（控制科学与工程专业论文）基于声信号检测的管道tpd预警系统研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 摘要 目前油气输送管道的第三方破坏活动( t h i r d p a r t yd a m a g e ，t p d ) 日益成 为影响国内、夕 管道安全输送的最重要的因素之一，由于传统的泄漏检测 方法对于输送管线t p d 监测收效甚徼，因此研制高性能的输送管线t p d 预 警检测系统也就成为目前国际上的研究热点之一。 针对国内油田油气输送管道的实际情况，t p d 破坏最容易发生在泵站 之间的某些重点区段( 3 5 k m ) ，如能将这些重点管段监控起来，将会有重要 的现实意义。本文重点讨论埋地管道的运动方程模型的建立、t p d 相应模 态特征波的传播特性，并针对可较远距离检测到的t p d 信号的特征频段信 号，采用小波分析、支持向量机等方法对信号进行处理和分类分析，以及 为保证系统的实时性，采用提升小波算法在t m s3 2 0 v c 5 5 0 9 d s p 芯片中实 现。主要取得研究成果与创新之处如下： ( 1 ) 目前对于管道上t p d 声信号传播机理的系统研究还较少，本文首先对 充液圆管道中t p d 引起的声音和振动波的传播行为进行机理分析，在壳体 运动方程的基础上推导弹性介质中充液管道的声振耦合系统的频散效应， 并对比分析了检测目标t p d 信号应关注的s = l 波( 流体波，f l u i d b o r n e w 1 v e ) ，s = 2 波( 壳体波，s h e l lw a v e ) 在0 b o o h z 内波数( w a v e n u m b e r ) 的变化 情况及衰减特性。这对于管道t p d 检测时，相应传感器的选择及信号处理 方法具有指导意义。 ( 2 ) 提出一种新的提升小波去噪算法，将其以提升格式( 1 i f t i n gs c h e m e ) 在d s p 芯片中实现。在杭州炼油厂进行了实验，测试间距2 0 0 6 0 0 m ，算法能快 速有效地提取t p d 信号的奇异点；提出基于小波包变换的t p d h 关定位的 新算法，先提取信息丰富的频带作为特征包，再对特征包的重构信号进行 互相关分析，定位性能得到改善。并在水管道上进行了实验，实验结果证 明了该算法的有效性。 ( 3 ) 针对t p d 多声源小样本分类的困难，提出基于支持向量机( s v m ) 对多种 t p d 信号进行分类的新方法。先将t p d 信号进行3 层小波分解，再对得到的 近似信号进行3 层小波包分解，将信息丰富的频带分成了更细的频带，以 信号频带的能量和相关的统计量作为特征进行分类。在山东潍坊输油处的 原油管道进行实验，实验结果表明能正确区分切割、挖掘、敲击等典型t p d 信号，分类正确率在8 5 以上。 ( 4 ) 提出了基于t it m s 3 2 0v c 5 5 0 9 d s p 芯片的t p d 预警系统的软、硬件设计 流程，及相关主要器件的选型。为保证信号处理的实时性，对于d b 4 d x 波 去噪算法以提升格式( 1 i f t i n gs c h e m e ) 方式在硬件中实现，相对于常用的 m a l l a t 算法时间可提高一个数量级。 工业现场的原油和成品油管道检测的实验结果表明，本文提出t p d 信 号的传播模型分析是正确的，有效检测距离能达1 4 0 0 m ，所设计的t p d 预 警系统对于输送管线的重点区段( 3 5 k m ) 的监控是有效的。 关键词：埋地管道，t h i r dp a r t yd a m a g e ，j 、波变换，提升小波，d s p ，支持 向量机 浙江大学博士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i r d p a r t yd a m a g e ( t p d ) a c t i v i t i e sh a v ei n c r e a s i n g l yi n f l u e n c e dt h eo i la n d g a st r a n s m i s s i o ns e c u r i t yi nr e c e n ty e a r s t h i r d - p a r t yd a m a g ec r e a t e sp o t e n t i a l h a z a r d sa n di n c r e a s e do p e r a t i n gc o s t sf o rt r a n s m i s s i o nc o m p a n i e s t p di n c l u d e s m a ne x c a v a t es o i ln e a rp i p e ，d r i l lt h ep i p ew a l l ，i m p a c tt op i p ea n d b o r i n gh o l e s ， t h et r a n s i e n tw a v e sc r e a t e db yi m p a c tt r a v e li nt h ep i p ew a l la n di n s i d et h ep i p e a t p r e s e n tp i p el e a kd e t e c t i n gs y s t e m sn o t e dd on o te f f e c t i v e l ya n dr e l i a b l yf i n d t p ds i g n a l s ，r e s u l tc o u l db e s i g n i f i c a n te x p e n d i t u r e o fr e s o u r c e sw i t hn o c o m m e n s u r a t es a f e t yb e n e f i t h o wt o d e s i g n ac o s t e f f e c t i v e p i p e l i n et p d p r e v e n t i v ed e t e c t i n gs y s t e m i s c h a l l e n g i n gd e s i g n i s s u e t h et h e s i s p r e s e n t m e t h o d st om e a s u r e t h i r d p a r t yd a m a g e ( t p d ) s i g n a li n b u r i e dp i p e l i n ei n r e a l t i m eb a s e do na c o u s t i cs i g n a l a c c o r d i n gt oc o n d i t i o n so fd o m e s t i co i lf i e l d ，t p dm a i n l yh a p p e ni nk e y s e c t i o n ( 3 5 k m ) o fp u m ps t a t i o ns p a c i n gi np i p e l i n e c o n s t r u c t b u r i e d p i p e o r c y l i n d e r w a v em o d e la n d a n a l y z e f u n d a m e n t a lm o d e sw a v e p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c t h ew a v e n u m b e r sf o rp i p ei s i d e n t i f i e d ，t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o n a m o n g v a r i o u sw a v et y p e sa r ei n v e s t i g a t e d t h ei n t e r e s tl o w f r e q u e n c ys i g n a l so f t p d s i g n a l sa r ea b l et op r o p a g a t el o n gd i s t a n c ea l o n gp i p e u s i n gw a v e l e ta n d s u p l ；) o r t v e c t o rm a c h i n et od e a lw i t ht p ds i g n a l s i no r d e rt o m a i n t a i nt h e p r e v e n t i v e a n dr e a l t i m eo f m o n i t o r i n gs y s t e m ，l i f t i n g s c h e m eo fw a v e l e t a l g o r i t h mi si m p l e m e n t e dt od e n o i s ei nt m s3 2 0 v c 5 5 0 9d s pc h i p t h em a i n w o r k sa n di n n o v a t i v em e t h o d sa r ei i s l e da sf o l l o w s ( 1 ) l i t t l ew o r ka b o u tp i p et p ds i g n a lc h a r a c t e r i s t i ci s a v a i l a b l ei nt h e l i t e r a t u r e p i p ee q u a t i o n sf o rn = oa x i s y m m e t r i cw a v em o t i o na r ed e r i v e df o ra f l u i d f i l l e d p i p e ，s u r r o u n d e db ya l l i n f i n i t ee l a s t i cm e d i u mw h i c hc a ns u p p o r t b o t hl o n g i t u d i n a la n ds h e a rw a v e s t h e s ee q u a t i o n sa r es o l v e df o rt w ow a v e t y p e s ，j 21 、2 ，w h i c hc o r r e s p o n dt o af l u i dd o m i n a t e dw a v ea n da na x i a ls h e l l w a v e ，a n de x p r e s s i o n a lf o rac o m p l e xw a v e n u m b e rf o re a c hw a v ea r eg i v e n s o w ek n o wt h et p d s i g n a l a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n 0 8 0 0 h z ，t h e l o w - f r e q u e n c yr e g i m ew h i c hi s o fm o s ti n t e r e s t f o rc a s t i r o n ，s t e e l p i p e a i m s i g n a lb a n di n0 2 0 0 h z ，i f s e n s o rs p a ns p a c i n gl a r g e rt h a n2 0 0 m i fs e n s o rs p a n l e s st h a nl5 0 m b a n di s2 0 0 8 0 0 h z 浙江_ 人学博士学位论文 a b s t r a c t ( 2 ) am o d i f i e dl i f t i n gw a v e l e tt h r e s h o l dd e n o i s i n ga l g o r i t h mi su s e dt op r o c e s s t p d s i g n a l sa n da l g o r i t h mh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni sp e r f o r e m e di nd s pc h i p a n d ，am o d i f i e dg r o s sc o r r e l a t i o nm e t h o db a s e do nw a v l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o n i ss h o w e d s i g n a l sa r ed e c o m p o s e di n t oas e r i e so ft i m ed o m a i ns i g n a l ，e a c ho f w h i c hc o v e r e das p e c i f i cf r e q u e n c yb a n dt od e n o s i ea n dd i v i d ef i n ef r e q u e n c y b a n d e x t r a c tf e a t u r eb a n dt or e c o n s t r u c t i o n s i g n a l t h e c r o s sc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n ti n c r e a s e sf r o m0 5 8 o 7t oo 8 2 0 9 0 t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti n w a t e r p i p ew a s c o n d u c t e di nz h e j i a n gu n i v e r s i t y ( 3 ) f o c l a s s f ym i x e dt p ds o u n d sa n do v e r c o m et h es m a l la m o u n to ft r a i n i n g s a m p l ed i f f i c u l t y ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ei sp r i m a r i l ya p p l i e d e x t r a c t i o ns i g n a l f e a t u r e ，d i v i d eo r i g n a ls i g n a l i n t o8s u b - b a n d st h e ne x t r a c t e d0 3 2 0 h z a p p r o x i m a t i o ns i g n a li sd e c o m p o s ei n t o8b a n d s e a c hw a v l e tp a c k e tc o v e ro 4 0 h zs i g n a l s e x t r a c t p a c k e te n e r g y a sf e a t u r et o c l a s s f y f o u rt p ds i n g a l s ： n o r m a lc o n d i t i o n ，d r i l l i n g ，h a m m e r i n ga n de x c a v a t i n g ，d e t e c t i o ns p a c i n g14 0 0 m i nf i e l dt e s ta r ep e r f o r m e di nc r u d eo i lp i p ei ns h a n d o n gp r o v i n c ec h i n a s u c c e s s r a t ei sm o r et h a n8 5 ( 4 ) p i p e t p dp r e v e n t i v e s y s t e m i sb a s e do nt it m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 d s pc h i p ， s u p p r e s s i n gn o i s ea n ds p i k ed e t e c t i o na l g o r i t h mi sp e r f o r m e di nd s pc h i p ，w h i c h i s i m p l e m e n t e d i nf a s t l i f t i n g w a v e l e tt r a n s f o r m l i f t i n gs c h e m ed e c r e a s e s c a l c u l a t i o nc o m p l e x i t ya n dg u a r a n t e er e a lt i m eo p e r a t i o n 。t h ew h o l ep r o c e s so f d e v e l o p p i n gs o f t w a r ea n d h a r e w a r ei nd s pi sd i s c u s s e d i n d u s t r i a le x p e r i m e n ti nb u r i e dc r u d eo i la n dp r o d u c to i lp i p es h o wp i p e w a v em o d e li sc o r r e c ta n ds i g n a l sp r o c e s s i n gm e t h o di se f f i c i e n t ，w h e ns e n s o r s p a c i n gi s 14 0 0 m t h ep r e v e n t i v em e a s u r i n gs y s t e mi sa b l et om o n i t o rt h ek e y d a n g e r o u ss e c t i o no fp u m p s t a t i o ns p a c i n g k e y w o r d s ：b u r i e dp i p e ，t h i r dp a r t yd a m a g e ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，l i f t i n g w a v e l e t ，d s p ，s u p p o n v e c t o rm a c h i n e 浙江大学博士学位论文：绪论 第1 章绪论 摘要：总结了声信号检测的主要内容和历程，分析了油气管道第三方破坏 t p d 预警概念的提出，目前国内、外在t p d 检测方面的研究现状及取得的一 些最新进展。本论文的研究意义和背景等。 1 1 声信号检测的主要内容 声学是声音的科学，研究它的产生、传播、接收和相关效应。原始的声 音是指人耳能听到的空气中的传播的振动现象，频率在2 0 h z 到1 0 k h z 之间， 人们所听到的声音只是实际声音的部分，即可听声部分；而不可听声包括 了频率在2 0 h z 以下( 次声) ，2 0 k h z 以上( 超声) ，介质也可为气体、液体、固 体。 人类对声学的研究历史较长，1 9 世纪末r a y l e i g h 所写的声之理论和 1 9 3 6 年莫尔斯写的振动和声成为声学的经典参考书，反映了声学基础理 论的发展状况。2 0 世纪后，声学不断向外延伸，形成了许多边缘学科，如水 声学、超声学、电声学等，这些分支学科都解决了新的科学问题，提出了新 的理论。大大丰富了声学的内容1 1 1 。 声波是物质波，是弹性介质( 气体、液体，固体) 中传播的压力、应力、 质点运动的一种或多种变化。从2 0 世纪3 0 年代起非线性声学取得重大发展。 2 0 世纪7 0 年代起声表面波这个分支也开始崛起，它主要是用来构成电子学 的器件，并不靠大能量工作，也不采集材料或材料内部的信息，而主要是对 电子信号进行多种控制，在雷达、通讯方面有着重要的应用【5 】。 产生、检测和传播是声学各分支的共同内容，常用声音信号检测技术是 通过检测固体介质内部或表面传播的声波信号，以达到对目标探测、识别、 定位等目的。1 8 7 6 年f g a l t o n 第一次人工产生了频率为8 1 0 4 h z 的超声。 1 9 1 6 年p , l a n g e v i n 研究产生和运用水下超声的工作被视为现代超声学的诞 浙江大学博士学位论文：绪论 生。1 9 2 7 年r w w o o d 发表对超声能量作用的实验报告，更引起广泛的关注， 为功率超声奠定了基础。几乎与此同时，批研究者测量了气体里的声速和 声衰减。在其后的半个世纪中，声信号检测得到了迅猛的发展，其应用领域 已经扩展到国民经济中的各个领域。声信号检测主要分为超声检测和声发射 检测两大类，但二者的区分也不是绝对的。超声主要有两大类用途，一是利 用它的能量来改变材料的某些状态，为此需要产生相当大或比较大的能量的 超声，实际上是大功率超声或功率超声等，如硬脆材料加工、焊接、粉碎等： 二是利用它采集信息，特别是材料内部的信息，它能穿透任何材料，如超声 探伤、超声诊断、超声成像等。对于本文所关注的声信号工业检测应用来说 0 1 ，从检测超声的角度可分为两类：一类是利用超声波在介质中的传播特性 而发展起来的超声传播检测法，也称为主动式；另一类是利用超声作用被检 物体的振动特性而发展起来的振动检测法，称为被动式。 材料中裂纹及材料内部的动态干扰产生的瞬态弹性波的现象称为声发 射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，a e ) ，a e 现象是弹性体内动态干扰产生的纵波与横波， 还包括r a y l e i g h 波等。a e 信号的检测，在初期研究的岩体测量中采用几k h z 频率范围的加速度计，随着金属材料用途的扩大，频率范围随之扩大到m h z 的带域，信号常包括了数千赫兹到数兆赫兹的频率成分【6 】。a e 波广泛的应用 到压力容器、压力管道、海洋石油平台的检测和结构完整性评价，管道的 泄漏检测等，材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测等，其优 点主要表现为： ( 1 ) 声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物 体本身，而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供； ( 2 ) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应 力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号； ( 3 ) 可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连 续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期破坏预报； 2 浙江大学博士学位论文：绪论 较低频率的声信号在油气储运、城市煤气管道、水管道破裂、泄漏及安 全方面的检测，也属于a e 检测的范围，由于受检测对象和应用环境的限制， 需要沿管道安装较多声音传感器，同时，为了能准确判断出哪两个传感器之 间发生了破坏或泄漏，须将声音传感器的信号送给相应的处理装置( 多个) ， 然后再送至主机进行判断处理，一般需要复杂的滤波器技术和提高信噪比的 算法。快速傅立叶分析( f f t ) 对于声学发展推动起到了最大的作用，傅立叶分 析曾经是分析声波的有效工具，它使语音识别、水声监测、噪声分析、有源 控制等都有重大的发展。近年来一些新的信号处理方法不断出现，如神经网 络、小波分析、统计学习理论等将声信号分析和处理又推到了一个新的高度。 1 2 油气管道t p d 信号检测的研究背景 管道运输是与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，在 国民经济和国防工业发展中发挥着重要的作用。管道在输送液体、气体、浆 质等物品方面具有的独特优势，自2 0 世纪7 0 年代以来世界管道工业发展很 快，每年有价值数百亿美元的石油、天然气和其它相关产品通过地下管道运 输。随着我国西部油气田、海上石油资源的开发及“西气东输”工程的启动， 管道运输业在我国发展也非常快。 据中国石油天然气管道科研中心资料显示( 2 0 0 3 ) ，中国目前长距离油气 输送管道总长已达4 5 8 6 5 k m ，其中原油管道1 5 9 1 5 k m ；天然气管道2 1 2 9 9 k m ： 成品油管道6 5 2 5 k m , 海底管道2 1 2 6 k m 。原油管道形成了东北管网、华东管 网和西北区域性管网；天然气管网形成西气东输线、陕京线、忠武线三条输 气干线，川渝、京津冀晋、中部、中南、长江三角洲等区域管网并存的供气 格局。从总体来讲，我国的大型油气管网敷设技术已达到或接近国际先进水 平，已在各种地质复杂地区和各种特殊地理环境中成功地建设了油气管道。 但是管网的运行安全检测技术还比较落后。为保证管道运输安全，从2 0 0 0 年4 月起，国家相继颁布了相关法令，规定主干线油气输送的相关要求1 2 1 】。 l i 江大学博士学位论文：绪论 为了确保输送管道的安全运营，延长管道的在役寿命，并最大限度的降低输 送损失，对管道的过程参数和异常情况( 如管道泄漏、开挖、人为自然破坏 等) 进行实时监测、定位和预警是必然的要求。 t h i r dp ar 扣d _ 啪g o 丘辔e m i f k n 啪j d n i n t e m u lc o r h m n n a 幻m if o t e e s m m c i n c o r r e c to p e r = t i o n u n 0 w n 0 t h o r f “旭s o s 吖l n 8 l t i m p r 计o s r r 雠p 1 0 e 旭m j n e t l o n s h b s 8c o r r o s i o nc r a c k i n g v a n d s i h n _ 口n o r h o i p e时 p i p ei一 l l 1 一 i 浙江大学博士学位论文：绪论 管线运行初期的磨合事故外，人为的故意破坏( 打孔、切割、 a t l ) 是目前主 要的管道t p d 原因，近来国内社会上的不法分子为谋取暴利，频繁在埋地输 油管道上钻孔盗油，或者天然气管道上进行打孔，不断引发管道泄漏事故和 严重的安全事故，不仅给国家和企业造成巨大经济损失，而且严重影响输油、 输气生产的正常秩序。据中石油管道公司2 0 0 0 2 0 0 3 年的统计，盗油气的破 坏活动次数年平均递增达5 0 ，年平均数千次以上，这还不包括非人为因素 引起的破坏，不法分子频繁地在输油、输气管道上打孔破坏，造成的后果主 要有：( l ) 管道安全受到威胁，管道金属本体及防护系统遭到严重破坏，管道 强度明显下降，频繁停输抢修、启动运行，会使管道的在役寿命大大缩短。 ( 2 ) 恶性事故不断发生，不法分子打孔盗油、气，致使原油、天然气大量外泄， 着火爆炸事故频繁，威胁着广大人民的生命财产安全。因此迫切需要种可 提前预警管道t p d 活动而不是仅仅检测泄漏的监测系统，这就是管道t p d 预警的研究背景m 】。 鉴于对管道t p d 预警检测的重视，中国石油股份公司于2 0 0 3 年1 1 月在 杭州召开了关于针对输油气管道防盗、打孔、钻孔等人为破坏活动( t p d ) * d 泄漏检测技术成果交流大会，与会的国内、外众多科研究单位和公司展示了 最新的科研成果和商业应用系统，如英国的e s i 、s h e l l 石油公司、澳大利亚 的f u t u r ef i b r e t e c h n o l o g i e s ( f f t ) 、美国能源部的g a st e c h n o l o g y i n s t i t u t e ( g t i ) 、天津大学、石油大学等，其中采用负压波法占2 5 ，声检测 方法有1 5 ，统计检漏法有3 家，质量流量平衡1 0 ，光纤检测法2 家等。 但能对管道t p d 信号进行有效预警的目前只有光纤法和声信号检测法。 对于管道泄漏的实时检测，目前国内外采用的方法有：负压力波法、动 态模型法、压力点分析法( p p a ) 、质量流量平衡法、声检测法( 包括声发射) 等【8 】。国内油田应用最多的是负压波法、质量流量平衡法，其特点是系统构 造较简单、测量间距较大( 2 0 k m ) 、易维护，对于管道的泄漏检测还是有效 的。但对于不法分子在管道上的盗油行为( t p d ) ，则起不到预警作用，这些 浙江大学博士学位论文：绪论 检漏方法只有在管道运行参数发生异常变化时，即t p d 活动已经发生，挖掘、 打孔活动已经完成并开始放油导致管道运行参数发生变化时，泄漏检测系统 可根据泄漏情况的发生而判断管道附近是否有t p d 活动，所以具有明显的滞 后性，因此不能有效防范钻孔、盗油事件的发生。总的来说，管道t p d 预警 目的和泄漏检测不同的，t p d 检测的目的是希望在管道刚遭受破坏时，就提 前发出警报，而不是等到泄漏已经发生之后再报警。 光纤传感技术( f i b r eo p t i ct e c h n o l o g y ) 是一项刚在管道t p d 预警方面进 行应用的新技术 3 2 l ，可对管道的过程参数和异常情况( 如管道开挖、泄漏、人 为自然破坏等) 进行实时监测、定位和预警，f f t 公司的光纤管道安全防御系 统( s e c u r ep i p e ) 的应用受到了各国油气储运界的极大关注，光纤作为信息传送 的载体已经3 0 多年，但在国内目前还停留在光栅光纤传感技术阶段，因此在 输送管道的应用受到制约 3 3 l 。f f t 的s e c u r ep i p e 系统采用普通的光纤作为传感 介质，在光纤两端接入控制器和传感器即可，传感器间距可达5 0 k i n 以上。该 技术通过对光纤的外部干扰使用基于模态分布调制的干涉效应来实现的，提 供真正本地的、稳定的和线性的传感，以这种方式干扰响应成为安装传感器 的光纤的功能。但该传感器属专利产品，目前由于技术垄断，价格昂贵，该 系统还没有在国内油田输送管线上应用。国内天津大学也开始研究光纤法在 管道检测中的应用( 2 0 0 3 ) 。 压力流量突变法：管道正常平稳工作时，出入口的流量压力在一定范围 内变化；当管道发生泄漏时，会使出入口的瞬时流量压力发生变化，如果测 得流量压力变化比预先设定的高，可认为管线发生泄漏。但它不适合于动态 过程的泄漏检测且无法估计泄漏点的位置。 体积质量平衡法：在稳定流动的情况下，根据体积，质量平衡原理，考虑 到因温度、压力等因素造成的管线充填体积的改变量，一定时间内出入口体 积质量差应在定的范围内变化。体积质量差超出一定范围，可确定管线 发生了泄漏。该方法可靠性较高，当输送介质泄漏时，下游的流量会比上游 浙江大学博士学位论文：绪论 流量小一些，而输入流量并未变化，因此为平衡管道系统质量守恒方程，计 算结果预测下游压力将上升。 这两种方法都建立在管道流量模型基础上，管道的运行状态被定义为一 系列的压力、温度、流量和管道内各点介质的密度，这些数据是一系列管道 状态方程联立计算的结果。所阱上述两种方法的实时性很差，流量仪表的工 作点漂移、噪声信号等都会影响检测精度，且不能用来检测小流量泄漏，对 于管道t p d 的预警，它也是无能为力的。 二十世纪七十年代末国外研制出了负压波定向报警技术，能够区分调泵 和泄漏产生的负压波。这种定向技术需要四个相隔一定距离的动态压力传感 器，其中两个常需要安装到野外，并通过一个延时电路来识别负压波方向。 负压波法检测泄漏所依赖的事实是：泄漏点产生突然的压降，通常大的管道 泄漏都具有这一特征，管内压力波的传播速度取决于液体的弹性、密度、管 材的弹性、液体的体积弹性系数等。清华大学在东北输油管理局所辖的新民 一黑山站间及天津大学在中洛管道淮阳一滑县站间均采用负压波法对管道泄 漏进行在线监测。 2 0 世纪5 0 年代初，德国人凯撒( j k a i s e r ) 研究了多种金属材料如锌、铜、 铝、铅等的声发射特性，发现了k a i s e r 效应，k a i s e r 同时提出了连续型和突 发型声发射信号的概念m 】。2 0 世纪6 0 年代美国学者d u n e g a n 开始研究a e 在无 损检测方面的应用，直到1 9 6 4 年，美国通用动力公司把a e 技术用于“北极星” 导弹壳体的水压试验工作，这才标志a e 技术的应用进入了新的阶段，随后其 应用领域得到迅速扩展。n 2 0 世纪9 0 年代初，由于计算机和数字信号处理技 术的迅速发展，声发射技术开始进入一个新的发展阶段，较著名的生产厂商 如美国p a c 公司、美国d w 公司、德国v a l l e ns y s t e m e 公司先后开发生产了 计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分 析系统。 由于美国在阿拉加斯、犹它州等均有长距离管线，声发射技术也逐渐应 浙江大学博士学位论文：绪论 用到油气输送管线的检测上，并取得了许多成功的经验。原则上探头间隔要 看测量条件下a e 的信号衰减量，实际应用中两个探头的间隔最大可以达 6 0 0 m 左右，此外它对小缺陷的检测比较敏感，但一般其检测的信号频率均较 高，对于管线中低频信号的传播可能不是很敏感。测试过程中会受到一些因 素的制约，如介质是水，油或者空气，气体是干燥的还是湿的，压力是否充 分高，管线埋地与否，被埋覆盖土壤的干、湿程度等【6 1 。 频率范围较低的可听声信号用于管道泄漏和安全检测的应用也较多，其 基本原理是当管内液体从从裂缝泄漏时，管内外的压力差，使得泄漏的液体 通过漏点或裂缝到达管外对会产生涡流，涡流产生振荡变化的压力或声波， 声波可传播扩散返回泄漏点在管道内建立声场，将泄漏时产生的噪声作为声 源，通过设置好的传感器拾取声波，进行处理确定是否发生泄漏。如自来水 管道破损，核电站压力管道泄漏的检测等【1 4 l 。管道上的t p d 活动( 冲击、挖 掘、打孔等) 的信号有时比泄漏信号会更强烈，会更易检测到。 在2 0 世纪9 0 年代以前，由于声信号检测有效间距较短、信号易受干扰， 加上硬件上的制约，在管线上的无损检测应用受到制约。但目前关于油气输 送管线的t p d 破坏的预警检测方面遇到一些困难( 负压波法不能提前预警， 光纤法价格昂贵等) ，随着现代传感器技术及电子技术的发展，2 0 世纪9 0 年 代开始提出智能传感器( s m a r ts e n s o r ) 的概念，相应的产品增加了采集系统能 智能识别传感信息的电子线路、内置放大电路( i c p ) 等，美国i e e e1 9 9 9 年推 出了智能传感器的相关标准p 1 4 5 1 2 5 1 ，相关厂商b & k 、p c b 、l a n c e r 的振动 传感器和声音传感器的性能已经得到非常大的改善，都在向小型化、智能化 方向发展，在这方面已经有多项美国专利叫】。因此声信号检测在管线上的应 用又受到普遍的重视，美国b a t t e l l e 等研究所和g t i 所资助的多家公司已开 展利用声学传感器对长管线进行实时监测的研究，并将其列为2 1 世纪油气管 道监测最有前景的技术之- - ”。英国帝国大学n d tg r o u p 的r l o n g 等也在 开展声信号在管道检测中的相关研究工作 5 2 1 。加拿大n r c ( n r c ，n a t i o n 浙江大学博士学位论文：绪论 r e s e a r c hc o u n c i l ) 的石丹究人员一直在致力于声信号在管道上的泄漏和破坏检 测，包括有铸铁管道、钢管道、p v c 管等，将基于声信号的无损检测作为其 重要的发展方向 5 8 1 。 1 3 国际国内研究状况和进展 管道的在线无损检测是管道工业发达国家竞相研制的高新技术，在国际 上属于垄断技术。美国、英国、德国、加拿大等管道工业发达国家对相关技 术的研制已有近四十年历史，由于检测的复杂性，如管道输送介质的多样性， 管道所处环境的多样性( 如埋地、海底) ，泄漏形式的多样性( 渗漏、穿孔、断 裂) 等，使得没有一种通用的方法解决管网的各种泄漏检测问题，仅有几家公 司掌握此项技术。目前，国外公司原则上对我国不出售设备( 即使出售，每套 标价几百万至上千万美元) ，仅提供检测服务，其检测费每公里约1 万美元。 而对于管道第三方破坏( t p d ) 的预警，采用声信号检测方法国外取得了些 成果，但总体还处于试验研究之中。 国内管道检测技术最早是从输油管道泄漏监测开始研究，监漏技术研究 在二十世纪九十年代冈起步。国内输油管道实时监测技术目前总体上处于引 进吸收、研制开发的阶段，但就国内已有的技术能力，利用综合监测技术可以 解决石油管道的实时监视和泄漏报警问题。天津大学、清华大学、石油大学 及一些油田的研究部门，均在此方面作过一些的研究【2 1 】。天滓大学研制的 “原油管道泄漏系统”已在国内3 4 7 3 2 k m 的管道上安装运行。 但国内应用声学传感技术对管道t p d 信号进行检测的研究，目前还是非 常少的。靳世久( 1 9 9 4 ) 讨论过输送管道因外力诱发应力波并在管壁内传播， 包含声频成分、超声成分，由于管壁的阻尼作用，只有某些频率的波才能传 播较远距离。石油大学的张朝晖( 2 0 0 1 ) 和中原油田的张勇( 2 0 0 3 ) 曾在埋地管道 上作过试验，但对于管道t p d 信号传播的机理分析和信号处理方法均没有进 行深入的研究。总之，国内目前对于管道t p d 信号预警系统的研究还刚起步， 浙江大学博士学位论文：绪论 有许多问题值得研究。 t p d 管预警未来的研究方向：新型传感技术( 如s m a r ts e n s o r ) 、低频换能 器和锥形宽带换能器研制：新的信号处理方法如小波分析( w a v e l e t ) 、支持向 量机( s v m ) 、神经网络模式识别的应用；在波的传播等基础理论领域开展研 究，对管道内不同模态波传播特性的研究；新型光纤传感器( 微应变器定位 器1 ，振动传感器和激光发送及接受模块等的研制。 分布式光纤传感技术虽然能在以5 0 k m 的传感间距监测管道t p d 信号， 但由于技术上的垄断及在工业现场应用中的一些问题还未得到解决，所以在 国内还没有应用。国内公司曾从f f t 公司引进了一套实验系统，价格非常昂 贵，相关费用高达1 7 0 ，0 0 0 $ ，而且对于老管道来讲，同沟铺设光纤是不太 现实的。根据国内油田的实际情况，泵站之间的距离有3 0 5 0 k m ，但并非 沿途所有的管段都会遭受人为破坏，人为打孔、钻孔等t p d 活动均会集中在 某些管段，而采用声学传感器技术对于泵站间这些容易遭破坏的重点管段 ( 3 5 k m ) 进行监控，不但可解决实际问题，还可大大降低系统的造价，相关 的硬件维护也会方便，所以对国内油田管道的t p d 预警系统研究具有非常重 要的现实意义。总之，对于不法分子的盗油行为及其它的t p d 信号而言，声 信号检测法将是十分有效的方法，可以检测到不法分子盗油、气时，开挖管 道、在管道上钻孑l 、焊接阀门等活动，从而及时向工作人员报警，以便及时 采取措施达到管线安全预警的效果。 1 4 论文的主要内容和创新点 1 4 1 论文主要内容 对于输送管线的第三方破坏( t p d ) 的预警研究是目前管道检测技术的重 要前沿之一，针对目前t p d 检测的主要发展方向和存在的一些问题，本论文 着重对管道t p d 信号的传播特性和检测处理技术进行深入研究，并进行相关 浙江大学博士学位论文：绪论 的工业现场实验。主要内容如下： 第一章引言，简述了声学检测方面的发展历程和主要内容，介绍了超声 检测和声发射在油气管道、市政管道的破坏和泄漏检测方面的应用，概述了 管道t p d 检测的研究背景。 第二章文献综述，对于油、气输送管线t p d 和泄漏检测的各种技术和国 内、外的研究现状作了系统、详细的阐述。并对于声信号检测法和光纤法在 管道t p d 中的应用做了重点分析，并总结管线t p d 预警系统目前所存在的 一些技术难点和未来发展趋势。 第三章埋地管道中t p d 信号传播的机理分析，建立埋地管道并推导其波 动运动方程，对于沿管道传播t p d 信号的不同模态波进行了分析，总结了金 属管道中s = l 波( 流体波，f l u i dw a v e ) 和s = 2 波( 结构波，s h e l lw a v e ) 在0 8 0 0 h z 内衰减情况。并分析钢制管道和p v c 管道的t p d 信号中两种波的衰减情况。 第四章管道t p d 信号检测和处理技术，阐述了管道t p d 信号的检测方 法及传统滤波方法和f f t 等在声信号处理中的应用，分析了小波方法进行 t p d 瞬时信号处理的特点，及相关提升算法( 1 i f t i n gs c h e m e ) 在硬件实现方面 的优势，并在成品油和原油管道上进行了信号去噪和波形提取试验。最后引 入了基于小波包变换( w a v e l e t p a c k e t t r a n s f o r m ) 的管道t p d 相关定位算法。 第五章管道t p d 信号的初步分类研究，概述了管道t p d 信号的检测方 法，在管道t p d 信号传播机理分析的基础上，采用独立分量法( i c a ) 方法对 多通道的t p d 信号进行分离。针对s v m 在小样本分类中的优势，提出基于 支持向量机( s v m ) 对多种t p d 信号进行分类的新方法。 第六章管道t p d 预警系统设计，概述基于t it m s 3 2 0v c 5 5 0 9 d s p 芯片 的预警系统的软、硬件设计流程，及