yè)的消防水檢測中一些受干擾信號影響造成的漏點誤定位的情況介紹。4.1、被測管線與其他管線搭接造成虛假漏水信號實例現(xiàn)場管線分布情況如圖3所示。本次測漏過程如下：用聽音桿聽到栓2,栓3,栓4有可疑聲音，栓2聲音最大，栓4聲音最小，用相關(guān)儀分別相關(guān)栓2和栓3，栓3和栓4，栓2和栓4.栓2和栓3的相關(guān)結(jié)果為圖示漏點處，在從栓2用管線儀直接連接發(fā)射機檢查，沒有發(fā)現(xiàn)栓2和栓3直接有任何支線后，判定相關(guān)儀所指示漏點位置為漏水點。開挖后發(fā)現(xiàn)，儀器指示漏點位置的消防水管主線上方0.6米處有一與消防水管主線平行的自來水管道，下方相鄰處有一水泥材質(zhì)排水管道,并未漏水。具體情況見圖4（a）所示，相關(guān)信號見圖4（b）。儀器指示漏點位置排水管栓1儀器指示漏點位置排水管栓1栓2栓3栓4消防水管主線自來水管消防水管主線自來水管圖3現(xiàn)場管線分布圖產(chǎn)生干擾信號的原因分析：垂直于消防水管主線的排水管道與消防水管主線相交于一點，排水管道的聲音傳播到消防水管主線后，再沿消防水管主線向兩邊傳播，被相關(guān)儀接收到，并確定了發(fā)聲的位置，就將該位置指示為漏水點。排水管道的聲音來自于排水管道相連的泵或裝置或自身的空洞效應(yīng)。上述下水管道的聲音加上自來水管道用水或是漏水或是與自來水管道相連的泵或裝置產(chǎn)生的聲音干擾，造成了在消防栓處用機械聽音桿可以聽到可疑聲音，由于現(xiàn)場周圍并沒有明顯的發(fā)聲裝置，也沒有直接相連的支線，加上相關(guān)信號很好的重復(fù)性，只有判定該處有漏水。圖4（a）管線搭接情況造成成的干擾實例例圖4（b）相關(guān)儀相關(guān)信號分分析結(jié)果圖4.2、異徑三通造成虛假泄漏信號的實例圖5（a）異徑三通支管造成成干擾信號實實例圖5（b）相關(guān)儀信號分析結(jié)結(jié)果圖4.3、提高泄漏檢測可靠性的方法首先應(yīng)探察周圍管線，摸清被測管線周圍其他管線情況、如有無支管、有無與其他管線搭接；檢測防腐層破損點情況，如果管道有泄漏點，那么信號點的外防腐層必定破損，如果能夠能確定信號點沒有破損點，那么該信號必定是干擾信號，而不是真的漏水信號；如果管線有漏水點，那么利用地面電子聽漏儀（能夠濾波）沿管線檢測，泄漏點處信號最強，如果在裝置區(qū)振動引起的干擾信號，那么整個信號強度不會有很大變化。上述三種檢測方法的組合比較可以大大提高泄漏檢測的可靠性。5、組合泄漏檢測方法在低信噪比環(huán)境下的嘗試該測試點是寧波某大型煉化企業(yè)的循環(huán)水管道，從現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)泄漏的水主要從四個位置冒出，一處是潤滑油裝置的西北角裂縫、一處是東北角裂縫、另兩處是反應(yīng)塔東邊混凝土地基邊緣裂縫中，具體位置見現(xiàn)場管線示意圖6中的①—④標號，通過現(xiàn)場的觀測，初步確定潤滑油裝置附近的管線可能發(fā)生泄漏，于是查漏重點就放在從主管線（DN600）到潤滑油裝置的兩條循環(huán)水支管（DN80）上。由于該測點附近有很多電動機和其他轉(zhuǎn)動設(shè)備，干擾噪音很嚴重，單純使用相關(guān)儀檢測時，信號比較雜亂，泄漏信號很弱而且信號點漂移到主管三通處（三通處可能產(chǎn)生干擾信號），單靠該信號不能判斷該處有泄漏發(fā)生，因此必須采用其他檢測手段輔助確定，故采用電子聽漏儀和防腐層破損定位儀（泄漏處防腐層必定破損），具體檢測結(jié)果如下。圖6待測管線分布圖及干擾源分布通過防腐層破損定位儀檢測發(fā)現(xiàn)在離B點2米處（P2）有破損點，且在三通處也有破損點，這樣還不能判斷是三通處還是P2點有泄漏點，破損點定位儀工作原理如圖7所示。最后從三通點用電子聽漏儀沿懷疑的管線向B點移動，信號強度在三通附近信號一般在49-55DB左右，當(dāng)從三通向B點移動時信號逐漸爭強信號為52-79DB，在到達P2點時信號最強為79DB，這說明該處有泄漏點，具體信號強度見圖8所示。通過現(xiàn)場開挖確認該處有一泄漏點，與信號指示位置偏差1.2米，在正常的允許范圍內(nèi)。圖7防腐層破損定位儀儀查找破損點點的示意圖圖8電子聽漏儀在管線線上方水泥路路面檢測信號號分布6、組合泄漏檢測的經(jīng)驗總結(jié)漏水檢測是一項較為復(fù)雜的工作，它涉及諸多環(huán)節(jié)，管材、環(huán)境、泄漏、儀器設(shè)備種類多種多樣，再加上復(fù)雜的管網(wǎng)深埋于地下，所以要成功找出漏水點就要科學(xué)合理的使用儀器，充分利用已有資料和數(shù)據(jù)，作好時間、地點、人、儀器設(shè)備的有機結(jié)合，發(fā)揮漏水檢測工作的最佳效果，并針對各種管網(wǎng)的實際情況制定一套嚴謹、科學(xué)、具有可操作性的漏水檢測規(guī)程也是必須的。使用相關(guān)儀、電子聽漏儀、防腐層檢測儀等幾種儀器組合檢測的方法在實際工作中大大提高了泄漏檢測準確率，特別是在高背景噪音使用這種