基于次聲波法的天然氣管道泄漏檢測(cè)

郭鵬 趙會(huì)軍 慈智 趙東升 彭浩平 周小星

1常州大學(xué)江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2常州大學(xué)江蘇省機(jī)械工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 泄漏檢測(cè)原理

當(dāng)天然氣管道出現(xiàn)破裂時(shí)，天然氣會(huì)從破裂處泄漏出來(lái)，管內(nèi)氣體的流動(dòng)參數(shù)會(huì)隨之發(fā)生變化，該點(diǎn)處氣體的壓力降低，密度減小。在壓差的作用下，相鄰泄漏點(diǎn)的兩邊區(qū)域內(nèi)的氣體會(huì)向泄漏點(diǎn)處流動(dòng)，致使該區(qū)域內(nèi)氣體的壓力和密度都會(huì)隨之減小，進(jìn)而傳播到更遠(yuǎn)處的區(qū)域，并向泄漏的區(qū)間補(bǔ)充，如此循環(huán)，形成次聲波，次聲波會(huì)順著管道向首、末站傳播[1]。將次聲波傳感器安裝在管道兩端，在線實(shí)時(shí)采集次聲波信號(hào)，提取特征量來(lái)判斷泄漏發(fā)生的位置。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)產(chǎn)生次聲波信號(hào)，此信號(hào)和正常信號(hào)都會(huì)被次聲波傳感器收集到，通過(guò)與正常的背景噪音比較，可以判斷泄漏是否發(fā)生。

確定泄漏發(fā)生后，由于泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)會(huì)向管道兩端傳播，根據(jù)次聲波信號(hào)傳播到管道起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)間的差值和次聲波信號(hào)在管道中傳播的速度即可確定管道泄漏點(diǎn)的具體位置。具體步驟為：假設(shè)首站傳感器安放位置為點(diǎn)A，末站傳感器安放的位置為點(diǎn)B，AB點(diǎn)間的距離為L(zhǎng)；泄漏點(diǎn)為C，AC點(diǎn)間的間距為x；一個(gè)泄漏點(diǎn)引起的次聲波信號(hào)從C點(diǎn)傳播到A點(diǎn)所用時(shí)間為t1，從C點(diǎn)傳播到B點(diǎn)所用時(shí)間為t2；v為次聲波信號(hào)在管道中傳播的速度，則可以得到下面的關(guān)系式

泄漏點(diǎn)的位置確定公式為

式中Δt是一個(gè)泄漏的次聲波信號(hào)分別到達(dá)首、末站時(shí)傳感器的時(shí)間差值。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

次聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的硬件由次聲波傳感器、次聲測(cè)量網(wǎng)絡(luò)傳輸儀、GPS接收器和監(jiān)控主機(jī)組成，如圖1所示[2]。

圖1 泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

（1）次聲波傳感器。設(shè)計(jì)的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)傳感器采用電容原理檢測(cè)流體管道中的次聲波換能（敏感）元件，具有靈敏度高、頻率響應(yīng)寬、對(duì)振動(dòng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

（2）次聲網(wǎng)絡(luò)傳輸儀。設(shè)計(jì)的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)包含數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸儀2臺(tái)，主要用于次聲波數(shù)據(jù)的采集與傳輸。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸儀是一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，其內(nèi)含GPS模塊，數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘與GPS同步，并可提供精確時(shí)鐘和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。

（3）GPS接收器。用于首站跟末站時(shí)間的統(tǒng)一。

（4）監(jiān)控主機(jī)。由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成，通過(guò)設(shè)計(jì)的檢測(cè)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷泄漏是否發(fā)生，并確定泄漏的具體地點(diǎn)。

3 泄漏檢測(cè)軟件的開發(fā)

Lab VIEW是一種圖形化語(yǔ)言，使用圖示的方式來(lái)撰寫程式，與傳統(tǒng)的文字形態(tài)語(yǔ)言相比較，Lab VIEW使用“資料流（dataflow）”的概念來(lái)呈現(xiàn)程式的執(zhí)行順序。

在Lab VIEW的環(huán)境中，撰寫程式是透過(guò)一些工具與物件來(lái)完成的。撰寫的環(huán)境可以分為兩個(gè)部分：第一部分為“人機(jī)界面（FrontPanel）”，用來(lái)表示與人（操作者）有直接相關(guān)和互動(dòng)關(guān)系的界面；第二部分為“程式方塊圖（Block Diagram）”，是用來(lái)撰寫程式的地方。

針對(duì)天然氣管道的泄漏，開發(fā)的泄漏檢測(cè)軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、泄漏檢測(cè)和定位模塊3部分。Lab VIEW為用戶提供了多種用于數(shù)據(jù)采集的函數(shù)，如VIs和express VIs。其大體可以分為兩類，一類是traditoinalDAQVIs，另外一類是操作更為簡(jiǎn)單的NI-DAQmx，這些函數(shù)主要位于函數(shù)模板中的measuremengI/O，insrrument I/O子模板中，本設(shè)計(jì)采用NI-DAQmx作為數(shù)據(jù)采集的函數(shù)。其泄漏點(diǎn)定位設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 泄漏點(diǎn)定位設(shè)計(jì)流程

利用Lab VIEW的數(shù)據(jù)采集模塊后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即去噪，Lab VIEW的前面板可以實(shí)時(shí)顯示原始信號(hào)和去噪后的信號(hào)，通過(guò)比較，實(shí)時(shí)觀察去噪效果。

處理完數(shù)據(jù)后，進(jìn)入泄漏定位模塊。在該模塊中，首先通過(guò)檢測(cè)上下游信號(hào)，并結(jié)合相關(guān)分析法，得到相關(guān)函數(shù)，判斷信號(hào)中是否有突變的現(xiàn)象，由此判斷是否有泄漏發(fā)生。在該模塊中，確定泄漏信號(hào)到達(dá)上下游傳感器的時(shí)間差是一個(gè)重點(diǎn)，可通過(guò)相關(guān)函數(shù)求得，其從開始到達(dá)幅值的時(shí)間在理論上就等于泄漏信號(hào)到達(dá)上下游傳感器的時(shí)間差。然后，結(jié)合次聲波傳播速度，求得泄漏點(diǎn)位置。

4 泄漏檢測(cè)軟件的實(shí)際測(cè)試

選取某油田的天然氣管線對(duì)泄漏檢測(cè)軟件進(jìn)行測(cè)試，確定軟件的實(shí)際應(yīng)用效果。此段天然氣管線長(zhǎng)3.13 km，管徑為DN300mm，其中外徑323.8mm，管壁厚為7.2mm，管端的壓力為0.75MPa。次聲波傳感器分別安裝在管線始、末端。在測(cè)試中，采取人為放氣來(lái)模擬管道的實(shí)際泄漏，為了將實(shí)際效果放大，放氣點(diǎn)取管道的終點(diǎn)B點(diǎn)，這樣就可以直接將起始點(diǎn)A點(diǎn)傳感器接收到的信號(hào)作為導(dǎo)入軟件的信號(hào)。

運(yùn)用開發(fā)的泄漏檢測(cè)軟件對(duì)傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位分析。通過(guò)泄漏點(diǎn)的定位距離和泄漏點(diǎn)定位誤差的多組實(shí)際測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，天然氣管道的泄漏監(jiān)測(cè)軟件的定位誤差最大值為60.488m，最小值為17.644m，定位的平均誤差為42.413 5 m，按照軟件設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求（定位誤差要求：小于等于天然氣管道長(zhǎng)度×0.5%±50m）此輸氣管線的定位誤差應(yīng)當(dāng)小于等于65.65m，而所有的結(jié)果都在該設(shè)計(jì)指標(biāo)的指定范圍之內(nèi)，且效果優(yōu)良。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了次聲波法泄漏檢測(cè)的基本原理，以Lab VIEW為工具開發(fā)了次聲波法泄漏檢測(cè)軟件，并用此軟件對(duì)某油田的天然氣管線泄漏點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際定位。結(jié)果表明，通過(guò)軟件對(duì)采集到的次聲波信號(hào)進(jìn)行處理后能快速而精確地確定泄漏點(diǎn)的具體位置。

[1]鄧文濤，張?chǎng)L(zhǎng)輸管道泄漏檢測(cè)方法[J]．中國(guó)西部科技，2009，8（12）：23-25．

[2]李銀凱，石剛，李劍．輸油管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)升級(jí)改造[J]．油氣田地面工程，2011，30（11）：53-54.