原油長輸管道泄漏定位關(guān)鍵技術(shù)研究

申成華

摘? ? ? 要：針對原油長輸管道的泄漏定位問題，結(jié)合目前常見的負(fù)壓波泄漏檢測技術(shù)，對該技術(shù)的原理及影響因素進(jìn)行分析，對負(fù)壓波泄漏定位技術(shù)應(yīng)用過程中上下游壓力信號的同步、信號去燥處理及時間差確定兩項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，最終通過誤差對比的方式確定該技術(shù)的優(yōu)越性。研究表明：在上下游壓力信號同步方面可以采用固定延時補償技術(shù)、在信號去燥處理及時間差確定方面可以采用小波消噪處理技術(shù);當(dāng)小波消噪的階數(shù)為4時，泄漏定位誤差最小，最小誤差為0.08 m，最大誤差為0.37 m，平均絕對誤差為0.295 m，此時泄漏檢測信號的最小信噪比為50.362 9，最大信噪比為80.430 8，信噪比得到了有效提高。

關(guān)? 鍵? 詞：原油長輸管道;泄漏定位;影響因素;壓力信號;去燥處理

中圖分類號：TE 832? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2346-04

Abstract： Aiming at the problem of leak location in long distance crude oil pipeline， the principle and influencing factors of common negative pressure wave leak detection technology were analyzed， and two key? techniques including the synchronization of upstream and downstream pressure signals， signal denoising processing and time difference determination， were deeply studied in the application process of negative pressure wave leak location technology. Finally， the way of error comparison was adopted to determine the superiority of this technology. The results showed that the fixed delay compensation technology can be used in the synchronization of upstream and downstream pressure signals， and the wavelet de-noising technology can be used in signal de-noising and time difference determination. When the order of the wavelet de-noising was 4， the leakage location error was the smallest， the minimum error was 0.08 m， the maximum error was 0.37 m， and the average absolute error was 0.295 m. The minimum signal-to-noise ratio was 50.362 9， the maximum signal-to-noise ratio was 80.430 8， and the signal-to-noise ratio was effectively improved.

Key words： Long distance crude oil pipeline; Leakage location; Influencing factors; Pressure signal; De-noising treatment

對于我國的原油長輸管道而言，由于長時間的運行，不可避免的會出現(xiàn)各種泄漏問題。當(dāng)出現(xiàn)原油泄漏且無法及時發(fā)現(xiàn)，則會引發(fā)環(huán)境污染問題，當(dāng)外界存在火源時，還可能引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，從而給社會和人民帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，及時發(fā)現(xiàn)原油長輸管道的泄漏點十分重要[1]。目前，經(jīng)過多年的研究，我國已經(jīng)成功運用多種泄漏檢測技術(shù)，例如次聲波泄漏檢測、負(fù)壓波泄漏檢測、光纖泄漏檢測等，在這些泄漏檢測技術(shù)中，負(fù)壓波泄漏檢測應(yīng)用最為成功，也最為廣泛。但是，在負(fù)壓波泄漏檢測使用過程中，不可避免的會出現(xiàn)檢測誤差較大以及信噪比較小等問題。因此，十分有必要對負(fù)壓波泄漏檢測的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)而降低其檢測誤差和信噪比。

1? 負(fù)壓波法泄漏定位原理及影響因素

如果原油長輸管道出現(xiàn)了泄漏問題，則泄漏位置處將會產(chǎn)生一定的物質(zhì)損失，從而使泄漏位置處原油的密度降低，此處管道的壓力也將下降。在另一方面，由于原油的流動具有連續(xù)性，原油流動過程中的速度也不會出現(xiàn)突變，在泄漏位置處，由于管道壓差的存在，使得原油從高壓位置流向泄漏點處的低壓位置，使得泄漏位置兩側(cè)的原油密度和壓力也隨之降低，這種從泄漏點開始進(jìn)行壓力擴(kuò)散傳播的現(xiàn)象稱之為負(fù)壓波[2]。負(fù)壓波在原油管道內(nèi)的傳播和聲波在介質(zhì)中的傳播機(jī)理相同，其傳播速度可以達(dá)到1 000～1 200 m/s，由于傳播速度較快，所以進(jìn)行泄漏檢測的過程中，檢測速度也相對較快，這正是負(fù)壓波泄漏檢測技術(shù)的優(yōu)點所在。通過在管道上下游位置安裝負(fù)壓波檢測傳感器，并計算負(fù)壓波到達(dá)上下游傳感器位置處的時間，即可確定原油管道的泄漏位置。負(fù)壓波泄漏檢測技術(shù)原理如下圖1所示。

根據(jù)圖1即可得到該種泄漏檢測技術(shù)的數(shù)學(xué)原理模型：

一般情況下，如果輸油管道采用的常溫輸送模式，則負(fù)壓波的速度 將是一個定值，同時，原油在管道中的輸送速度對負(fù)壓波速度的影響較小，可以忽略，假設(shè)管道上下游負(fù)壓波傳感器獲取到負(fù)壓波的時間差為 ，則公式（1）和公式（2）可以簡化為：

該公式即為負(fù)壓波泄漏檢測的原理公式。通過對負(fù)壓波泄漏檢測技術(shù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，主要有兩項因素可以影響其定位誤差，分別是和，由于不同管道采用的負(fù)壓波傳感器不同，所以將會產(chǎn)生一定的誤差，一般情況下，如果傳感器的采樣頻率為10 Hz，此時的誤差為100 ms[3]。根據(jù)公式（3），此時將會產(chǎn)生50 m左右的泄漏定位誤差，該誤差與輸油管道的長度無關(guān)。其次，受到客觀因素的干擾，負(fù)壓波信號的信噪比較小，此時也會使得產(chǎn)生一定的誤差。在另一方面，負(fù)壓波的速度將會隨著原油輸送溫度的變化而產(chǎn)生變化，如果的數(shù)值不能準(zhǔn)確確定，進(jìn)行泄漏定位的過程中也會產(chǎn)生一定的誤差，例如，如果管道上下游的溫差為30 ℃，此時負(fù)壓波在上下游的傳播速度最大可以產(chǎn)生50 m/s的差距，此時將當(dāng)作是定值并進(jìn)行泄漏定位計算，則計算結(jié)果就會產(chǎn)生80 m左右的誤差[4]。

2? 上下游壓力信號的同步

為了降低負(fù)壓波泄漏檢測過程中的誤差問題，首先必須保證管道上下游采用的傳感器相同，即達(dá)到上下游的信號可以同步的目的。其次，在提取信號特征的過程中，要準(zhǔn)確獲取信號的拐點信息，從而使得的誤差進(jìn)一步降低。一般情況下，由于原油管道的長度相對較長，上下游傳感器具有較長的間距，所以負(fù)壓波傳播信號的采集會產(chǎn)生滯后問題，信號處理的難度隨之增加[5]。目前，為了提高信號同步信號，大多數(shù)管道都采用了GPS定位來統(tǒng)一上下游傳感器的時鐘，這種方法雖然較為簡單，但是十分有效，此時的誤差可以降低到ms級別。

為了進(jìn)一步降低的誤差，建議使用主站控制子站的通訊模式，在采用該種模式的過程中，由于不同管道采用的通訊方式不同，所以推薦使用固定延時補償?shù)姆椒▽?進(jìn)行一定的補償，從而進(jìn)一步達(dá)到上下游信號同步的目的。采用該種技術(shù)以后，可以使得精度得到最大程度的保障，同時泄漏檢測的成本沒有太大的增加。該種數(shù)據(jù)通訊方式示意圖如下圖2所示。

3? 信號去燥處理及時間差確定

一般情況下，原油管道的輸送壓力為5 MPa左右，如果管道上出現(xiàn)相對較大的孔洞，此時產(chǎn)生的負(fù)壓波幅值僅為0.01 MPa，小泄漏問題的壓力幅值更小，因此，在進(jìn)行泄漏檢測的過程中，信號非常容易被客觀因素所干擾，如何降低噪聲的干擾或者從噪聲信號中提取有效的信息十分重要，這也是目前泄漏檢測研究的重點。由于信號中含有大量的尖峰特征，因此，使用傳統(tǒng)的信號處理方式將不會起到很好的效果，信號中的尖峰特征也將會對整條管道的信號產(chǎn)生影響[6，7]。但是，小波分析可以完美地解決信號尖峰的問題，從而將信號中的有效部分和噪聲部分分離開來，因此，本次研究提出了小波分析信號去燥的方式進(jìn)行信號處理。

在進(jìn)行負(fù)壓波泄漏檢測的過程中，當(dāng)上下游的傳感器接收到信號的時候，整條管道的檢測信號最容易出現(xiàn)尖峰問題，信號中尖峰出現(xiàn)的拐點位置與上下游傳感器接受信號的時間是判斷泄漏信號的關(guān)鍵所在。在使用小波分析的過程中，首先需要確定信號中的拐點位置，根據(jù)位置的信號得到準(zhǔn)確的時間差。在對信號進(jìn)行多尺度檢測的過程中，需要使用平滑函數(shù)對信號進(jìn)行前期處理，計算信號的多階導(dǎo)數(shù)，從而確定信號尖峰的位置。其中，平滑函數(shù)可以使用高斯函數(shù)，該種平滑函數(shù)的使用效果相對較好，高斯函數(shù)的多階導(dǎo)數(shù)也可以作為小波分析中的母小波使用，其表達(dá)式如下所示：

對于任意函數(shù)而言，可以使用如下公式表示：

如果高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù) 作為小波分析的母小波，則在尺度、位移位置的小波分析可以用以下公式表示：

同理，如果高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù) 作為小波分析的母小波，則在尺度、位移位置的小波分析可以用以下公式表示：

假設(shè)采用高斯函數(shù)的一階導(dǎo)師作為進(jìn)行小波分析時的母小波，則信號在小波分析過程中一階導(dǎo)數(shù)極值位置處就是信號的尖峰位置。在另一方面，如果所使用的平滑函數(shù)的尺度相對較小，則信號處理后的平滑區(qū)間也就相對較小，信號尖峰位置的判斷就越準(zhǔn)確。但是，如果所使用的平滑函數(shù)的尺度相對較小，則信號就容易受到噪音的干擾，從而使得信號中出現(xiàn)較多的偽極值點，此時會使得泄漏檢測的定位誤差增加。因此，在使用小波分析方法對負(fù)壓波泄漏檢測信號進(jìn)行處理的過程中，小波變化階數(shù)的選擇是一項關(guān)鍵問題，需要通過實驗法進(jìn)行選擇。

4? 測量誤差分析

使用上文所闡述的負(fù)壓波泄漏檢測關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計方法，對我國某原油長輸管道進(jìn)行了實驗。此管道的總長度為72 km，管道的壁厚為7 mm，管道的外徑為377 mm。該條管道內(nèi)原油的密度為870 kg/m3，原油體積系數(shù)為0.998，管道鋼管的彈性模量為2.069×1011 Pa，鋼管的泊松系數(shù)為0.3。如下表1所示為不同小波分析階數(shù)前提下的泄漏檢測定位結(jié)果。

從表1中可以看出，相對而言，當(dāng)小波分析的階數(shù)相對較低時，泄漏檢測的定位誤差就相對較小，但是，如果小波分析的階數(shù)過低，則會使得負(fù)壓波信號受到嚴(yán)重干擾，從而造成定位誤差增加。在使用負(fù)壓波泄漏檢測的過程中，一般需要將小波分析的階數(shù)設(shè)置為定值，根據(jù)上表的檢測結(jié)果可以看出，該定值最好設(shè)置為4。但是，設(shè)置為定值的方法也具有一定的缺陷，因為每段管道泄漏檢測信號所受噪音的干擾不同，因此，如何確定小波分析的階數(shù)需要根據(jù)每段管道的運行特點確定。如下表2所示為進(jìn)行負(fù)壓波泄漏檢測過程中的信噪比信息。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，采用本次研究所介紹的關(guān)鍵技術(shù)以后，信噪比相對較高，同時，通過將表1和表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號的信噪比相對較高時，則進(jìn)行小波分析時的階數(shù)應(yīng)選擇低一點，這樣可以降低噪音對負(fù)壓波有效信號的干擾，在另一方面，也可以提高進(jìn)行泄漏檢測定位時的精度。當(dāng)信號的信噪比相對較低時，則進(jìn)行小波分析時的階數(shù)應(yīng)選擇高一點，此時可以降低小波分析中偽極值點對泄漏檢測定位的影響。

5??結(jié) 論

綜上所述，在使用負(fù)壓波泄漏檢測定位的過程中，上下游壓力信號的同步、信號去燥處理及時間差確定是兩項較為重要的關(guān)鍵問題，如果這兩項問題得不到有效的解決，將會使得泄漏檢測定位的誤差不斷增加。在本次研究中，提出了固定延時補償技術(shù)的信號同步方法以及小波分析的信號去燥處理及時間差確定方法，通過實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，這兩項技術(shù)使用以后，如果將小波分析的階數(shù)設(shè)置為4，則泄漏檢測定位的誤差相對較小，最大誤差僅為0.37?m，同時，信噪比得到了有效的提高，最小的信噪比可以達(dá)到50.362?9。

參考文獻(xiàn)：

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