基于聲發(fā)射技術(shù)的鉆采過程引壓支管泄漏信號研究*

杜莎莎 劉鵬謙 殷志明 張 源 張紅生 徐長航

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院 山東青島 266580； 2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；3. 中國海洋石油有限公司鉆完井辦公室 北京 100010)

在海洋油氣鉆采過程尤其是采油過程中，壓力監(jiān)控十分必要。但壓力測量過程中，由于傳感器受安裝位置和安裝空間的限制，或主設(shè)備內(nèi)壓力、溫度過高等原因的影響，通常在設(shè)備和傳感器之間安裝引壓支管來傳遞壓力[1]。實際應(yīng)用的引壓支管口徑小、壁薄，但管路內(nèi)的狀態(tài)通常為高溫高壓，且工作介質(zhì)常具有腐蝕性、易堵塞的特點，會導(dǎo)致引壓支管產(chǎn)生裂紋或腐蝕穿孔，泄漏的危險性很大。中石化天然氣管道分公司曾發(fā)生引壓支管腐蝕穿孔，導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)不能自動工作，天然氣泄漏，引發(fā)天然氣著火的事故[2]；某煉化公司加氫處理裝置由于熱高壓分離器液位變送器的引壓支管開裂導(dǎo)致泄漏事故[3]；工業(yè)上對引壓支管泄漏的檢測方法通常為人工噴灑肥皂水后目視檢查，對微小泄漏難以及時發(fā)現(xiàn)。因此，采取科學(xué)有效的監(jiān)測手段對引壓支管進(jìn)行在線監(jiān)測十分必要。

引壓支管泄漏檢測屬于泄漏檢測，近年來泄漏檢測引起國內(nèi)外的較大重視[4-6]。且無損檢測快速發(fā)展，其在管道上的應(yīng)用[7]為管道泄漏檢測提供了思路。聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，可以實時有效地監(jiān)測管道的工作狀態(tài)[8]。一旦發(fā)生泄漏，流體向外噴射的過程中部分能量轉(zhuǎn)換為管壁的振動[9]，該信號攜帶泄漏源的信息，泄漏位置不同、泄漏量不同時其信號均具有差異性，分析這些信號的變化便可得到泄漏源的狀態(tài)或位置。小波變換是基于時間-尺度分析的常用信號處理方法，而EMD是一種可以有效處理非平穩(wěn)信號的時頻分析方法，近幾年廣泛應(yīng)用于管道泄漏產(chǎn)生的非平穩(wěn)隨機信號的處理中。Saman Davoodi 、Amir Mostafapour[10]用小波變換進(jìn)行去噪，研究加壓管道中由于泄漏引起的AE信號建模及其振動特性；孫立瑛 等[11]研究基于小波包和HHT變換對聲發(fā)射信號分解的區(qū)別；譚興強[9]在設(shè)計的軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運用數(shù)理統(tǒng)計、隨機信號處理、自適濾波、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面的理論和知識對管道泄漏聲發(fā)射在泄漏檢測與定位方面進(jìn)行研究；潘碧霞[12]研究了小波包分解、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、EMD與FFT相結(jié)合、EMD與小波包分解相結(jié)合的4種信號特征提取方法。對于引壓支管的聲發(fā)射檢測國內(nèi)尚未見諸報道，本文通過實驗研究，應(yīng)用小波包分解和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解兩種方法對實驗所得到的引壓支管泄漏聲發(fā)射信號進(jìn)行分析，探討其信號特點，并驗證聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用于引壓支管泄漏檢測的可行性。

1 引壓支管泄漏聲發(fā)射檢測理論基礎(chǔ)

1.1 聲發(fā)射泄漏檢測原理

引壓支管的泄漏可視為管道泄漏的一種，管道泄漏產(chǎn)生聲發(fā)射信號的現(xiàn)象是一種廣義的聲發(fā)射現(xiàn)象。聲信號來源于泄漏時管內(nèi)外壓力差，管道內(nèi)的流體向外噴射的瞬間與管壁相互作用激發(fā)應(yīng)力波，該應(yīng)力波攜帶泄漏源的信息，以聲速在管壁中傳播。

泄漏過程中，流體向外噴射的部分能量轉(zhuǎn)換為管壁的振動，由于管壁的阻尼作用，只有與管道共振的應(yīng)力波可傳播較遠(yuǎn)的距離[9]，因此，不同距離的傳感器便能檢測到不同特征的聲發(fā)射信號，通過放大器將信號放大，最后進(jìn)行處理便可得到泄漏源的狀態(tài)或位置。

1.2 小波變換原理

小波變換是一種對信號進(jìn)行時間-尺度分析的方法，能夠反映信號某個局部時間的特征，并同時描述信號在時域與頻域上的特征。小波包分解(Wavelet Packet Decomposition，簡稱WPD)則采用一組低通與高通共軛正交鏡像濾波器組實現(xiàn)對低頻信號與高頻信號在通頻范圍內(nèi)不同層次的分解序列。

1.3 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解原理

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)是一種可以有效處理非平穩(wěn)信號的時頻分析方法[13-15]。EMD可以將信號從高頻到低頻按照一定的層次將不同特征尺度的波動逐級分解，構(gòu)成幾個固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，簡稱IMF)。IMF必須滿足兩點：曲線具有相等的極值點和零點數(shù)量，或兩者差值最多為1；在曲線的任意一點，包絡(luò)的最大極值點和最小極值點的均值等于零。分析IMF分量特點是EMD的關(guān)鍵。

1.4 研究方法框架

與普通管道不同，引壓支管的使用環(huán)境通常伴有高溫高壓等條件因素，且管內(nèi)介質(zhì)常具腐蝕性；管上具有多處閥門、卡套等連接結(jié)構(gòu)，連接處易存在裂縫、焊接缺陷，且易腐蝕、沖蝕造成泄漏孔，加大了泄漏的風(fēng)險；其尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，連接點多，更加強了聲發(fā)射信號的衰減。因此，探究恰當(dāng)?shù)穆暟l(fā)射信號處理方法是檢測其泄漏的關(guān)鍵。

本文通過實驗采集引壓支管無泄漏、微小泄漏、中度泄漏、嚴(yán)重泄漏時的聲發(fā)射信號，利用小波包分解與經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解兩種方法處理信號，得到其聲發(fā)射信號特征，實現(xiàn)泄漏檢測的同時識別出不同的泄漏程度，最終確定最佳的檢測方法，研究方法框架如圖1所示。

圖1 引壓支管泄漏聲發(fā)射檢測研究方法框架Fig.1 Proposed framework for acoustic emission detection of inlet pipe leakage

2 引壓支管泄漏聲發(fā)射檢測實驗研究

2.1 引壓支管泄漏聲發(fā)射檢測實驗

實驗以引壓支管為研究對象，空氣壓縮機提供氣源連接引壓支管左側(cè)工藝端，壓力變送器連接其右側(cè)儀表端，工藝流程如圖2所示。實驗儀器如圖3所示，包括壓縮機、引壓支管、壓力變送器、聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。其中聲發(fā)射檢測系統(tǒng)采用的是美國物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，主要包括：①傳感器、②前置放大器、③信號電纜、④數(shù)據(jù)采集卡、⑤AEwin軟件。

圖2 引壓支管泄漏聲發(fā)射檢測工藝流程圖Fig.2 Flowchart of the experiment for acoustic emission detection of inlet pipe leakage

本實驗中，壓縮機壓力變化為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 MPa；管上閥門從左至右分別定義為V1、V2、V3。如圖3c中泄漏源為A(距引壓支管最左側(cè)3.5 cm)，根據(jù)傳感器安裝的便捷性設(shè)計1～8號共8個測點，確定傳感器最佳安裝位置。

圖3 引壓支管泄漏聲發(fā)射檢測實驗儀器 Fig.3 Laboratory instruments for acoustic emission detection of inlet pipe leakage

通過開度來表征泄漏程度，通過調(diào)節(jié)排放閥V2開度為1時模擬無泄漏；開度為2、3、4時模擬小、中、大3種不同泄漏量并定義為微小泄漏、中度泄漏、完全泄漏，操作方法分別對應(yīng)閥門V2關(guān)閉、閥門旋開半圈、閥門旋開一圈半、閥門全開，實驗采集4種情況下的聲發(fā)射信號。

2.2 引壓支管泄漏最佳測點分析

幅值、平均信號電平(ASL)、有效值電壓(RMS)是評估泄漏聲發(fā)射信號的常用參數(shù)，通常參數(shù)值越大，聲發(fā)射信號越強，檢測效果越好。分析3個參數(shù)的影響，結(jié)果如圖4所示。綜合來看，當(dāng)壓力小于0.15 MPa時，3測點的3個參數(shù)值最大；當(dāng)壓力大于0.15 MPa時，2測點較大?？紤]工程中輸送流體壓力較大，取最佳測點為2號測點(距引壓支管最左端7.5 cm)，將傳感器安裝于2號位置采集聲發(fā)射信號。

圖4 不同測點聲發(fā)射信號的3個特征參數(shù)分析Fig.4 Analysis of three characteristic parameters of acoustic emission signals from different points

此外，由圖4可以看出，在任一檢測位置，壓力越低，特征參數(shù)越小，聲發(fā)射信號越弱，因此本文壓力范圍0～0.3MPa雖低于工程實際，但檢測難度卻更大。

3 基于小波包分解的泄漏信號的結(jié)果及分析

針對閥門開度分別為1、2、3、4所得到的引壓支管泄漏聲發(fā)射信號，根據(jù)文獻(xiàn)選用Daubechies小波基[16]，進(jìn)行3層小波包分解，得到信號在8個不同頻率范圍的分量，即(3,0)—(3,7)，其對應(yīng)的頻率分布如表1所示。根據(jù)能量分布分析壓力為0.10 MPa下引壓支管無泄漏、微小泄漏、中度泄漏、完全泄漏的聲發(fā)射信號特點。圖5以柱狀圖的形式直觀地表現(xiàn)出4種情況下的小波包能量分布。

為定量分析泄漏信號在不同頻率段的強度，對能量進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見表2。結(jié)合圖5及表2可知，引壓支管無泄漏時(開度為1)，聲發(fā)射信號能量分布與發(fā)生泄漏時完全不同，其能量主要集中在0～62.5 kHz(3,0)為48.15%，在其他頻率段分布極少，數(shù)值均在10%以下。

表1 8個小波包對應(yīng)的頻率范圍Table 1 Spectrum distribution of eight wavelet package

圖5 聲發(fā)射信號小波能量分布Fig.5 Wavelet energy distribution of acoustic emission signals

表2 聲發(fā)射信號在不同頻率段的歸一化能量值Table 2 Normalized energy value of acoustic emission signals in different frequency segments

引壓支管發(fā)生微小泄漏時(開度為2)，能量在62.5～312.5 kHz較為集中，其中在62.5～125 kHz(3,1)、187.5～250 kHz(3,2)、125～187.5 kHz(3,3)3個頻率段信號最強且歸一化能量值相近，分別為25.31%、24.93%、25.64%；在0～62.5 kHz、312.5～500 kHz分布極少，歸一化能量值之和為8.42%。引壓支管發(fā)生中度泄漏時(開度為3)，泄漏信號在62.5～125 kHz(3,1)最強，歸一化能量值為28.04%，其余能量主要分布在125～312.5 kHz，且能量在62.5～125 kHz(3,1)、187.5～250 kHz(3,2)、125～187.5 kHz(3,3)、250～312.5 kHz(3,6) 4個頻率段集中程度呈下降趨勢，數(shù)值分別為28.04%、20.30%、17.98%、16.19%；另外，相較微小泄漏的情況，中度泄漏信號在0～62.5 kHz(3,0)有所增強，同樣在312.5～500 kHz分布極少。引壓支管發(fā)生完全泄漏時(開度為4)，能量主要集中在0～312.5 kHz，其中在62.5～125 kHz(3,1)頻率段最為集中，歸一化能量值為29.15%；其次為187.5～250 kHz(3,2)、250～312.5 kHz(3,6)，其歸一化能量值分別為21.04%、17.13%。

綜合微小泄漏、中度泄漏、完全泄漏的能量在8個不同頻率段的分布來看，其能量分布具有一定規(guī)律性：三者能量均集中在62.5～312.5 kHz。由圖5可以看出，隨著泄漏量增大，能量比重在62.5～125 kHz(3,1)、250～312.5 kHz(3,6)增大，在125～187.5 kHz(3,3)減小。可見，小波包分解的方法可以很好地分析引壓支管無泄漏及泄漏量變化時的聲發(fā)射信號規(guī)律及特點。

4 基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的泄漏信號的結(jié)果及分析

對壓力為0.10 MPa時無泄漏、微小泄漏、中度泄漏、完全泄漏4種情況的聲發(fā)射信號進(jìn)行EMD分析(c1—c10)，分解得到10個固有模態(tài)函數(shù)即IMF分量，獲得4種信號在不同尺度的局部特征。如圖6所示，橫坐標(biāo)代表采樣點，縱坐標(biāo)代表幅值，反映的是信號在時域上的波動。

根據(jù)圖6所示，從無泄漏、微小泄漏、中度泄漏、完全泄漏的同一分解尺度來看，無泄漏時幅值極小，微小泄漏時幅值最大，隨著泄漏量增大，幅值減小，但中度泄漏與完全泄漏同一分解尺度幅值變化不明顯。分別對圖6a、b、c、d這4幅圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)4種情況經(jīng)過EMD分解得到的IMF分量(c1—c10)幅值均不斷減小，前6個IMF分量(c1—c6)具有明顯的泄漏聲發(fā)射信號特征，其余IMF分量(c7—c10)波動很小，基本類似于普通正弦信號。

為更充分地確定前6個IMF分量能夠代表引壓支管泄漏的聲發(fā)射信號特征，分析聲發(fā)射信號能量在10個IMF分量的分布，結(jié)果如表3所示。

由表3可見，聲發(fā)射信號能量主要分布在c1和c2分量，且從c1至c8分布依次減小，在c9和c10略有波動但波動值極小。另外，無泄漏、微小泄漏、中度泄漏、完全泄漏的聲發(fā)射信號能量在前6個IMF分量分布之和分別為91.26%、96.07%、95.59%、96.70%，可見前6個IMF分量足以表現(xiàn)整個聲發(fā)射信號的特征。因此，將EMD與FFT方法相結(jié)合，將前6個IMF分量進(jìn)行快速傅里葉變換，得到引壓支管泄漏的聲發(fā)射信號在頻域上的波動模式，如圖7所示，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示幅值。

圖6 聲發(fā)射信號EMD分解結(jié)果Fig.6 Results of AE signal processed by EMD

表3 聲發(fā)射信號能量在各IMF分量的分布情況Table 3 Energy distribution in each IMF of acoustic emission signals

圖7 聲發(fā)射信號前6個IMF分量FFT處理結(jié)果Fig.7 FFT results of the first six IMFs

5 結(jié)論

本文通過設(shè)計引壓支管泄漏檢測試驗，主要對引壓支管有無泄漏及泄漏量不同時的聲發(fā)射信號進(jìn)行小波包分解及經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解得到其信號的特點，主要認(rèn)識如下：

1) 小波包分解結(jié)果表明：實驗所用引壓支管無泄漏時能量主要集中在0～62.5 kHz，而泄漏時能量主要集中62.5～312.5 kHz；隨著泄漏量的增加，能量比重在62.5～125 kHz(3,1)、250～312.5 kHz(3,6)增大，在125～187.5 kHz(3,3)減小?？梢姡摲椒梢院芎玫墨@得無泄漏及不同泄漏量時的聲發(fā)射信號規(guī)律。

2) 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解結(jié)果表明：前6個IMF分量可以表示引壓支管泄漏的聲發(fā)射信號特征，且能量主要分布在c1和c2分量；在同一分解尺度，無泄漏時幅值明顯較小，一旦發(fā)生泄漏幅值提高但隨泄漏量增加而減小；泄漏量不同時，頻率在每個IMF分量的分布存在差異，但中度泄漏與完全泄漏差異不大，說明引壓支管泄漏達(dá)到一定程度后，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解存在局限性。

3) 小波包分解和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解兩種方法均可有效處理引壓支管泄漏時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，判斷其泄漏的存在性，但對于引壓支管泄漏量不同時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，采用小波包分解進(jìn)行處理可更好的得到其信號的異同點，辨識效果明顯優(yōu)于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解。