（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟仪器的管道破坏监测系统设计与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 管道运输是与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输工具之一，在和 我们日常生活密切相关的城市供水系统中发挥着重要的作用。近年来水管道人为 损坏越来越严重，迫切需要种可以监测管道破坏活动的方法，从而有效减少水 资源的浪费。 本文通过大量查阅相关文献，针对国内外管道破坏实时监测的研究现状，提 出了采用声检测技术对管道破坏活动进行监测的方法；并对声信号易受强背景噪 声干扰而使破坏点定位精度降低的问题，提出了基于独立分量分析的去噪方法； 然后采用虚拟仪器技术构建了一套管道破坏监测系统，并进行了硬软件设计；最 后在实验室输水管道上进行了破坏活动的监测及定位实验研究。 具体工作及成果如下： ( 1 ) 采用虚拟仪器技术，设计构建了一套基于声信号检测的管道破坏监测系 统。根据管道破坏检测原理和相关分析理论，选择管道发生破坏时产生的声发射 信号为研究对象，通过对声学传感器拾取的信号进行相关分析来实现管道的实时 监测与破坏点的定位，并将监测系统应用于实验室输水管道，在不同的管道破坏 情况下( 破坏类型和破坏点位置不同) 进行了实验研究。 ( 2 ) 提出了一种新的基于独立分量分析的管道破坏信号去噪方法。经典的 f a s t i c a 算法用代价函数来近似估计变量的非高斯性，只有当代价函数与变量概 率密度函数的对数成比例时，才能取得较好效果，但是实际工程信号的概率密度 函数通常难以确定，因此f a s t i c a 对其的分解效果并不理想。本文通过采用经验 特征函数来度量信号非高斯性的方法，改进了f a s t i c a 算法，其能有效的对不同 概率密度函数信号进行分解，克服f a s t l c a 算法的不足。通过仿真及实验分析， 证明了该算法的有效性。 ( 3 ) 开发了基于图形化编程环境l a b v i e w 的监测系统上位机软件。监测系统 上位机软件即上层管理单元，是系统实现各项功能的一个终端平台，用户通过它 可以管理系统的硬软件资源，并完成系统的监测定位功能。其主要内容包括；友 好的人机交互界面、数据采集与处理、网络通讯、数据预处理、报警定位等。 l a b v i e w 可变性、多层性、自助性的面板以及强大的信号分析处理能力，增强了 系统的灵活性和扩展性。 浙江大学硕士学位论文 关键词：管道破坏，独立分量分析，去嗓，虚拟仪器，l a b v i e w 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ni so n eo ft h ef i v em a i nt r a n s p o r t a t i o nw a y sa n di tp l a y sa m a j o rr o l ei nc i v i lw a t e rs u p p l ys y s t e m a sw a t e rr e s o u r c ed e c r e a s i n gd a yb yd a y , t h e q u a l i t yo fw a t e rs u p p l yp i p e l i n e sb e c o m e sa l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti s s u e h o w e v e r , p i p e l i n ea c c i d e n t sh a v ef r e q u e n t l yo c c u r r e do v e rt h ey e a r s ，e s p e c i a l l yt h em o r e s e r i o u s l yi n t e n d e dm a n g l ew h i c hh a sc a b s p 证h u g ew a s t eo f t h ew a t e r e s o u r c e t h u sa d e v i c ei sn e e d e du r g e n t l yw h i c hc a nn o to n l ym o n i t o rt h em a n g l eo ft h ep i p e l i n e ，b u t a l s ol o c a t et h ew a t e rl e a kp o i n t si np i p e l i n e s e x t e n s i v e l yc o n s u l t i n gt h er e l a t e dr e f e r e n c e si n l a n da n d0 v e i 溉i si n t h er e a lt i m e d e t e c t i o no f t h ew a t e rl e a k a g eo f b u r i e dp i p e l i n e s ，t h es y s t e mb r i n g sf o r w a r da c o u s t i c e m i s s i o nm e a s u r e m e n td e t e c t i n gt h em a n g l es i g n a i i no r d e rt oa c h i e v et h ea c c u r a c y r e q u i r e m e n t , w r i t e rh a sc a r r i e do nt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dm a t c h i n ga n dc o r r e l a t e d d e b u g g i n go ft h ei m p o r t a n ti n s t r u m e n t a t i o n s , a n dt h e nd e s i g nap i p e l i n ed e t e c t i o n s y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y u n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n sw e s i m u l a t e st h en o r m a lc i r c u l a t ea n do c c u r r e n c eb r e a k so f t h ep i p e l i n e ，t h e nm o n i t o rt h e d a m a g ea c t i v i t i e so f p i p e l i n ea n dl o c a t et h el e a kp o i n t s t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i v em e t h o d sa l el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s i g nam o n i t o r i n gs y s t e mo f m a n g l ea c t i v i t i e so f b u r i e dp i p e l i n e sb a s e do n v i r t u a li n s t r u m a n tt e c h n o l o g y b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t h em a n g l ep i p e l i n e sd e t e c t i o n a n dr e l a t e ds i g n a lp r o c e s st h e o r i e s ，w ee h o i s ea c o u s t i cs i g n a l sa sr e s e a r c ho b j e c t ， d e c r e a s et h es n rb yam o d i f i e dd e n o i s i n ga l g o r i t h m , t h e nm o n i t o ra n dl o c a t et h e p i p e l i n eb r e a k s f i n a l l y , w ed os o m ee x p e r i m e n t si nd i f f e r e n td a m a g es i t u a t i o na n d c a r r yo nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nf o rt h et e s tr e s u l t s ( 2 ) am e t h o db a s e do ni n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ( i c a ) t od e n o i s et h e l e a ks i g n a l so f p i p e l i n ei sp r e s e n t e dt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo f l e a ks i g n a l st h a t t h e y 撇a l w a y sv e r yw e a ka n ds t r o n g l ya f f e c t e db yt h eb a c k g r o u n dn o i s e s m o d i f i e d t h ef a s t i c a a l g o r i t h mb yan o n - g a u s s i a n i t ym e a s u r eb a s e do nc h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n , a n dt h e np r o p o s e da s i g n a l - n o i s ea n a l y s i sm e t h o db a s eo nm o d i f i e da l g o r i t h m , w h i c h c 觚b ea p p l i e dt od e n o i s et h el e a ks i g n a lo fp i p e l i n ee f f e c t i v e l y s i m u l a t i o na n d i l l 浙江大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h ed e n o i s i n gm e t h o db a s e do ni c ac a l lg e th i g h e r s i g n a l n o i s er a t e ( s n r ) a n db e t t e rc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tb yc o m p a r i n gw i t hw a v e l e t d e n o i s i n gm e t h o d ，t h u si m p r o v e dt h ep r e c i s i o no f w a t e rp i p el e a kl o c a t i o n ( 3 ) d e s i g na n dd e v e l o pt h es o f t w a r ep a r to ft h em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n g r a p h i cp r o g r a mt o o ll a b v i e w t h ep r o c e s so ft h ed e s i g n i n gt h ei n t e r f a c eb e c o m e s s i m p l e ro w i n gt ot h ev i r t u a li n s t r u m e n tw h i c hr e s o r t st ot h ea d v a n t a g eo fl a b v i e w , i n c l u d i n gl o t so fr e a d ys i g n a lp r o c e s sm o d u l e s ，s u c ha sd a qm o d u l e s ，s i g n a i d e n o i s i n gm o d u l e ，l e a kl o c a t i o nm o d u l ea n ds oo i l k e y w o r d s ：m a n g l eo ft h ep i p e l i n e s ；d e n o i s e ；i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ； v i r t u a li n s t r u m e n t s ；l a b v i e w 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的意义和背景 众所周知，我国是一个人口大国，水资源十分紧张。我国现已被世界列为 1 3 个贫水国之一，人均拥有水量相当于世界人均量的1 4 。根据水利部( 2 1 世纪 中国水供求分析，2 0 1 0 年我国工业、农业、生活及生态环境总需水量在中等 干旱年为6 9 8 8 亿立方米，供水总量6 6 7 0 亿立方米，缺水3 1 8 亿立方米【l j 。这表 明，2 0 1 0 年后我国将开始进入严重的缺水期。而管道运输是与铁路，公路，航 空，水运并驾齐驱的五大运输工具之一，在和我们日常生活密切相关的城市供水 系统中发挥着重要的作用。 据建设部提供的资料表明，通过对4 0 8 个城市的调查统计，我国城市供水管 网漏损率平均达2 1 5 ，北方一些缺水城市的供水管网漏损率甚至高达4 0 左 右，远远高于1 2 的国家考核标准。而发达国家由于经济实力、重视程度和技术 水平等方面的优势，管网漏损率远远低于我们。如美国的漏损率为8 ，日本漏 损率为1 0 ，法国漏损率为9 5 ，德国漏损率为4 9 等e e l 。同时，由于管道超 期服役、腐蚀老化等，国内供水管道网漏损率有逐年增加的趋势。因此经济、有 效地控制供水管漏损始终是关系企业效益、国内民生的重要问题。 引起管道漏水普遍的原因有：土壤松动、管道老化、腐蚀、水压变动和水锤 的冲击，路面震动和受压，建筑和地面工程的人为破坏，管道施工质量问题特别 是接头处的质量问题，管材本身的质量问题，温度变化和冻裂等因素。 而从近几年来所统计的各种管道事故来看，人为破坏所占的比重越来越高， 施工建设中的无序，野蛮挖掘；随意钻孔套接支管等行为已经严重影响了城市供 水系统的管道安全，造成了可利用水资源的极大浪费，甚至常常给人们的日常生 活和工作带来不便。水管道破坏的主要表现形式有挖掘，切割钻孔，冲击等 【2 】。而我国广泛使用的管道检测的方法仍然是人工巡查和依靠听音辨漏，这些方 法缺点很明显：一方面不可靠，因为对埋在地下数米的管道，特别是较小的泄漏， 人耳是很难分辨的；另一方面，耗费人力，只能间歇巡查，根本不能做到实时监 测。因此，迫切需要一个可以有效监测水管道破坏活动并且进行破坏点定位的装 浙江大学硕士学位论文 置，这就是管道破坏监测系统设计和开发的初衷。 1 2 管道检漏技术发展和检漏方法介绍 对管道泄漏检测方法的研究己有几十年的历史，但由于检测的复杂性，如管 道介质的多样性，管道所处地段( 如地上、管沟、埋地、海底) 的多样性，以及泄 漏形式的多样性( 渗漏、穿孔、断裂等) ，使得目前还没有一种简单可靠、通用的 方法解决管道泄漏检测问题。 国外一些较发达国家从7 0 年代末已经开始对管道泄漏故障进行了研究，8 0 年代末进入较实用的商品阶段。目前，国外的运输管道实时监测技术已趋成熟。 德国学者r i s e r m a n n 3 和h s i e b e r t ( 1 9 7 6 ，1 9 7 7 年) 经过多年研究，提出将输 入输出的流量和压力信号经过处理后进行互相关分析定位的泄漏检测方法。该方 法能够有效地检测出较小的泄漏，提高了检测的灵敏度和准确度。并在实际应用 中取得了较为满意的结果，对以后的研究具有较大的启发意义，但这种方法计算 量较大，检测的实时性较差。 为了能够使泄漏信息不致随时间而消失，并能够检测出工作条件差异很大的 管道泄漏，l b i l l m a n 和r i s e r m a n n ( 1 9 8 7 年) 提出采用非线性模型的非线性状态 观测器的方法，a b e n k h e r o u f ( 1 9 8 8 年) 提出卡尔曼滤波器方法【4 】，这类方法能够 跟踪管道故障的变化，对管道中间状态也可以有效估计。 荷兰壳牌( s h e l l ) 公司的x j z h a n g ( 1 9 9 3 年) 提出了一种气体和液体管道的统 计检漏法嘲。它通过对管道发生泄漏时产生的压力和流量间的变化关系进行分 析，采用序贯概率比检验( s p r t ) 和模式识别的方法，构造两种模态的假设检验， 通过统计分析技术对实测的压力、流量间的这种关系进行分析，以此来检测泄漏， 并采用最小二乘法对泄漏进行定位。该方法具有记忆功能，适应性强，误报率低， 且安装方便，简单易于维护，缺点是检漏精度受仪表精度影响大，定位精度欠佳。 相比子时域分析，w i t n e s s ( 2 0 0 1 年) 提出了采用频域分析的频域响应法嘲，其 基本思想是将管道系统的模型转换到频域进行泄漏检测和定位分析。通过对单一 管道系统的单点及多点泄漏、串联管道、并联管道、分支管道等不同类型的管道 系统的仿真实验，证明了该方法的广泛适用性。该方法相比于时域分析，具有节 约计算时间，提高检测速度的优点，但其仍然依赖于模型的精度。 2 浙江大学硕士学位论文 由于在由时域向频域转换的过程中一些有用的信息会丢失，为避免这一缺 陷，m a r c of e r r a n t e ( 2 0 0 3 ) 提出了采用小波分析的方法【7 j ，利用小波技术对管道的 压力信号进行奇异性分析，由此来检测泄漏。 随着我国管道运输业的发展，管道泄漏的检测与定位已成为一个日益紧迫的 问题。八十年代以来，我国的一些科研院所和高校在应力波法、负压波法、管道 实时模型法等方面进行了卓有成效的研究。 文献 8 ( 1 9 8 8 年) 研究了基于状态估计的观测器的方法，并对开环观测和闭环 观测方法进行了探讨，实验在常温水管道上进行了仿真模拟。 文献1 9 】( 1 9 8 9 年) 提出了一种基于k u l l b a e k 信息测度的管线泄漏检测方法， 并在一条长1 2 0 m 、内径1 0 m m 的液体管线上进行了实验。这种方法需要测量两 个端点附近的四个压力信号，通过分析两端的压力梯度所构成的时间序列特点， 从而检测泄漏。该方法的优点是不需要测量流量。 文献 1 0 】( 1 9 9 2 年) 提出了负压波法用于管道的泄漏检测。该方法原理简单， 无需建立管线的数学模型，适用性很强。但它要求泄漏的发生是快速的突发性的， 对微小的缓变泄漏还需采取其它的辅助措施。 针对负压波法自身所存在的一些问题，天津大学一科研小组分别采用模式识 别、小波分析等技术对此进行了很大程度的改进( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 年1 。 文献 1 1 】( 2 0 0 2 年) 介绍了清华大学利用负压波方法，采用先进的基于小波的 算法对输油管线进行泄漏检测和定位的技术，自2 0 0 1 年4 月至今，在胜利油田 “孤岛一永安”和“孤岛一集贤”管线上得到了应用，并取得了良好的效果。 文献 1 2 ( 2 0 0 4 年) 提出针对海底管道泄漏监铡问题，基于信号检测原理分析 了受噪声干扰的流量差观测序列。引入了新息理论和自适应滤波算法，建立了以 泄漏信号的幅值为随机参量的二元复合假设检验模型，提出了具有一致最大功效 的序列似然比检验方法，并进行了平稳观测序列强泄漏信号和非平稳观测序列弱 泄漏信号的检测。 鉴于对管道破坏泄漏检测的重视，中国石油股份公司予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和泄漏检测技术成 果交流大会，这些成果同样对水管道破坏的监测有很大的借鉴作用。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 、 浙江大学硕士学位论文 s h e l l 石油公司、澳大利亚的f u t u r ef i b r et 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 yi n s t i t u t e ( g t i ) 等，其中采用负压波法占2 5 ，声检测方法有 1 5 ，质量流量平衡1 0 n , 6 等。但能对管道破坏信号进行有效监测的目前只有光纤 法和声信号检测法1 3 1 。 光纤传感技术( f i b r eo p t i ct e c h n o l o g y ) 是刚刚应用于管道破坏预警方面 的新技术【，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。由于该项技术中的某些环节被技术垄断，且 价格昂贵，故短期内很难在国内得到真正的广泛应用。 对于水管道破裂泄漏以及人为破坏等方面，本课题用基于声发射检测的互 相关分析方法，关于声发射技术的发展及其在管道破坏检测中的应用将在第二章 具体介绍。 1 3 论文的目的和主要内容 本文从研究构建完整管道破坏监测系统的目的出发，利用独立分量分析等理 论对信号进行去噪，提高信噪比；再基于虚拟仪器技术构建监测系统，充分利用 虚拟仪器技术开发周期短、成本低、维护方便，易于新理论、新算法和新技术的 应用等特点，使系统具有很好的灵活性和扩展性，最后通过大量实验分析验证了 监测系统的成功开发。尽管一些地方还存在有待完善的地方，但从设计和开发的 过程来看，还是有不少收获，具体如下： ( 1 ) 采用虚拟仪器技术，设计构建了一套基于声信号检测的管道破坏监测系统。 根据管道破坏检测原理和相关信号处理理论，选择管道发生破坏时产生的声发射 信号为研究对象，通过对传感器拾取的信号进行相关分析来实现管道的实时监测 与破坏点的定位，并在不同的管道破坏情况下( 破坏类型和破坏点位置不同) 对 监测系统进行了实验分析。 ( 2 ) 提出一种新的基于独立分量分析的管道破坏信号去噪方法。经典的f a s t i c a 算法用代价函数来近似估计变量的非高斯性，只有当代价函数与变量概率密度函 数的对数成比例时，才能取得较好效果，但是实际工程信号的概率密度函数通常 难以确定，因此f a s t i c a 对其的分解效果并不理想。本文通过采用经验特征函数 来度量信号非高斯性的方法，改进了f a s t i c a 算法，能有效的对不同概率密度函 4 浙江大学硕士学位论文 数信号进行分解，克服f a s t l c a 算法的不足。通过仿真及实验分析，证明了该算 法的有效性。 ( 3 ) 开发了基于图形化编程环境l a b v i e w 的监测系统软件，包括人机友好交互界 面、信号预处理程序、相关函数求解及破坏点定位程序等。 本文的主要内容安排如下： 第一章绪论，首先介绍了本课题研究的背景及积极意义，然后介绍了管道泄 漏检测技术的发展历程，国内外在管道泄漏检测所采用的主要方法。最后简要介 绍了本文的主要研究工作和构想。 第二章文献综述，通过查阅大量近期国内外相关文献，介绍了目前管道检测 技术的现状；接着介绍了本课题采用的声发射检测技术的研究进展，以及声发射 技术在管道泄漏检测上的应用；最后对管道泄漏检测的前景和发展趋势进行了阐 述。 第三章详细介绍了本课题的管道破坏检测原理，即基于声检测技术的互相关 定位方法。然后给出了管道破坏监测系统的总体设计，并进行了系统的硬件选型 以及软件环境选择。 第四章介绍了独立分量分析的概念、理论基础和典型算法。实际采集到的管 道破坏信号比较微弱且常含有强背景噪声，而且其概率密度难以估计，针对这一 问题，本文提出了基于独立分量分析的管道破坏信号去噪方法，并采用经验特征 函数的非高斯度量对f a s t l c a 算法进行改进，对破坏信号做去噪分析，并进行了 仿真和实例研究。 第五章介绍了虚拟仪器技术的概念，并基于虚拟仪器开发平台l a b v i e w 详 细描述了监测系统软件设计的具体过程。包括设计构建了基于n l 采集板卡的数 据采集环节，编写了友好人机交互界面，信号预处理模块、破坏点监测定位模块 等等。 第六章首先进行了监测系统测试，验证了互相关算法程序和声学传感器特 性；然后将系统应用于实际管道破坏检测，分别进行了放空管道破坏检测、输水 管道泄漏检测、输水管道破坏监测定位三组实验，并对实验结果做了细致分析。 第七章对本文的工作做了一个简单的总结，并对后续的工作提出了展望。 5 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 管道破坏泄漏检测技术现状 2 1 1 管道泄漏检测技术进展 发达国家非常重视管道的安全运行，管道实时监控技术目前在国外已比较成 熟。譬如壳牌公司( ( s h e l l ) 在2 0 世纪9 0 年代中期提出了使用序列概率比试验 ( ( s p r t ) 方法进行泄漏定位，美国d e t 既公司近年开发出来监测流量的 s e r i e s 2 0 0 0 长输管道泄漏监控系统。 国外泄漏检测和定位技术的最高水平以美国声学系统集成公司( a c o u s t i c s y s t e m si n c o r p o r a t e da s i ) 的产品波敏系统( w a v ea l e r ts y s t e m ) 为代表。美国 声学系统集成公司致力于管道监控和泄漏定位技术的研究已经二十多年，成为名 副其实的声学泄漏定位检测技术在管道领域应用的先驱。自从1 9 8 4 年，该公司 的声学泄漏检测系统( a c o u s t i cl e a kd e t e c t i o ns y s t e m sa l d s ) 已在包括煤气、 液体、多相流体等多个应用领域在世界范围内得到广泛的应用。 国内管道检测技术最早从输油管道泄漏监测开始研究，由于国内管道输油历 史仅4 0 多年，检漏技术研究在九十年代刚起步。国内输油管道实时监钡9 技术目 前总体上处于引进吸收、研制开发的阶段。就国内己有的技术能力，可以在一定 程度上解决管道的实时监视和泄漏报警问题。 在监测对象上，国内的管道破坏检测关注的主要还是输油和输气管道的破坏 泄漏监控研究，如天津大学、清华大学和石油大学都对油管的泄漏作了一些研究， 而水管的泄漏检测还比较少。国外对水管的研究主要也集中在泄漏信号的传播机 理等理论方面如c r f u l l e r 1 5 】，j m m u g g l e t o n 1 6 】和r l o n g ，只有0 h u n a i d 1 羽 对水管的泄漏作了大量的实验，得出了一些结论，但是其处理信号的方法只是局 限于傅立叶分析，未能对水管的泄漏信号作更进一步的分析。所以水管的泄漏信 号还需要在信号处理上作更深层次的分析，得出更多的结论。但是就检测原理上 来讲，输油和输气管道与埋地水管泄漏检测上还是有很多的相似之处，不少地方 可以借鉴研究分析。 6 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 管道泄漏检测技术分类 由于管道泄漏检测与定位技术是多学科知识的综合，其检测手段差别很大， 现有的管道泄漏检测与定位的方法很多，其分类方法也很多，到目前为止，还没 有一个统一的分类方法。根据近十几年来国内外相关资料，比较公认的分类方法 大致有四类： 1 ) 根据检测过程中所使用的测量手段不同，分为基于硬件和软件的方法【1 9 1 。 基于硬件的方法利用由各种不同的物理原理设计的硬件装置，如基于视觉的红外 线温度传感器，基于听觉的超声波传感器，基于嗅觉的碳氧检测装置等，将其携 带或铺设在管道线上，以此来检测管道的泄漏并定位；基于软件的方法则是根据 计算机数据采集系统( 如s c a d a 系统) 实时采集管道的流量、压力、温度及其它 数据，利用流量或压力的变化、物料或动量平衡，系统动态模型、压力梯度等原 理，通过软计对泄漏进行检测和定位。 2 ) 根据测量分析的媒介不同可分为直接检测法与间接检测法t 2 0 l 。直接检测法 是指直接用测量装置对管线周围的介质进行测量，判断有无泄漏产生；间接检测 法是指根据泄漏引起的管道流量、压力等参数及声、光、电等方面变化间接进行 泄漏检测。 3 ) 根据检测过程中检测装置所处位置不同可分为内部检测法与外部检测法 j 0 内部检测法是指将检测装置置于管道内部，流动或固定，通过测量管道的内 部状况进行泄漏的检测；外部检测法是指在管道外通过铺设敏感介质或安装传感 器等各种方法所进行的泄漏检测。 4 ) 根据检测对象的不同可分为检测管壁状况和检测内部流体状态的方法嘲。 管壁状况检测法是指直接用各种装置检测管壁是否有破损，以此进行泄漏检测与 定位；内部流体状况检测法是指将实时采集到的管线流体的压力、流量等信号进 行分析处理，从而确定是否有泄漏发生并定位。 2 2 管道泄漏声发射检测技术 尽管常规无损检测方法对管道检测具有一定优势，但其不能广泛应用于成千 上万公里的管道检测渊。声发射技术是2 0 世纪5 0 年代后迅速发展起来的一种新 7 浙江大学硕士学位论文 型无损检测方法，与超声及涡流等方法相比，声发射具有能动态监铡且覆盖面广 的优势。据报道1 ，若能将声发射技术推广应用于管道泄漏检测，可将年平均 1 0 0 0 m 3 k m 的泄漏量减小到5 0 0 m 3 k m 。声发射技术是一种可能的、有效的管道破 坏泄漏检测方法。 材料受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象 称为声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 嘲。各种材料声发射的频率范围很 宽，从次声频、声频到超声频。声信号检测法就是随着a e 技术的发展而逐步应 用于输送管道的检测领域。a e 现象主要是弹性体内动态干扰产生的纵波和横波， 它被广泛的应用在容器输送管道海洋石油平台等的检测和结构完整性的评 价，其优点主要表现为： ( 1 ) 声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是如超声或射线探伤方 法一样由无损检测仪器提供，它是一种动态检验方法； ( 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，但是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； a e 技术的以上优点使其在水管道的破裂，泄漏以及人为破坏等方面的检测 成为可能。声信号检测除了声发射检测一个分支之外，还包括超声检测这方面的 内容。超声检测主要用于两大领域，一是利用它的能量来改变被测物体的某些状 态，如材料加工、焊接等；二是利用它的特性来采集信息，特别是材料内部的信 息，它能穿透任何材料，如超声探伤、超声诊断等。 下面介绍声发射技术在管道泄漏破坏上的应用： 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，这标志a e 技术进入了应用阶段，到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，使声发射技术开始进入一个新的发展阶段，声 发射技术也因此逐渐应用到油气水等输送管线的检测上，其基本原理是当管内液 体从裂缝泄漏时，由于管内外的压力差，使得泄漏的液体通过漏点或裂缝到达管 外时会产生涡流，涡流产生振荡变化的压力或声波，声波可传播扩散到泄漏点， 并在管道内建立声场，同时将泄漏时产生的噪声作为声源。通过设置好的传感器 8 浙江大学硕士学位论文 拾取声波，进行处理确定是否发生泄漏。如自来水管道破损的检测等，管道上的 破坏活动( 冲击、挖掘、钻孔等) 的信号往往比泄漏信号会更强烈，会更易检测到。 美国能源部的j m r a j t a r ( 1 9 9 4 ) 等将声发射技术用到输送管道中石油泄漏 喷射的被动检测方面，在埋地管道上试图建立声发射信号和管道压力、泄漏流量 和距离之间的函数关系嘲。 r k m i i l e t ( 1 9 9 9 ) 用声发射技术对管道的泄漏状况进行测试，分析了天然气 管道中气体在不同的压力下喷射的情况馏刀。虽然测试传感间距只有2 5 英尺，但 实验结果对于气体压力管道中泄漏源的分辨是有指导作用的，所制定的相关的测 试参考标准为以后的发展应用指明了方向。 m f a n t o z z i ( 2 0 0 0 ) 将声发射技术大规模用于意大利城市地下自来水管道的 泄漏检测，先后在4 8 2 0 k m 铸铁管道上做过测试，总共检测到3 4 5 0 漏点，3 3 1 2 ( 9 6 ) 漏点位置非常准确，1 7 4 处漏点的检测位置误差超过4 m ，误差主要是由于传感器 的间距不确定所引起的，总的来说取得了比较好的效果汹。 q i n g - q i n gn i ( 2 0 0 2 ) 等将小波变换应用到复合材料的断裂检测，分析光纤断 裂声发射信号的衰减特性及系列断裂模态和声发射事件的对应关系，并讨论了 其频率特性。耿荣生( 2 0 0 2 ) 等在不同管径的埋地管道上进行了泄漏模拟实验，分 析埋地管道和地表管道产生a e 信号传播的特性，以及防腐涂层和土壤对信号传 播的影响。引入了小波分析和a r 谱分析法对信号进行了分频和消噪，取得了比 f f t 更好的效果删。 而利用声学技术检测运输管线泄漏监测的早期工作是美国b a t t e l l e 研究所 从1 9 9 1 年开始的，它在能源部的资助下做了大量的开拓性工作。接着英国天然 气公司( b r i t i s hg a s ) 开始在工业管道上利用管壁作为声信号传播介质来接收信 号来进行实验，接收器是嵌入在管壁上的。日本天然气公司( t o k y og a s ) 则将传 感器伸入到管道中，利用输送介质作为信号的传播介质来进行接收信号， b a t t e l l e 研究所将传感器置于管道外壁接收传播来的声信号。b a t t e l l e 宣称能 检测到距离3 英里外的管道附近挖掘机作业活动所产生的信号。此外国际上许多 结构也在开展相关的研究工作，如捷克的e t o sa c o u s t i c s 公司。 h v f u c h s ( 1 9 9 1 ) 等致力于用声信号检测法来监测城市地下水管道的泄漏、 断裂和t p d 破坏活动，当时主要采用f f t 和相关分析处理信号，并开始在硬件设 9 浙江大学硕士学位论文 计中引入数字滤波器进行去噪。 美国g t i 的r b f r a n c i n i ( 2 0 0 3 ) 等对管线的泄漏实时监测对进行了全面的 阐述，声信号检测法由于性价比较高，且易于现场安装应用，被视为以后管道泄 漏监测发展的重点。”。 针对强背景噪声下的泄漏信号提取，金涛等应用独立分量分析方法对海底管 道缺陷漏磁法检测中电磁干扰的消除进行了研究，阐述了漏磁检测和负熵法i c a 快速算法的原理，应用相应的分析工具研究了实验数据啪1 。 2 3 管道泄漏信号检测前景和发展趋势 随着管道工业的发展，研制和开发新型高效的管道事故检测系统可提高事故 检测的灵敏度以及定位的精确度和可靠性，管道破坏检测有如下发展趋势嘲： 1 ) 应用以软件为主，硬件为辅的方法进行输气管道事故检测。近年来，计算 机技术、控制理论、信号处理、模式识别、人工智能等学科的发展促进了以软件 为主的输气管线实时事故检测技术的发展，这种方法能实现实时在线监测，及时 给出报警信号，因此这方面的检测技术仍将是研究的热点和趋势。 2 ) s c a i ) a 系统的应用。s c a d a 系统不仅能为检测系统提供数据，而且能对管 道的运行状况进行监控，是管道自动化的发展方向。单一的事故检测系统并不经 济，因此将它集成到s c a d a 系统中，充分利用s c a d a 系统的功能，并成为s c a i ) a 系统中不可缺少的一部分。 3 ) 管线在实际运行中，其信号混杂大量的噪声( 主要来自仪器仪表的测量噪 声和输送过程中的随机噪声以及外界干扰) 。噪声和干扰信号的幅度甚至可以将 泄漏引发的有用信号淹没，因此有效的滤波技术也是管道事故检测和定位方法研 究的重要内容。 4 ) 光纤传感器是也近年来发展的一个热点，它在实现物理测量的同时可以实 现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性，并且具有传统 传感器无法比拟的优势。此外，随着各种分布式光纤传感器的发展，未来可以实 现利用一根或几根光纤对油气管线内介质的温度、压力、流量、管壁应力进行分 布式在线测量，这在管道监控系统中将具有应用潜力。因此，将分布式的光纤传 感器应用于管道检测有着良好的前景。 l o 浙江大学硕士学位论文 5 ) 在长距离输气管线的故障诊断中，将不同的智能技术结合起来的混合诊断 系统是管道故障诊断研究的个重要发展趋势。 2 4 本章小结 本章通过查阅大量国内外近期相关文献，首先介绍了管道泄漏检测方法的现 状包括管道泄漏检测方法的常用分类方法和目前研究进展；接着介绍了声发射检 测方法发展、现状及其在管道泄漏检测中的应用；最后对管道泄漏信号检测技术 现状和发展趋势作了阐述。 浙江大学硕士学位论文 第三章管道破坏检测原理与监测系统结构设计 3 1 管道破坏检测原理 当材料或结构受力作用时产生变形或断裂，会以弹性波的形式沿管壁传输。 由于粒子之间会产生相互作用，那么弹性介质中如果某粒子产生振动，此时振动 就会以一定的速度从一个粒子传到下一个粒子。这样的振动在传播的过程中形成 波，按照其振动的方向可以将振动形成的波划分为纵波和横波。所谓的纵波就是 其介质粒子沿波的传播方向振动，横波就是其介质粒子沿垂直于波的方向振动。 通常液体和气体的介质只产生纵波，但是在固体的介质中既能产生纵波又能产生 横波。当水管发生破坏时，能量以弹性波的形式沿管壁传输，其中既有纵波，又 包含横波，这样就可以将声传感器安装在水管的两侧拾取该信号。 实际上波沿管道传播方式非常复杂，而且在传播的过程中遇到不同介质的界 面时会产生反射和折射，还可能在传播的过程中能量被周围的介质吸收。但是实 际水管破坏信号处于低频段( 1 0 0 0h z 以下) ，并以此为据可以从对s l 波( 流体波， f l u i d - b o r n ew a v e ) 的分析中推出破坏信号在低频下沿管道传输的衰减特性，能够 说明基于声信号对水管破坏检测是十分有效的【3 4 】，这为传感器采集长管道破坏信 号提供了理论依据。 3 1 1 相关分析 在测试技术领域中，无论是分析两个随机变量之间的关系，还是分析两个信 号或一个信号在一定时移前后之间的关系，都需要应用相关分析，相关分析技术 被广泛应用于信号分析和工程测试中 相关系数是描述两信号线性相关程度的参数。信号x ( t ) 和y ( t ) 的相关系数p 0 定义为【i 耐： 几：坠丝丛芝趔 ( 3 1 ) o p 9 式中，e - - 数学期望；以f f ie ( x ) ；u y = e ( 力；q ，巳一x ( f ) ，j ，o ) 的标准差。利用柯 西许瓦兹不等式： 1 2 浙江大学硕士学位论文 e ( z 一声) ( y 一卢，) 】2s e 取工一，) 2 】e 【( j ，一，) 2 】 ( 3 2 ) 故知i p 匆i s l 。它的绝对值愈接近于1 ，x 和y 的线性相关性愈好。p 。的正负号 则是表示一变量随另一变量增加的变化。当p 0 接近于零，则可认为两变量之间 完全无关，但仍可能存在着某种非线性的相关关系甚至函数关系，相关系数户0 只 是描述两信号线性相关程度的参数。 相关分析包括自相关和互相关分析，本课题主要涉及的是互相关分析，即当 x o ) 与y ( f ) 不同时，则称户0 为互相关系数。互相关函数描述了信号x ( t ) 与y ( t + t ) 的波形相似程度，互相关波形峰值处的zo 值反映了x ( o 与y ( t + t ) 的波形在此处 最为相似。若x ( c ) 与y ( t ) 是对同一信号不同时间或不同地点的测试结果，则可以 认为。o 为两测试信号的滞后时间，这为管道破坏定位中的渡越时间求取提供了 途径。 3 1 2 管道破坏定位原理 当管道发生破坏时，破坏点便形成声源向两边发射出去，此声波一方面是通 过液体传播，另一方面通过管道传播。信号被贴附在管道壁的声学水声探头捕捉， 分别得到两个特性相同而传递时间不同的信号，通过对这两个信号进行相关函数 计算，就可以确定其峰值所对应的渡越时间进而实现对管道破坏点的精确定位。 所谓渡越时间就是互相关函数( ) 最大值所对应的时间7o ，也就是两个信号 的滞后时间。传感器安装示意图如下所示； x l ( t ) ，2 c 0 黝y , 4上v 2 | 。j 力彬， 。n - 管道 图3 1 传感器安装示意图 求取x l ( 1 ) 和x 2 ( t ) 的互相关函数，得到峰值对应时间7o ，其它参数见图3 2 所 浙江大学硕士学位论文 图3 2 破损处的位置确定 示，则可以确定破损处的具体位置： s = r o y o 2 ( 3 - 3 ) 而s 一破损处距两传感器位置中点的距离；瑚一波传播速度；功一渡越时阄。则 由此可以推出破坏点距传感器的距离为： j = ( 上一v o r o ) ( 3 - 4 ) 式中s 一传感器1 至破坏点的距离；三一两传感器的距离； 破坏信号沿管道传播速度经验公式为： 铲率b2a(1-v2)-2 仔5 其中v l 为纵向波速度，b 为体模量，e 和v