基于互相關(guān)算法的兩種燃?xì)夤芫€泄漏定位方法比較

上海煤氣第一管線工程有限公司 王敬凡

近年來(lái)，天然氣運(yùn)輸管網(wǎng)泄漏問題導(dǎo)致爆燃事故頻發(fā)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害，泄漏源的定位問題逐漸引起各界重視。其中，連續(xù)焊接鋼管閥門泄漏問題最具代表性，亟待實(shí)現(xiàn)泄漏源的精確定位。

1 聲發(fā)射技術(shù)概述

聲發(fā)射技術(shù)(Acoustic Emission，AE)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。由于其原理簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果精度高，具有動(dòng)態(tài)性、整體性和高效性等特點(diǎn)，在管道監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，氣體在泄漏點(diǎn)處向外噴射，引起管壁振動(dòng)而產(chǎn)生應(yīng)力波，形成聲發(fā)射信號(hào)，利用傳感器捕捉該信號(hào)并進(jìn)行分析，可以進(jìn)行管道泄漏的預(yù)警和定位。

實(shí)現(xiàn)泄漏源定位的關(guān)鍵在于得到準(zhǔn)確的信號(hào)時(shí)延估計(jì)。互相關(guān)算法作為一種經(jīng)典的時(shí)延估計(jì)法，運(yùn)算簡(jiǎn)單，原理明晰，被大部分研究所采用。但是由于采集到的聲發(fā)射信號(hào)往往夾雜大量噪聲，并伴隨著信號(hào)的頻散和衰減，呈現(xiàn)出非平穩(wěn)的特性，利用直接互相關(guān)技術(shù)不能得到較好的定位結(jié)果，因此需要對(duì)原始聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行降噪處理，從而提高定位精度。小波分解(Wavelet Transform，WT)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)是兩種近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的非平穩(wěn)信號(hào)處理方法。

小波分解WT可以在時(shí)頻域上表征信號(hào)的局部特性，在低頻部分具有較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率，能夠很好地去除噪聲。吳志敏等人[1]采用基于小波分解的互相關(guān)定位法，對(duì)不同壓力條件下的實(shí)驗(yàn)室管道泄漏工況進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，得到的定位結(jié)果精度達(dá)到 95%以上。Mostafapour A等人[2]以埋地燃?xì)夤艿罏閷?duì)象，模擬孔漏進(jìn)行泄漏定位實(shí)驗(yàn)，利用小波分解進(jìn)行去噪處理，同樣得到了較好的定位結(jié)果。Davoodi S等人[3]模擬孔漏，通過(guò)改變泄漏孔徑，對(duì)實(shí)驗(yàn)室管道進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，定位精度達(dá)到96%以上。

由于 WT中小波基的選擇會(huì)直接影響定位精度，且頻域劃分層數(shù)、尺度均需人為確定，不具備自適應(yīng)的特點(diǎn)，因此經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD作為一種自適應(yīng)分頻分析法，逐漸得以應(yīng)用。谷小紅等人[4]將EMD用于埋地水管的泄漏定位，該水管約20 m長(zhǎng)，最終定位誤差僅0.2 m。孫立瑛等人[5]對(duì)1根長(zhǎng)約16 m的氣體管道進(jìn)行泄漏實(shí)驗(yàn)，EMD分析的定位結(jié)果誤差為6.3%，此外，孫立瑛等人[6]還對(duì)1根長(zhǎng)24.5 m、管徑154 mm的普通低碳鋼管進(jìn)行氣體泄漏實(shí)驗(yàn)，EMD得到的平均定位誤差僅為5.34%。Cui X等人[7]對(duì)1根6 m長(zhǎng)的不銹鋼鐵管進(jìn)行CO2氣體泄漏實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明定位誤差在 1%以內(nèi)。郭晨城等人[8]提出，在利用 EMD分解重構(gòu)信號(hào)時(shí)，以各個(gè)分量和原始信號(hào)的互相關(guān)程度大小為依據(jù)，挑選合適分量，以進(jìn)一步提高結(jié)果精度。EMD雖然可以自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多分辨率分析，但分解結(jié)果往往會(huì)出現(xiàn)模態(tài)混疊問題。

對(duì)于燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ粏栴}，基于WT的互相關(guān)定位法和基于EMD的互相關(guān)定位法均有較好的應(yīng)用前景，但仍需要一定的工作來(lái)驗(yàn)證二者對(duì)實(shí)際泄漏定位的適用性。因此，本文以連續(xù)焊接鋼管燃?xì)夤艿赖拈y門泄漏為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別采用WT法和EMD法進(jìn)行降噪處理，同時(shí)進(jìn)行泄漏定位，并對(duì)比了定位結(jié)果。

2 基于聲發(fā)射技術(shù)的泄漏定位原理

如圖1所示，在泄漏源兩側(cè)布置聲發(fā)射傳感器，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)將沿著管道分別向兩側(cè)傳播。由于傳播距離不同，所以兩側(cè)傳感器接收到的信號(hào)將存在時(shí)間差。將信號(hào)時(shí)間差(信號(hào)時(shí)延)與兩傳感器的間距、聲發(fā)射信號(hào)傳播速度相結(jié)合，即可求算泄漏點(diǎn)的位置。

圖1 互相關(guān)定位原理示意

信號(hào)時(shí)延可以采用互相關(guān)法獲得。但由于管道運(yùn)行環(huán)境中干擾較大，直接采用互相關(guān)法往往不能得到準(zhǔn)確的時(shí)延，因此常常首先采用WT降噪法和EMD降噪法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

2.1 WT降噪法

由于聲發(fā)射信號(hào)包含大量噪聲，泄漏信號(hào)僅存在于部分頻帶中，為了提高互相關(guān)定位的精度，采用WT法對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，提取特定頻帶信號(hào)處理，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定位。WT法的本質(zhì)在于將信號(hào)用一組小波基函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)。

基于WT的互相關(guān)定位主要步驟如下：

(1)分析原始信號(hào)的頻譜特征，判斷泄漏信號(hào)特征頻段。

(2)根據(jù)信號(hào)頻譜特征確定分解層數(shù)，選定小波基函數(shù)。

(3)對(duì) 2個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行小波分解，選取與泄漏信號(hào)主頻段匹配的分量進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。

2.2 EMD降噪法

EMD得到的分量稱為本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)，IMF應(yīng)該滿足條件：該函數(shù)的極值點(diǎn)(極大值或極小值)數(shù)目和過(guò)零點(diǎn)數(shù)目相等或最多相差一個(gè)；由局部極大值構(gòu)成的上包絡(luò)線與由局部極小值構(gòu)成的下包絡(luò)線的平均值為零。具體計(jì)算流程為：

(1)用三次樣條函數(shù)擬合出原信號(hào)x(n)的上、下包絡(luò)線，其均值為m1；由h(n)=x(n)－m1，得到新序列h(n)。

(2)若h(n)滿足IMF函數(shù)的要求，即為第一個(gè)分量IMF1；若不滿足，則令h(n)作為新的信號(hào)x，重復(fù)以上操作，直到得到滿足要求的IMF1。

(3)定義新的數(shù)據(jù)列r1(n)=x(n)－h(huán)1(n)，把r1(n)看作新的信號(hào)x，重復(fù)步驟(1)和(2)得到第二個(gè)分量IMF2。

(4)循環(huán)步驟(3)，直到最后一個(gè)數(shù)據(jù)序列r(n)不能被繼續(xù)分解，即達(dá)到設(shè)定的閾值或者變成單調(diào)函數(shù)。

(5)觀察頻譜并挑選主頻和泄漏信號(hào)主頻相對(duì)應(yīng)的IMF分量，重構(gòu)信號(hào)。

3 連續(xù)焊接鋼管泄漏實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述算法的適用性并探究法蘭接頭對(duì)定位的影響，以連續(xù)焊接鋼管的閥門泄漏事件為對(duì)象，針對(duì)某一橋管設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)布置和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況如圖2所示。

圖2 燃?xì)鈽蚬苄孤┒ㄎ辉囼?yàn)布置

實(shí)驗(yàn)管道由露天段和埋地段兩部分組成。左端通過(guò)斜管埋入土中，右端露天。實(shí)驗(yàn)主要在露天段進(jìn)行，露天段全長(zhǎng)14 m左右。令露天段中部的控制閥作為本次實(shí)驗(yàn)的泄漏源，擰動(dòng)閥門使小漏發(fā)生，產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。采用2個(gè)AE傳感器，傳感器A和控制閥之間的距離為d1，傳感器B和控制閥的距離為d2。露天段管道上還存在一處法蘭，用以探究法蘭接頭對(duì)定位的影響。AE傳感器用膠帶固定在管壁上。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況如表1所示，工況1～6的信號(hào)僅通過(guò)直管，工況7的信號(hào)經(jīng)過(guò)法蘭接頭。

表1 定位實(shí)驗(yàn)工況

每個(gè)工況均連續(xù)采集5組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)1 s，包含106個(gè)樣本點(diǎn)。后續(xù)分析時(shí)，將每組數(shù)據(jù)劃分為樣本長(zhǎng)度為16 384(時(shí)長(zhǎng)16.384 ms)的小樣本進(jìn)行處理。

4 定位結(jié)果與對(duì)比

采集到的各工況聲發(fā)射信號(hào)分別利用 WT和EMD進(jìn)行降噪處理，并進(jìn)行泄漏源定位，將二者結(jié)果進(jìn)行比較，取聲發(fā)射信號(hào)波速為2 000 m/s。

采用精度α衡量?jī)煞N降噪方法的定位結(jié)果的優(yōu)劣，其計(jì)算式如式(1)所示:

式中：α——定位精度，m；

d1——傳感器A和泄漏源的實(shí)際距離，m；

Y1——計(jì)算得到的傳感器 A與泄漏源的距離，m；

D——兩傳感器之間的距離，m。

4.1 WT降噪法的泄漏定位結(jié)果

由初步分析可得，連續(xù)焊接鋼管泄漏信號(hào)在40～50 kHz的范圍內(nèi)存在峰值，因此取該頻段信號(hào)作為主要分析對(duì)象。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)信號(hào)的頻域特征，根據(jù)WT的原理，選用db6小波，對(duì)信號(hào)進(jìn)行5層小波分解，得到 6個(gè)頻帶的分解信號(hào)，分別為：A5(0，15.625 kHz)，D5(15.625 kHz，31.25 kHz)，D4(31.25 kHz，62.5 kHz)，D3(62.5 kHz，125 kHz)，D2(125 kHz，250 kHz)，D1(250 kHz，500 kHz)。其中D4層信號(hào)包含了泄漏信號(hào)的主頻部分，對(duì)其進(jìn)行小波重構(gòu)得到新的信號(hào)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行互相關(guān)定位。定位結(jié)果如表2所示。

表2 基于小波分解的互相關(guān)定位結(jié)果精度表

對(duì)于泄漏信號(hào)僅在直管段傳播的工況 1～6，本方法取得了較好的結(jié)果，大部分工況的定位精度均在92%以上。由此可見隨著信號(hào)傳播距離的增大，仍然可以得到很好的定位結(jié)果，但對(duì)于經(jīng)過(guò)法蘭的工況7，無(wú)法得到有實(shí)際意義的定位結(jié)果。

4.2 EMD降噪的泄漏定位結(jié)果

采用EMD對(duì)工況1～7的信號(hào)進(jìn)行分解，為了盡可能詳細(xì)地獲取低頻分量，分解層數(shù)定為12層。由于信號(hào)中噪聲能量水平比較高，所以按照能量權(quán)重選取分量重構(gòu)信號(hào)的方法不可取，因此分別做出各個(gè)分量的頻譜圖，選取主頻位于40 kHz左右的分量進(jìn)行重構(gòu)。通過(guò)對(duì)各個(gè)頻譜圖觀察可知，只有分量IMF3和IMF4在40 kHz左右存在峰值，因此以其為重構(gòu)對(duì)象進(jìn)行分析，見圖3。

圖3 工況4頻域

通過(guò)試算，對(duì)傳感器A采集到的信號(hào)，取IMF3代替原信號(hào)，對(duì)傳感器B采集到的信號(hào)，取IMF3和IMF4的和重構(gòu)信號(hào)，此時(shí)二者的互相關(guān)定位結(jié)果最好，因此將這種重構(gòu)方法用I3-34表示。具體的定位精度如表3所示。

表3 基于EMD的互相關(guān)定位結(jié)果精度

從表3可知，當(dāng)信號(hào)僅過(guò)直管時(shí)，基于 EMD的互相關(guān)定位法可以得到滿足實(shí)際工程需要的定位結(jié)果，傳播距離的變化對(duì)定位影響不大，但是，對(duì)于信號(hào)過(guò)法蘭的情況，EMD同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位。

4.3 定位結(jié)果對(duì)比

不論是WT還是EMD，均可以有效地實(shí)現(xiàn)直管泄漏信號(hào)降噪，大大提高泄漏源定位精度。對(duì)于存在法蘭的工況，二者都不能得到令人滿意的結(jié)果。經(jīng)過(guò)法蘭后的泄漏信號(hào)在40 kHz的峰值消失，說(shuō)明法蘭將泄漏信號(hào)完全衰減，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位。

為了進(jìn)一步比較兩種方法，本文從總體精度和標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體結(jié)果如表4所示。

表4 定位方法對(duì)比表 %

對(duì)于四種對(duì)比方式，基于小波分解的D4層取平均數(shù)定位法的總體精度較高，具有更好的準(zhǔn)確性，而基于EMD的I3-34取中位數(shù)定位法的標(biāo)準(zhǔn)差較小，具有更好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了連續(xù)焊接鋼管閥門泄漏定位問題，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究了泄漏的聲發(fā)射信號(hào)特征，并對(duì)基于WT降噪的和基于EMD降噪的互相關(guān)泄漏定位方法進(jìn)行了研究和對(duì)比，得到了以下結(jié)論：

(1)連續(xù)焊接鋼管閥門泄漏信號(hào)在40 kHz左右有一個(gè)頻域峰值，在經(jīng)過(guò)法蘭后該峰值消失。

(2)基于 WT的互相關(guān)定位法可以很好地解決直管段的泄漏定位問題，選用平均數(shù)的結(jié)果顯示了更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，各工況定位精度在90%左右，部分工況可達(dá)95%以上。

(3)基于 EMD的互相關(guān)定位法也能得到不錯(cuò)的定位結(jié)果，采用I3-34定位時(shí)，各工況定位精度達(dá)到90%左右，部分工況精度可達(dá)95%以上。

(4)法蘭能使得泄漏信號(hào)的峰值衰減消失，因而兩種降噪方法均不能有效定位。