天然氣管道泄漏聲波檢測(cè)原理及定位方法

崔勛杰

（1. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065； 2. 山西省國新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

天然氣輸送管道在生產(chǎn)制作過程中難眠會(huì)存在一些小的缺陷，使用使用后，在循長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)荷載作用下，以及在輸送的天然氣高溫和腐蝕的環(huán)境中，造成腐蝕并逐漸加重，最終導(dǎo)致管道破損泄漏事故的發(fā)生，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至對(duì)人民生命安全構(gòu)成威脅[1]。長距離輸管道輸送天然氣時(shí)，由于輸送管線可能在荒野或者居民區(qū)，一旦發(fā)生管道破損天然氣泄漏事故，除了影響正常的生產(chǎn)外，因天然氣的流失造成直接經(jīng)濟(jì)損失，甚至誘發(fā)火災(zāi)以及環(huán)境污染等嚴(yán)重后果[2]。因此，管道泄漏檢測(cè)是一個(gè)持續(xù)的、刻不容緩的工作。同時(shí)能快速發(fā)現(xiàn)天然氣管道泄漏的準(zhǔn)確位置，并采取相應(yīng)的措施來及時(shí)控制事故發(fā)生。

以往管道泄漏檢測(cè)方法側(cè)重于硬件方面，如磁力探傷法、管內(nèi)探測(cè)球法、分段試壓法等[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用及現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步，近幾年逐步發(fā)展到以軟件為主，軟硬件結(jié)合的新檢漏方法。例如泄漏聲波法，負(fù)壓力法、基于參數(shù)估計(jì)的方法、互相關(guān)法、頻率響應(yīng)法等[4]。

根據(jù)泄漏管道產(chǎn)生的泄漏聲波信號(hào)，構(gòu)建出基于虛擬儀器技術(shù)的管道泄漏點(diǎn)檢測(cè)定位系統(tǒng)。為了較為準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)定位，首先分析了輸氣管道泄漏聲波的產(chǎn)生機(jī)理以及傳播機(jī)理，進(jìn)一步制定相應(yīng)的合適的檢測(cè)方案，最終根據(jù)此方案實(shí)現(xiàn)定位。

1 管道泄漏聲波傳播機(jī)理

管道內(nèi)輸送的氣體泄漏時(shí)，將打破輸氣管道中正常壓力平衡，管道系統(tǒng)內(nèi)流體彈性能釋放，將會(huì)引起瞬間振蕩同時(shí)產(chǎn)生聲波，泄漏聲波由氣體泄漏的激動(dòng)能量產(chǎn)生，為持續(xù)發(fā)射的信號(hào)。管道壁破裂而產(chǎn)生的聲波激動(dòng)信號(hào)頻率最高可達(dá)幾百千赫。泄漏聲波中高頻成分絕大多數(shù)是在175～750 kHz之間[5]。泄漏聲波信號(hào)在以管道為介質(zhì)傳播時(shí)能反映管道結(jié)構(gòu)的特征，能較為敏感的反應(yīng)出泄漏處孔徑、泄漏位置、泄漏流量大小等。因聲波能量的傳播在固體介質(zhì)要更容易于液體和氣體介質(zhì)，因此一般來說，管道內(nèi)氣體傳輸信號(hào)要比管道壁傳輸信號(hào)的頻率低而且速度慢。

聲波探測(cè)傳感器記錄和輸出的聲波電信號(hào)波形波動(dòng)不定，與源信號(hào)真實(shí)情況相比差別較大時(shí)，主要受泄漏源到傳感器的傳播路徑、傳感器自身質(zhì)量、泄漏聲波特性(激動(dòng)信號(hào)特征)、傳播過程環(huán)境噪聲和泄漏檢測(cè)系統(tǒng)精密度等復(fù)雜因素的影響。同時(shí)隨著時(shí)間的變化，均值、方差、均方根值等泄漏聲波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)將會(huì)發(fā)生改變。因此實(shí)際發(fā)生過程，泄漏聲波信號(hào)為非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。

波形振幅與輸送的氣體特性、管道內(nèi)壓力以及漏點(diǎn)孔徑大小有關(guān)。泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的泄漏信號(hào)壓力如下式1：

式中：ΔP——聲波信號(hào)壓力；

Ps——泄漏點(diǎn)靜態(tài)壓力；

D1——泄流點(diǎn)孔徑；

D2——管道直徑。

粘滯吸收系數(shù)a與頻率的平方成正比，通過管內(nèi)流動(dòng)方程組可求出聲波衰減系數(shù)（粘滯吸收系數(shù)a和音速c）為:

式中：ρ0——不可壓縮氣田密度；

ρ——壓縮后氣田密度；

ω——聲波角頻率；

μ——黏度系數(shù)；

r——管道半徑。

低頻聲波能在氣體中傳播距離較遠(yuǎn)，聲波管道管壁中傳播的速度由傳播介質(zhì)的可壓縮性決定。若管道直徑較大，則管壁對(duì)聲波的速度的影響較小，聲波的傳播與在開闊地傳播情況基本一樣。

聲波傳播速度與傳播介質(zhì)的溫度、密度、質(zhì)點(diǎn)速度和單位面積壓強(qiáng)等因素有關(guān)。管道破損突發(fā)泄漏時(shí)，破損處管道孔內(nèi)外存在壓差，流體從泄漏段迅速流失，引起管道內(nèi)破損點(diǎn)附近流體壓力迅速下降，因此破損點(diǎn)附近流體受壓差作用而向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充。此過程逐漸依次傳遞聲波能量，可認(rèn)為泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生的聲波，且聲波在不同傳播介質(zhì)的傳播速度有明顯差異。同時(shí)，聲波在不同介質(zhì)的傳播過程存在衰減情況不同。在不同的影響因素中，溫度對(duì)聲波傳播的影響更為劇烈。據(jù)以往統(tǒng)計(jì)分析，溫度每上升十?dāng)z氏度，聲波在以水為介質(zhì)的傳播過程，傳播速度每秒增大近4.58 m。

2 常用監(jiān)測(cè)方法

按照檢測(cè)方式區(qū)別，管道泄漏的檢測(cè)方法主要分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。

2.1 直接檢測(cè)法

（1）檢測(cè)元件法。利用某些材料隨它所接觸物質(zhì)而特性變化的特征，制作做成敏感檢測(cè)元件。

（2）機(jī)載紅外線法。利用無人機(jī)或小型飛機(jī)架設(shè)紅外線探測(cè)攝像機(jī)沿著輸氣管道上空飛行，分析輸送管道與周圍環(huán)境溫差成像，并根據(jù)成像結(jié)果判斷管道是否有破損泄漏。

（3）氣體檢測(cè)法。沿天然氣管道檢測(cè)有無可燃性氣體來判斷是否泄漏。短距離輸送管道常采用此法檢漏，但需要人員進(jìn)行時(shí)常巡視，因存在巡視周期，故不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)泄漏。

2.2 間接檢測(cè)法

（1）基于聲發(fā)射檢測(cè)。聲發(fā)射是材料或結(jié)構(gòu)受內(nèi)外力作用產(chǎn)生形變時(shí)，釋放出以彈性波形式的應(yīng)變能的現(xiàn)象。

（2）基十神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢漏方法。該方法不同于以往的管道流動(dòng)模型檢漏方法，具有能夠利用自適應(yīng)能力適應(yīng)管道各種工況的特點(diǎn)，分析識(shí)別管道運(yùn)行狀況。

（3）負(fù)壓波檢漏法。管道泄漏時(shí)泄漏點(diǎn)附近壓力下降并向四周擴(kuò)散，因此利用管道泄露點(diǎn)附近的壓力傳感器所檢測(cè)到的壓力變化來進(jìn)行檢漏和定位。

3 聲波監(jiān)測(cè)定位原理及方法

3.1 聲波泄漏檢測(cè)原理

聲波檢測(cè)的原理是利用聲波傳感器檢測(cè)來自以管道為介質(zhì)傳播的聲波信號(hào)，進(jìn)行泄漏信號(hào)的檢測(cè)和泄漏點(diǎn)的定位。實(shí)施過程為在管道上相隔一定的距離設(shè)置兩個(gè)聲波傳感接收器，當(dāng)管道某處發(fā)生泄漏后，聲波傳感接收器分別在T1和T2時(shí)刻檢測(cè)泄漏聲波信號(hào)，根據(jù)兩個(gè)時(shí)刻所監(jiān)測(cè)到的信號(hào)差，來確定管道是否有泄漏的發(fā)生，以及泄漏發(fā)生位置[6]。

3.2 管道泄漏定位方法

假設(shè)管道在某處發(fā)生泄漏，出現(xiàn)的泄漏聲波以速度v向泄漏點(diǎn)周緣傳播，分別在T1和T2時(shí)刻被兩個(gè)傳感器所捕獲。根據(jù)互相關(guān)的公式4：

式中：T——泄漏聲波信號(hào)在兩個(gè)傳感器之間傳播周期，T=L/v；

q1（t）和q2（t）——兩個(gè)傳感器檢測(cè)到泄漏的信號(hào)。

獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)最大值，就能夠確定泄漏信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感接收器的時(shí)間差。求取函數(shù)r12（t）極大值及極大值對(duì)應(yīng)的to即可進(jìn)行檢漏檢測(cè)和定位，見式5。

目前在計(jì)算機(jī)內(nèi)完全可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)模擬分析，將記錄下的聲波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

4 結(jié) 語

介紹了目前國內(nèi)常見的天然氣管道泄漏檢測(cè)和定位的方法，重點(diǎn)分析了聲波泄漏定位檢測(cè)技術(shù)原理及方法，并利用此方法解決天然氣管道的泄漏檢測(cè)與定位問題，實(shí)踐應(yīng)用效果較好，滿足巡檢需求。

［1］方崇智.基于現(xiàn)代理論的長輸管道自動(dòng)檢測(cè)[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004，(6):7-10.

［2］鄧鴻英，王毅.負(fù)壓波管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003，22(7) :30-33.

［3］張?jiān)骑w. 檢漏技術(shù)在城市燃?xì)庵械膽?yīng)用[J].上海煤氣，2007 (2):18-19.

［4］聶偉榮，朱繼南. 管道泄漏檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展[J]. 信息與控制，2003(8) :78-80.

［5］王信，劉建國，馬尾東.國內(nèi)外管道泄漏檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J]. 化工設(shè)備與防腐蝕，2003(5): 49-52.

［6］丁輝，王立，張貝克. 現(xiàn)代管道泄漏檢測(cè)技術(shù)[J]. Modern Scientific Instrnments，2005 (6): 11-13.