天然氣管道泄漏的聲-壓耦合識別方法*

李 鳳 王文和 游 赟 易 俊

(重慶科技學院 重慶 401331)

0 引言

天然氣管網(wǎng)是城市重要的基礎(chǔ)設施，是社會生活與生產(chǎn)的基本保障。但天然氣管道的泄漏不僅會造成資源浪費和環(huán)境污染，還會直接威脅人們的生命財產(chǎn)安全[1-2]。由于管道的老化、腐蝕、外力破壞和焊縫缺陷等原因，天然氣管道泄漏事故屢見不鮮[3-4]。因此，如何準確識別泄漏并可靠定位天然氣管道的泄漏位置，成為了油氣安全工程領(lǐng)域的重要課題。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，天然氣泄漏的識別方法取得了一些進展。典型的泄漏檢測方法有瞬態(tài)模型法[5]、分布式光纖法[6]、聲波法[7]和負壓波法[8]等。幾種檢測方法采用了不同的識別與定位原理，也從實驗室研究逐步進入推廣應用階段，例如ASI公司的WaveAlert 型聲波泄漏檢測系統(tǒng)[9]、趙林等[10]設計的光纖負壓波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。劉翠偉等[11]從泄漏檢測的靈敏度、誤報率和性價比等8個指標，對比分析了當前主要的泄漏檢測方法的優(yōu)缺點，指出聲波法的各項指標都達到目前的最高標準，其誤報率仍有待進一步提高。因此，基于聲波識別的泄漏檢測方法是未來的重要發(fā)展方向[12]。

為了提高聲波法的準確性，本文在之前聲波識別方法基礎(chǔ)上，提出以下兩點改進：(1)采用管道外壁、磁力夾固定的活動式聲波傳感器，利用聲波在管壁固體內(nèi)傳播衰減小、速度快的優(yōu)點，也避免了在管內(nèi)、管上打孔安裝困難且要求傳感器尺寸小等問題，降低了聲波傳感器的安裝成本；(2)為了降低單一聲波法的誤報率問題，提出了一種基于聲波-壓力波耦合的判別方法，基于多信息融合來提高泄漏識別的準確性。

全文內(nèi)容如下：首先，展開了管道的泄漏特性實驗，探索氣體管道泄漏的主要特征；其次，基于對泄漏特征的認識，提出了一種聲-壓耦合的泄漏檢測方法；最后，通過實驗測量研究，考察該方法的可行性及其抗干擾能力。通過本文的研究，試圖為天然氣管道泄漏識別方法的工程應用提供基礎(chǔ)參考。

1 管道泄漏特性實驗

1.1 實驗平臺簡介

為了考察氣體管道泄漏的主要特征，本文設計了如圖1所示的實驗平臺并開展研究。實驗管架平臺選擇了型號為DN150、長度為15 m、粗糙度為0.015 的管道，工作介質(zhì)為經(jīng)干燥過濾后的壓縮空氣，工作壓力選定1.1 MPa。泄漏口設置在管道中間位置處，連接MEMS4000 型體積流量計，用以測量和控制泄漏口的流量。

在管道內(nèi)的泄漏口前后布置了兩個常規(guī)的靜態(tài)壓力傳感器，其有效量程為0～2 MPa，測量精度為0.25% FS。在管外壁上放置了兩個通道的動態(tài)聲波傳感器，通過磁力夾固定于管道外壁，型號為RS-2A 型動態(tài)傳感器，其量程為181 dB，最高采樣頻率為400 kHz，測量精度為2% FS。采用LabVIEW 編寫的數(shù)據(jù)采集程序，配合NI 數(shù)據(jù)采集卡、信號放大器等完成數(shù)據(jù)采集。

圖1 管道泄漏檢測實驗平臺Fig.1 Experiment platform of pipeline leakage detection

1.2 管道泄漏的特性

實驗過程中，對管道系統(tǒng)打壓到1.1 MPa，待管內(nèi)壓力穩(wěn)定，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1 s 后，快速打開模擬泄漏口，測量管道泄漏過程的聲-壓特性，結(jié)果如圖2所示。圖2 給出了其中典型的4 組數(shù)據(jù)，展示了管壁的動態(tài)聲波信號和管道內(nèi)的靜態(tài)壓力信號。聲波測量采用了動態(tài)傳感器，采樣頻率為20 kHz；壓力測量采用了靜態(tài)傳感器，采樣點較少但能夠滿足觀測管道內(nèi)壓力的需求。

在圖2 中，紅線為管內(nèi)壓力的變化量(即壓力降)，黑線為歸一化處理的動態(tài)聲波信號。在泄漏發(fā)生之前，管道內(nèi)的壓力穩(wěn)定，管壁的噪聲信號可以忽略不計。打開泄漏口后，管道內(nèi)的壓力出現(xiàn)勻速的持續(xù)下降，而管壁的聲音信號也顯著增大。由此可見，管道泄漏同時出現(xiàn)兩種顯著的信號特征，即出現(xiàn)顯著的壓力降和巨大噪聲，二者出現(xiàn)的時間是同步的。圖2(a)～(d)所示的為泄漏量依次增大。隨著泄漏量的增大，壓力曲線的斜率增大，表明管道內(nèi)壓力降低的速度在增大；管壁的噪聲強度也在顯著增大。

圖2 管道泄漏的聲-壓特性Fig.2 Acoustic-pressure characteristics of pipe leakage

為了直觀展示噪聲強度和壓力降與泄漏量的關(guān)系，圖3 與圖4 分別統(tǒng)計了平均的噪聲強度和壓力降低速度。隨泄漏量的增大，管壁的平均噪聲強度依次為81 dB、86.3 dB、90 dB 和94.4 dB，而壓力降的速度依次為-0.84 kPa/s、-1.26 kPa/s、-1.81 kPa/s 和-2.94 kPa/s。可以看到，盡管實驗的泄漏為微小泄漏，但由于管道內(nèi)外的巨大壓差，其產(chǎn)生的泄漏噪聲和壓降都十分顯著，且二者隨泄漏量的增長而非線性增大。

因此，在微小泄漏條件下，能觀測到兩種顯著的泄漏特征，表現(xiàn)為管壁的泄漏噪聲和管道內(nèi)的壓力降。隨著泄漏量的增大，噪聲強度和壓力降都出現(xiàn)非線性增大。因此，聲波和壓力降可作為泄漏檢測的關(guān)鍵性指標。

圖3 不同泄漏量下的平均噪聲強度Fig.3 Average acoustic intensity at different leakage levels

圖4 不同泄漏量下的壓力降速度Fig.4 Pressure drop rate under different leakage amounts

采用經(jīng)典的離散傅里葉變換(Discrete Fourier transform,DFT)，對圖2所示的動態(tài)聲波信號展開了頻譜分析，試圖明確泄漏的聲源特性，如圖5所示?？梢钥吹剑煌髁肯略肼暤念l率特性基本一致，主要頻率在5 kHz～9 kHz 頻帶范圍內(nèi)，其中存在一個約7 kHz 的主導頻率。隨著泄漏量的增大，主導頻率的幅值也在增加。因此，管道泄漏時產(chǎn)生的氣動噪聲存在特定的頻率(帶)，該主導頻率對應的音色是泄漏的特有聲音，可以作為分辨泄漏噪聲與環(huán)境噪聲的一個依據(jù)。也就是說，管道泄漏的噪聲具有相似的頻譜特性而與泄漏量的大小無關(guān)。當然，本文的本實驗點樣較少，不能確定普遍的、精確的主導頻率特征，需要更多的參數(shù)化實驗研究。

圖5 不同泄漏量下聲波信號的頻譜Fig.5 Spectrum of acoustic signals at different leakage levels

2 耦合泄漏識別方法研究

本文實驗結(jié)果表明，管道泄漏伴隨著兩種顯著的特征——泄漏噪聲與壓力降，且二者發(fā)生的時間是同步的。因此，在實驗或者工程實踐中，若能夠檢測到管壁的聲強和管內(nèi)流場的壓力降同時躍升，則可確定管道發(fā)生了泄漏?；谶@一特性，兩種信息融合有望提高泄漏識別的準確性。

2.1 聲-壓耦合法的原理

本文耦合檢測方法的基本思想是，考察是否同時發(fā)生泄漏噪聲與壓力降，可采用相關(guān)算法予以判別。假設聲波傳感器測到的信號為A(t)，壓力傳感器測得的信號為P(t)，它們都可表示為時均與波動值之和：

對A(t)和P(t)的波動值進行相關(guān)性運算：

式(3)中，RAP(t)為波動信號的相關(guān)函數(shù)。將公式(1)和公式(2)代入到公式(3)得

上述是針對兩列無限長的、連續(xù)信號之間的相關(guān)性考察，而在實際的測量或應用中，由傳感器測量的信號通常為離散信號?？紤]在時間間隔Δt內(nèi)的離散信號，采樣頻率為fs，N表示在Δt時間間隔內(nèi)的采集點數(shù)，即采樣數(shù)。上述公式可轉(zhuǎn)化為

相關(guān)函數(shù)RAP(Δt)表明兩種信號在時間間隔Δt內(nèi)的波動或變化值的乘積，用以判別泄漏的壓力波和聲波是否同時產(chǎn)生。如果未同時發(fā)生，則RAP(Δt)的理論值為0。

在無泄漏工況下，由于背景噪聲以及壓力波動，實際RAP(Δt)值不為0。但聲強和管內(nèi)壓力波動值都較小，故在一定的閾值[RAP]范圍內(nèi)，[RAP]可通過實驗或工程實踐確定大小，當RAP(Δt)＞[RAP]，可判別泄漏的發(fā)生。要實現(xiàn)上述計算非常簡單，在嵌入式終端上進行簡單的加法和乘法的編程即可實現(xiàn)。

2.2 可行性與抗干擾實驗

為了考察聲-壓耦合識別方法的可行性以及其在實際工作中的抗干擾能力，設置了一組存在泄漏并且有外加擾動的實驗方案，如圖6所示。圖6 中展示了噪聲和管壓信號的變化曲線，第一個連續(xù)的噪聲信號為正常的泄漏現(xiàn)象，而后人為增加了3 種典型干擾，依次為多次敲擊管道(干擾1)、連續(xù)的環(huán)境噪聲(干擾2)和管網(wǎng)泄壓(干擾3)。其中，“干擾1”為隨機敲擊管道；“干擾2”為人工播放的高速噪聲；“干擾3”為實驗結(jié)束時，通過氣罐對管網(wǎng)泄壓，盡量避免了氣動噪聲，用以模擬燃氣管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)或流量變化等引起的壓力波動。

為了方便觀察兩種信號單獨作為泄漏識別的信號源的效果，圖7 中展示了兩種情況的計算結(jié)果：圖7(a)為公式(5)中設壓力梯度值恒等于1，即|?pi(t)|=1，此時的相關(guān)函數(shù)曲線僅與噪聲信號相關(guān)，記相關(guān)函數(shù)值為R(Δt)1；圖7(b)為公式(5)中設噪聲信號值等于1，即取|ai(t)|=1，此時的相關(guān)函數(shù)曲線僅與壓力梯度相關(guān)，記相關(guān)函數(shù)值為R(Δt)2。

圖6 管道泄漏及3 種典型干擾的實驗Fig.6 Experiments on pipeline leakage and three typical interference

圖7 單獨采用聲波或者壓力降作為泄漏檢測信號源的計算結(jié)果Fig.7 Acoustic wave or pressure drop is taken as the calculation result of leak detection signal source

從圖7(a)中可以看到，僅采用聲波信號作為泄漏識別的信號源，判別噪聲的幅值，則無法排除“干擾1”和“干擾2”帶來的噪聲影響。在實際的工程實踐中，管道受到敲擊、碰撞等短暫噪聲(類似于“干擾1”)的影響，或者受到公路、建筑工地等環(huán)境噪聲(類似于“干擾2”)的影響，基本上是不可避免的。因此，采用聲波信號作為單一識別源的泄漏檢測方法可能產(chǎn)生誤判。

從圖7(b)中可以看到，僅采用壓力作為泄漏識別的信號源，則無法排除因壓力變化的“干擾3”型擾動。例如，由于管網(wǎng)調(diào)壓、流量變化和泵站啟停等多種因素，供氣管內(nèi)的壓力出現(xiàn)了較大波動。此時，采用壓力信號作為單一識別源的泄漏檢測方法可能產(chǎn)生誤判。

由此可見，單獨采用聲波作為泄漏識別的信號源，在一些情況下無法區(qū)分泄漏噪聲與外來噪聲，而單獨區(qū)分壓力變化也無法分辨管內(nèi)壓力降是否由泄漏引起。因此，單一信號識別方法在抗干擾方面存在一定的不足。

基于這一認識，本文提出了聲波和壓力耦合的泄漏識別方法，采用公式(5)計算的耦合相關(guān)函數(shù)如圖8所示?？梢钥吹剑孤┈F(xiàn)象能夠被耦合算法所捕捉，準確地識別了泄漏的起始和終止時間點。然而，由于干擾信號無法同時觸發(fā)噪聲和壓力波動，由外部環(huán)境噪聲引起的“干擾1”和“干擾2”型擾動，以及由管道壓力調(diào)節(jié)引起的“干擾3”型壓力波動，都能夠被很好地過濾掉。由此可見，泄漏識別方法不僅保留了聲波的識別能力，而且顯著提高了抗干擾能力。

圖8 帶外部干擾的實驗條件下的相關(guān)函數(shù)RAP(Δt)值Fig.8 RAP(Δt)under experimental conditions with external interference

當然，在實際的工程實踐中，不同形式的外部干擾可能同時出現(xiàn)。例如管道壓力波動時，也遇到了環(huán)境噪聲干擾，則無論是單個還是耦合法都無法避免誤判。針對這種小概率干擾形式，需要結(jié)合閾值[RAP]來排除誤判，依據(jù)為外部干擾信號的強度通常比泄漏信號低很多，可過濾掉相關(guān)函數(shù)值小于閾值的信號來排除非泄漏因素的擾動。相關(guān)函數(shù)的閾值[RAP]，則需要根據(jù)實驗或者工程實踐確定。

因此，與單一的聲波或壓力變化的識別方法相比，耦合法中兩種信號相互起到了門函數(shù)的作用，既能保持聲波法較好的識別能力，也對非泄漏因素起到了過濾的作用，從而提高了抗干擾能力?？傮w上，耦合識別方法能夠降低多種干擾對檢測系統(tǒng)造成的誤判，提高泄漏檢測的準確性。

3 結(jié)論

本文實驗研究了燃氣管道泄漏的物理特征，提出了一種基于聲波-壓力波耦合的泄漏識別方法，通過實驗研究考察了它的可行性與抗干擾性。結(jié)論如下：

(1)管道的氣體泄漏引起了兩個顯著特征，即泄漏噪聲與管內(nèi)壓力降。泄漏噪聲的強度隨泄漏量增大而增大，但噪聲的頻率基本保持不變；管道內(nèi)壓力降低的速率與泄漏量大小正相關(guān)。

(2)根據(jù)泄漏噪聲與壓力降同時發(fā)生的特點，提出了一種基于相關(guān)算法的泄漏耦合識別方法。通過判別泄漏噪聲與壓力降是否同時出現(xiàn)，以及相關(guān)函數(shù)值大小與閾值對比，來判別泄漏是否發(fā)生；而相關(guān)函數(shù)值的大小反映了泄漏的流量大小。

(3)泄漏實驗表明，耦合識別方法既能保持聲波法較好的識別能力，也能夠排除環(huán)境噪聲的干擾和常規(guī)的壓力變化，展示了比單獨的噪聲或壓力波的識別方法更好的抗干擾性。該結(jié)果證實了耦合方法相較于單一信號識別的優(yōu)越性。