基于音波法的输气管道泄漏检测及定位试验研究

1、基于音波法的输气管道泄漏检测及定位试验研究 作者：作者： 王武昌王武昌 单位：单位： 中国石油大学（华东）中国石油大学（华东） 20092009年年1010月月目录n引言引言n基于音波法的泄漏检测及定位基于音波法的泄漏检测及定位n音波法泄漏检测的基本原理音波法泄漏检测的基本原理n泄漏定位方法泄漏定位方法n基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验n试验装置试验装置n泄漏检测试验及结果分析泄漏检测试验及结果分析n泄漏定位试验及结果分析泄漏定位试验及结果分析n结论结论 随着国内天然气管道的迅速发展，管道泄漏时有发生，随着国内天然气管道的迅速发展，管道泄漏时有发生，不仅带来巨大的经

2、济损失和环境污染，还可能带来重大的伤不仅带来巨大的经济损失和环境污染，还可能带来重大的伤亡事故，因此，泄漏检测作为保障管道安全，减小事故危害亡事故，因此，泄漏检测作为保障管道安全，减小事故危害的重要手段，越来越受到广泛关注和重视。的重要手段，越来越受到广泛关注和重视。 目前，天然气管道泄漏检测方法很多，如下所示：目前，天然气管道泄漏检测方法很多，如下所示：引言引言引言引言检测方法检测方法灵敏度灵敏度定位精度定位精度检测时间检测时间误报率误报率实用性实用性可靠性可靠性性价比性价比管内智能爬机管内智能爬机高高高高较长较长较低较低较差较差较高较高中等中等质量或体积平衡法质量或体积平衡法差差差差较短较

3、短最高最高较差较差较差较差低低气体成像气体成像高高中等中等较长较长高高较差较差中等中等低低探地雷达探地雷达高高高高短短高高较差较差中等中等低低压力梯度法压力梯度法较高较高中等中等较短较短中等中等中等中等中等中等中等中等负压波法负压波法较高较高较高较高较短较短高高较差较差较差较差中等中等基于神经网络方法基于神经网络方法高高高高中等中等中等中等中等中等较差较差低低统计决策法统计决策法较高较高较高较高中等中等低低中等中等中等中等中等中等瞬态模型法瞬态模型法较高较高较高较高长长中等中等较好较好较高较高中等中等光纤传感技术光纤传感技术较高较高高高较短较短中等中等较好较好较高较高中等中等音波检测法音波检测

4、法高高高高很短很短低低较好较好较高较高中等中等引言引言 由上表可以看出，音波法泄漏检测技术具有反应时间由上表可以看出，音波法泄漏检测技术具有反应时间快、定位精度高、误报率低、灵敏度高等诸多优点快、定位精度高、误报率低、灵敏度高等诸多优点 ，是，是很有发展潜力的一种检测技术很有发展潜力的一种检测技术 。基于音波法的泄漏检测及定位基于音波法的泄漏检测及定位1.音波法泄漏检测的基本原理音波法泄漏检测的基本原理 当管道发生破裂时，管道内输送介质与管壁摩擦产生音当管道发生破裂时，管道内输送介质与管壁摩擦产生音波震荡，音波沿着管道内流体向管道上下游高速传播，安装波震荡，音波沿着管道内流体向管道上下游高速传

5、播，安装在管段两端的音波传感器监听并捕捉音波波形，通过与计算在管段两端的音波传感器监听并捕捉音波波形，通过与计算机数据库中的模型比较来确定管道是否发生了泄漏及泄漏量机数据库中的模型比较来确定管道是否发生了泄漏及泄漏量的大小。的大小。基于音波法的泄漏检测及定位基于音波法的泄漏检测及定位音波法泄漏检测及定位示意图音波法泄漏检测及定位示意图基于音波法的泄漏检测及定位基于音波法的泄漏检测及定位2.泄漏定位方法泄漏定位方法 音波信号从泄漏点向两端传播，根据到达管道两端音波信号从泄漏点向两端传播，根据到达管道两端的时间差和音波传播的速度就可以确定泄漏点的位置的时间差和音波传播的速度就可以确定泄漏点的位置

6、。定位公式如下：定位公式如下：2Lv tx 基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验1.试验装置试验装置 目前，目前，国内外对输气管道泄漏工况的研究大多是在低国内外对输气管道泄漏工况的研究大多是在低压下进行的，压下进行的， 由于不同压力等级的管线发生泄漏，由于不同压力等级的管线发生泄漏，管线管线中气体中气体的各种流动参数的各种流动参数 是有很大区别的，是有很大区别的，为了使试验工为了使试验工况更进一步接近现场的泄漏工况况更进一步接近现场的泄漏工况 ，在在实验室实验室内建立起一内建立起一套高压输气管道泄漏检测装置套高压输气管道泄漏检测装置。 基于音波法的泄漏检测及定位试验基于

7、音波法的泄漏检测及定位试验输气管线泄漏检测装置流程图输气管线泄漏检测装置流程图 基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验 经过经过PIPEPHASE和和HYSYS等软件对各流体参数的模拟和对实验等软件对各流体参数的模拟和对实验仪器、仪表进行的选型计算仪器、仪表进行的选型计算 ，搭建的试验平台如下所示：，搭建的试验平台如下所示：基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验 试验采用压缩空气作为气源，在主测试管段的起终点处试验采用压缩空气作为气源，在主测试管段的起终点处设压力变送器、差压变送器、流量变送器、音波变送器和温设压力变送器、差压变送器、流量变送器、音波

8、变送器和温度变送器等仪器，中间位置设有三个泄漏点，分别位于距离度变送器等仪器，中间位置设有三个泄漏点，分别位于距离测试管段起点测试管段起点39.8m、88.8m和和149.6m位置处位置处,泄漏点处泄漏点处装有球阀和法兰，法兰内藏孔板以代替泄漏孔，可根据试验装有球阀和法兰，法兰内藏孔板以代替泄漏孔，可根据试验要求变换泄漏孔径大小。要求变换泄漏孔径大小。 整个试验管线全长整个试验管线全长251.5m，测试管段长，测试管段长200.8m，管，管内径内径10mm，可承压，可承压8MPa。基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验试验采用的部分仪器仪表如下：试验采用的部分仪器仪表如下

9、：流量计流量计压力变送器压力变送器温度变送器温度变送器基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验差压变送器差压变送器减压阀减压阀试验用孔板试验用孔板基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验试验采用的音波传感器试验采用的音波传感器性能参数：性能参数：测量范围：测量范围：57.2kPa ；灵敏度：灵敏度：43.5mv/kPa ；最大压力（最大压力（step）：）：1379kPa ；最大压力（静态）：最大压力（静态）：13790kPa ；分辨率分辨率 ：0.00069kpa ；谐振频率谐振频率 ：60kHz 基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定

10、位试验 输气管道泄漏检测装置的数据采集系统软件采用输气管道泄漏检测装置的数据采集系统软件采用NI LabVIEW程序编制，数据采集系统硬件由传感器、程序编制，数据采集系统硬件由传感器、信号调理电路、数据采集卡信号调理电路、数据采集卡(板板)及计算机四部分组成及计算机四部分组成 。具体设计如下所示：具体设计如下所示：基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验数据采集系统的前面板数据采集系统的前面板数据采集系统的硬件组成数据采集系统的硬件组成 在不同的压力等级（在不同的压力等级（1.6MPa、2.6MPa、3.6MPa、4.6MPa）下进行泄漏检测试验，分析管道不同的泄漏）下进行

11、泄漏检测试验，分析管道不同的泄漏位置（泄漏点位置（泄漏点1、2、3）处，发生不同程度（）处，发生不同程度（0.45mm孔径、孔径、0.5mm孔径）的泄漏时压缩空气的流量、压力及孔径）的泄漏时压缩空气的流量、压力及产生的音波信号的变化情况。产生的音波信号的变化情况。基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验2.泄漏检测试验及结果分析泄漏检测试验及结果分析基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验 当管线起点压力当管线起点压力4.6MPa左右，泄漏孔径左右，泄漏孔径0.45mm时，时，泄漏点泄漏点1发生泄漏时采集到的测试管段起终点的动态压力发生泄漏时采集到的测试

12、管段起终点的动态压力（音波信号）如下所示：（音波信号）如下所示： 起点检测到的动态压力信号起点检测到的动态压力信号 终点检测到的动态压力信号终点检测到的动态压力信号 基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验 由上图可以看出，管道在由上图可以看出，管道在200000点处附近发生泄漏，点处附近发生泄漏，泄漏产生的信号幅值很大，起点达泄漏产生的信号幅值很大，起点达-28.6kPa，终点达，终点达-14.9kPa，这是由于动态压力传感器产生的压力波动信号，这是由于动态压力传感器产生的压力波动信号为为A/D输入信号量程的一部分，而泄漏引起的压力变化范输入信号量程的一部分，而泄漏引起的

13、压力变化范围为围为A/D的满量程的满量程 ，对一般的压力变送器，泄漏引起的，对一般的压力变送器，泄漏引起的压力变化仅占运行压力的一小部分，动态压力信号提高了压力变化仅占运行压力的一小部分，动态压力信号提高了信号的信噪比信号的信噪比 。基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验 对采集的信号进行去噪可进一步提高信噪比，一般数字对采集的信号进行去噪可进一步提高信噪比，一般数字信号处理往往选择信号处理往往选择haar小波基或小波基或daubechies小波基小波基 ，对，对采集的音波信号进行采集的音波信号进行daubechies小波基去噪，终点的时域小波基去噪，终点的时域图如下所示

14、：图如下所示：基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验 对去噪后的音波信号进行特征量提取，提取相邻区间对去噪后的音波信号进行特征量提取，提取相邻区间信号累加差分、均值差分、峰值差分信号累加差分、均值差分、峰值差分 作为泄漏判断的特作为泄漏判断的特征量。征量。终点信号累加值差分终点信号累加值差分 终点信号均值差分终点信号均值差分 终点信号峰值差分终点信号峰值差分 基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验 选取累加值差分和均值差分作为不同工况下的判断准则，对泄选取累加值差分和均值差分作为不同工况下的判断准则，对泄漏进行检测，如下表所示：漏进行检测，如下表所示

15、：压力等压力等级级(MPa)泄漏点泄漏点泄漏孔泄漏孔径径(mm)累加值差分累加值差分均值差分均值差分泄漏泄漏判断判断阈值阈值实际值实际值阈值阈值实际值实际值1.6无无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是是无无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无无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是是无无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无无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是是无无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无无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是是无无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检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验 在在0.45mm泄漏孔径，压力等级泄漏孔径，压力等级1.6MPa时，泄漏信号特征量判时，泄漏信号特征量判断失误，此判断失误处于泄漏孔径较小，压力等级较低的工况，通断失误，此判断失误处于泄漏孔径较小，压力等级较低的工况，通过调节动态阈值及其权值，可以防止此类事情的发生。从表中可以过调节动态阈值及其权值，可以防止此类事情的发生。从表中可以看出：看出： n 随着压力的升高，泄漏信号特征量的阈值和实际值相差越来越大，泄漏随

19、着压力的升高，泄漏信号特征量的阈值和实际值相差越来越大，泄漏更易判断；更易判断；n 0.5mm泄漏孔径的特征量实际值与阈值之差大于泄漏孔径的特征量实际值与阈值之差大于0.45mm泄漏孔径的特泄漏孔径的特征量实际值与阈值之差，泄漏更易判断；征量实际值与阈值之差，泄漏更易判断；n 越靠近管线终点，泄漏信号特征量的阈值和实际值相差越大，泄漏越易越靠近管线终点，泄漏信号特征量的阈值和实际值相差越大，泄漏越易判断。判断。 基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验3.泄漏定位试验及结果分析泄漏定位试验及结果分析 泄漏定位试验是与检测试验一起进行的，运用泄漏检泄漏定位试验是与检测试验一起

20、进行的，运用泄漏检测时采集到的数据，分析在不同的泄漏工况下音波法泄漏测时采集到的数据，分析在不同的泄漏工况下音波法泄漏定位的适用性及定位误差。定位的适用性及定位误差。 下面是采用下面是采用labview程序编制程序编制的泄漏定位系统前面板图。的泄漏定位系统前面板图。基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验不同影响因素下泄漏定位表不同影响因素下泄漏定位表 压力等级压力等级(MPa)泄漏点泄漏点泄漏孔径泄漏孔径(mm)泄漏点距起点的计泄漏点距起点的计算距离算距离(m)t 时间差时间差(s)(s)定位误差定位误差(%)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基于音波法的泄漏检测及定位试验基于音波法的泄漏检测及定位试验不同影响因素下泄漏定位表（续表）不同影响因素下泄漏定位表（续表） 压力等级压力等级(MPa

22、)泄漏点泄漏点泄漏孔径泄漏孔径(mm)泄漏点距起点的计算泄漏点距起点的计算距离距离(m)t 时间差时间差(s)定位误差定位误差(%)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 由表中的结果可以看出，处于管线中间位置处的泄漏，其由表中的结果可以看出，处于管线中间位置处的泄漏，其定位误差要大于管线两端的定位误差；靠近管线终点处的泄漏定位误差要大于管线两端的定位误差；靠近管线终点处的泄漏，其定位误差要小于管线起点处的定位误差；随压力和泄漏孔，其定位误差要小于管线起点处的定位误差；随压力和泄漏孔径的变化