管道泄漏次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

朱衛(wèi)東，蔣曉斌

1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459

2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452

1 硬件系統(tǒng)組成

管道泄漏次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由次聲波傳感器、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理器、北斗/GPS雙模校時(shí)模塊以及監(jiān)控主機(jī)構(gòu)成[1-2]，其組成如圖1所示。

其中，次聲波傳感器主要用于接收管道泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)，并將接收到的次聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。次聲波傳感器選型時(shí)要考慮帶寬、靈敏度、輸出類型、量程、分辨率等參數(shù)。傳感器一般安裝在管道的兩端，安裝位置以及方向需考慮輸送介質(zhì)以及管道路由情況。

圖1 管道泄漏次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成示意

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理器用于將聲波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)濾波等信號(hào)處理算法進(jìn)行預(yù)處理，除去噪聲和干擾信號(hào)。處理后的信號(hào)最終和GPS時(shí)鐘信號(hào)一起通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控主機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理器通常集成在防爆箱中，由于數(shù)據(jù)采集處理器功耗很低，現(xiàn)場(chǎng)可以采用太陽(yáng)能電池供電。

采用北斗/GPS雙模校時(shí)模塊保證了系統(tǒng)校時(shí)的可靠性，采用北斗/GPS雙模接收器進(jìn)行連接，通信模塊的無(wú)線接收器安裝在機(jī)柜內(nèi)，數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)。

監(jiān)控主機(jī)上安裝的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為操作人員提供人機(jī)操作界面、報(bào)警顯示和查詢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回讀等功能平臺(tái)，以聲的方式進(jìn)行泄漏時(shí)的報(bào)警和定位。

2 泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 信號(hào)處理方法

由于管道泄漏所產(chǎn)生的信號(hào)具有一定的信噪比，因此為了提高被檢測(cè)管道泄漏信號(hào)的信噪比，需要通過(guò)各種濾波變換對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而使經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)可以被計(jì)算機(jī)算法識(shí)別[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，通常根據(jù)管道信號(hào)的具體特征，選用一種或多種數(shù)據(jù)處理方法來(lái)達(dá)到提高被檢測(cè)管道泄漏信號(hào)信噪比的目的。在本次試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)采用聲吶處理算法中常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法，在信噪比較差的原始信號(hào)中提取出泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)，為后繼泄漏事件的識(shí)別定位提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1.1 信號(hào)預(yù)處理方法

在獲取數(shù)據(jù)以后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是通過(guò)不同的算法、參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，以找到最佳的信號(hào)頻帶、數(shù)據(jù)處理參數(shù)和算法[4]。

本階段主要使用Matlab等數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。常用的數(shù)據(jù)處理方法有：小波變換能夠提供一個(gè)隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”窗口，是進(jìn)行信號(hào)時(shí)頻分析和處理的理想工具。雖然小波變換可以更好地觀察信號(hào)的局部特征，可以同時(shí)觀察信號(hào)的時(shí)間和頻率信息，但是也有冗余度很大的問(wèn)題。而自適應(yīng)異常信號(hào)檢測(cè)法可以有效地彌補(bǔ)小波算法的一些不足。和常用的變換方法如FFT相比，小波的多分辨率分析由于具有良好的空間域和頻率域局部化特性，因此用于信號(hào)處理時(shí)效果較好。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，根據(jù)結(jié)果可以選擇合適的數(shù)據(jù)處理算法。預(yù)處理使用的算法通常需要根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)算法代碼，同時(shí)需要采集原始數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，以保證算法的正確性[5]。

通過(guò)采用上述算法，自行編制了軟件進(jìn)行信號(hào)處理。圖2所示是一組預(yù)處理前后的次聲信號(hào)波形對(duì)照?qǐng)D，采用算法處理后的次聲波形明顯比處理前具有更好的信噪比，更利于信號(hào)檢測(cè)。

圖2 預(yù)處理前后的次聲信號(hào)波形

2.1.2 信號(hào)識(shí)別方法

管道在正常運(yùn)行時(shí)，介質(zhì)流動(dòng)、工況操作、管道泄漏都會(huì)在管道內(nèi)部產(chǎn)生聲波。其中，介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的次聲波信號(hào)能量較小，且波動(dòng)趨近平穩(wěn)，可視為背景噪聲。信號(hào)識(shí)別的任務(wù)就是從管道次聲波信號(hào)的背景噪聲中檢測(cè)出管道泄漏產(chǎn)生的次聲波信號(hào)，并把信噪比同樣明顯的工況信號(hào)剔除。事實(shí)上，工況信號(hào)和泄漏信號(hào)在多個(gè)特征性能上有差別，因此只要提取出它們的特征參數(shù)，就能把工況信號(hào)和泄漏信號(hào)區(qū)分出來(lái)，從而提高系統(tǒng)的正確報(bào)警率。本系統(tǒng)采用支持向量機(jī)算法、樸素貝葉斯分類器，從而使其能夠在信號(hào)樣本數(shù)量足夠的前提下，自動(dòng)識(shí)別泄漏信號(hào)和工況信號(hào)，為自學(xué)習(xí)專家數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)。

管道內(nèi)干擾信號(hào)較多，根據(jù)泄漏次聲信號(hào)在管道內(nèi)的傳播特點(diǎn)，將異常信號(hào)按照檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行排序，從中剔除不滿足多分站同源信號(hào)關(guān)聯(lián)條件的異常信號(hào)，從而提高識(shí)別率。根據(jù)工況信息，識(shí)別管道閥室的工況操作，可有效降低誤報(bào)率。

系統(tǒng)通過(guò)儲(chǔ)存各種次聲信號(hào)，通過(guò)分析和歸納，形成專家數(shù)據(jù)庫(kù)。專家數(shù)據(jù)庫(kù)為信號(hào)的識(shí)別提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

自主編制泄漏監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)通過(guò)軟件需求分析、開發(fā)計(jì)劃、詳細(xì)設(shè)計(jì)、代碼編寫、模塊測(cè)試、集成調(diào)試等設(shè)計(jì)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中采取了模塊化的設(shè)計(jì)思想，將軟件主要?jiǎng)澐譃橹鹘缑婵刂颇K、通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、GIS模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、報(bào)警模塊、波形數(shù)據(jù)顯示模塊等。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）試驗(yàn)環(huán)路信息。為了檢驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，在中海油能源發(fā)展股份有限公司裝備分公司的試驗(yàn)環(huán)路上進(jìn)行測(cè)試。管道試驗(yàn)環(huán)路各項(xiàng)信息如表1所示，試驗(yàn)環(huán)路如圖3所示。

表1 管道試驗(yàn)環(huán)路信息

（2）試驗(yàn)測(cè)試要求。試驗(yàn)過(guò)程中，按照表2中設(shè)定的各項(xiàng)要求進(jìn)行測(cè)試。

（3）測(cè)試儀器設(shè)備。在試驗(yàn)環(huán)路上安裝φ2 in球閥，安裝次聲波傳感器和布置分析處理裝置，而后進(jìn)行泄放測(cè)試。其中次聲波傳感器性能指標(biāo)如下：靈敏度≥-195 dB，工作頻段為次聲頻段（20 Hz以下），工作壓力≤20 MPa，工作溫度為-40～85℃。

圖3 試驗(yàn)環(huán)路

表2 試驗(yàn)測(cè)試要求

（4）測(cè)試結(jié)果。測(cè)試中5 mm泄放孔徑產(chǎn)生的次聲波處理前及處理后的波形見圖4。

經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試信號(hào)分析處理，并對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)完善，最終在D273 mm試驗(yàn)管道上進(jìn)行測(cè)試，得到在1.5 MPa壓力下的測(cè)試結(jié)果，見表3。

從表3可以看出，針對(duì)不同泄放孔徑的泄漏測(cè)試，軟件系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了報(bào)警，響應(yīng)時(shí)間小于10 s，定位精度較好，達(dá)到±20 m以內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)路泄漏測(cè)試結(jié)果表明，管道泄漏次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有誤報(bào)率低、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)。在該系統(tǒng)的監(jiān)控下，對(duì)管道泄漏事件及時(shí)采取有效維護(hù)措施能夠有效避免和減少損失，保障管道生產(chǎn)安全。具體的研究結(jié)果及建議如下：

（1）研究的次聲波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以用于輸油或輸氣管道中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)距離可以達(dá)到50 km，誤報(bào)率、漏報(bào)率低，最小可以監(jiān)測(cè)3 mm孔徑的泄漏，定位誤差可達(dá)±20 m以內(nèi)。

（2）實(shí)際應(yīng)用中可安裝2支傳感器或者形成傳感器陣列，同時(shí)引入模式識(shí)別處理，加強(qiáng)背景噪聲干擾的剔除，可以有效地降低誤報(bào)率。

圖4 5 mm泄放孔徑產(chǎn)生的次聲波處理前及處理后的波形

表3 水介質(zhì)下泄漏試驗(yàn)結(jié)果

（3）低壓力、小泄漏管道是次聲波泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)后期需要重點(diǎn)關(guān)注和攻克的難題。